织物基UHF-RFID标签天线的制备及封装工艺初探

白 欢，彭 飞，张 凯，杨旭东，胡吉永，，俞金林

(1. 东华大学a.纺织面料技术教育部重点实验室; b. 纺织学院，上海 201620；2. 江苏丹毛纺织股份有限公司，江苏 丹阳 212351)

鉴于纺织服装领域对供应链管理高效性和维护保养溯源性的需求，超高频射频识别 (ultra high frequency-radio frequency identification，UHF-RFID)标签[1-2]受到人们的关注，但是目前市场上的UHF-RFID标签存在价格较高且材质不兼容纺织面料及辅料材质的缺点。因此，有学者初步研究织物基UHF-RFID标签的制备，主要关注标签天线印刷制备过程中的固化条件[3]。然而，由于织物基UHF-RFID标签是一个结构复合体，影响标签最终性能的因素很多，故有必要进一步探索织物基UHF-RFID标签的制备工艺，从而提高性能并降低制作成本，这对于织物基UHF-RFID标签技术的发展具有极大的推动意义。

织物基丝网印刷UHF-RFID标签的制备分为两个阶段，即天线的丝网印刷和天线/芯片的连接封装。丝网印刷法在纺织行业是一项成熟的技术，采用丝网印刷可以高效印制标签天线，且污染小[4]。相对而言，影响天线性能的印刷因素主要有导电油墨性能、印刷工艺参数(如网版目数、丝网材质、刮刀角度及压力、刮印速度、固化温度及时间等)和承印基材。徐磊等[5]针对PET(polyethylene terephthalate)承印基材进行了印刷工艺的探究，结果表明，较高的印刷速度和印刷压力、较短的固化时间以及较低的固化温度会使标签天线的电阻增加，从而导致标签的谐振频率和品质因子下降。

对于网板目数，王森[6]以FR4绝缘板为承印基材，研究了不同网版目数(150、200、280和350目)对RFID标签天线性能的影响，发现以280目网版印刷所得RFID天线的电阻值变化最小，性能最好；Shahariar等[7]以230、305和355目网版在非织造布上印刷天线，发现网版为305目时导电油墨的印刷均匀性最好。由以上研究可知，最佳网板目数可能随承印材料的不同而异。

针对导电油墨对天线性能的影响，文献[8-9]研究发现，RFID标签天线的印刷导电层厚度越小，天线辐射效率越低。黄钧浩[10]指出，虽然单次丝网印刷的膜层厚度最多可达300 μm，但印刷电路在实际生产中的膜层厚度一般要求超过20 μm。此外，曹彬[11]根据导电油墨的流变特性和印刷适应性，确定导电微粒的百分含量为55%左右时，RFID标签天线的印刷质量和电学性能最优。

就标签天线与芯片的连接封装而言，影响天线/芯片的互连强度和接触电阻的因素很多，主要有芯片和基材的材料属性和几何参数、键合工艺参数(如键合压力、键合温度、固化速率和点胶量)、封装设备的精度和产品的存储条件等。Uddin等[12]研究表明，随着键合温度的升高，接触电阻先下降，超过某个温度值后缓慢上升。Wu等[13]针对各向异性导电胶(anisotropic conductive adhesive，ACA)互连剪切强度的研究表明，压力对互连界面的剪切强度影响不显著，但是为了维持稳定的接触电阻和可靠的互连强度，封装过程仍需要施加适当的压力。范守元[14]采用DELO公司提供的ACA导电胶进行RFID试样封装，发现较为合适的工艺参数组合：固化度为88%、固化时间为13.5 s、键合压力为2 N、上/下热压头温度分别为185和165 ℃。但是，上述文献均是基于PET、聚酰亚胺等薄膜类承印基材展开试验研究，并未涉及织物类承印基材。

基于此，本文以UHF-RFID标签天线为基础，采用丝网印刷法在织物基底上印刷天线，探究印制天线及封装的主要工艺参数对织物基标签性能的影响。采用控制变量法，重点探究网版目数、导电油墨的类型及ACA的热压温度对标签性能的影响。

1 试验设计和性能评价

织物基丝网印刷UHF-RFID标签的制备工艺流程如图1所示。印刷前在网版的一端倒入导电油墨，其中网版与承印物的距离d=4 mm，然后使用刮刀给网版上的导电油墨施加压力，并朝网版另一端移动。导电油墨在移动的过程中透过带有天线图案的网孔，从而被挤压到承印物上，形成标签天线。标签天线经固化后，使用低温单向导电胶进行天线/芯片的连接封装。利用点胶机的精准对位功能，放置适量导电胶于标签天线端口处，然后贴芯片，热压固化导电胶，完成天线/芯片的连接封装。

1.1 天线选择

在超高频标签中，标签天线一般使用偶极子天线，偶极子天线通过接收并反射电磁信号至阅读器，实现数据传送[15]。已有研究从小型化、低成本的角度考虑，设计了字母型[16]、飞镖型[17]、直短型和曲折型偶极子天线[18]。从印刷经济性和应用灵活性出发，本文以直短型偶极子天线为雏形，在织物表面印刷图2所示天线，其满足标签天线/芯片端口阻抗匹配的性能要求[18]，其中λ为电磁波波长。

1.2 天线的丝网印刷制备

半自动气动丝网印刷机被用于在承印基底表面印制UHF-RFID标签天线。主要的印刷工艺参数设置：网版与织物基底间的距离为4 mm，印刷时刮刀与水平面的夹角为85°，印刷速度为170 mm/s。为了固化导电银浆，天线在印刷后立即移入真空烘箱中固化，烘箱温度为120 ℃，持续时间为30 min[3]。

为了使UHF-RFID标签达到柔软性好、成本低的要求，从企业实际出发，选用常见的水洗唛布(参数见表1)作为承印基材，水洗唛布为聚酯树脂涂层尼龙织物。根据前人研究[7]，网板目数为300目以上时天线性能较好，本试验选择300和350目网版作为对比制作天线图案印版。此外，采用市场上常用的印刷UHF-RFID标签的3种专用导电银浆作为印刷油墨设计筛选试验，其基本规格参数列于表2。

表1 承印织物的参数

采用控制变量法，研究网板目数和导电银浆对印刷天线质量的影响。为了探讨网板目数对天线印刷性能的影响，基于预试验印刷效果，以ET-4F导电银浆为印刷油墨。在确定合适的网版目数之后，再探讨3种导电银浆对印刷效果的影响。印刷效果用固化后标签天线的线电阻和方阻进行表征。

表2 3种导电银浆的参数

1.3 天线/芯片连接封装工艺

天线/芯片连接封装就是将芯片的电气触点连接到天线的馈电端口。标签芯片选择Alien H3 Flip UHF芯片(如图3所示)，导电胶选择DELO公司的AC 365型，其参考固化温度为80～170 ℃，固化时间为4～6 s。

在封装过程中，导电胶首先被滴加到天线端口表面，再将芯片的GND(地端)和RF(射频端)端精准对位到天线两个端口表面，同时点胶机的上热压板在一定压力下压向芯片，之后加热固化导电胶，完成天线端口和芯片端口的连接。图3中，NC为Near Communication(引脚)，在UHF频段范围引脚没有任何用途，只限于封装形式，但是该引脚必须存在。为探究导电胶的热压温度对标签性能的影响，基于织物耐高温性能差的特点和导电胶的固化温度，热压温度分别选择120、130和140 ℃，热压压力设定为0.5 N，热压时间设置为6 s。

1.4 标签性能评价

为了测量天线导电层的电学性能，参考AATCC 76—2011《织物表面电阻测试》[19]，用电阻计测试天线导电层的线电阻，以四探针法测试天线导电层的方阻值。同时，采用光学显微镜观察天线的表观形貌及不同封装工艺下的连接结构。

标签的读取性能是评价天线印刷及封装质量的关键指标，而读取距离是反映标签封装接触是否良好的直观指标。试验采用UHF-RFID读写器测试标签的读取距离。根据我国UHF-RFID标签工作规范[20]，读写器的工作频段设置为840～925 MHz。测试时标签天线与读写器天线保持在同一水平高度，极化方向一致，记录标签能被读取的最远水平距离。由于周围环境如水、金属和人体等可能影响电磁波传播，单个标签的读取距离测试5次并计算平均值。

2 结果与讨论

2.1 网版目数

2.1.1 对标签天线表观形貌的影响

标签天线的结构尺寸，特别是端口尺寸的精准印制是保证标签正常工作的前提条件。不同网版目数下标签天线印刷10次后端口的印刷效果如图4所示。由图4可知，350目网版被重复印刷10次后，标签天线端口不清，这意味着标签天线印刷失败。对于300目网版而言，即使被重复印刷超过100次，天线的几何图案结构依然清晰。引起这种差异的原因，可能是网版目数越大，丝网制作时受到的拉伸力越大，丝印网版端口连接区域的光乳化胶受到刮刀作用而破裂，导致印刷时导电银浆扩散，与标签天线端口发生接触。

天线尺寸的微小改变，都会对标签天线反射电磁波的能力产生极大影响，这对印刷精度提出了较高的要求。使用光学显微镜在700倍放大条件下，观察印刷标签天线不同部位的表观形貌，如图5所示，其中，左、右图表示标签天线层与水洗唛布的交界处形貌，中间图表示标签天线层形貌。由图5可知：网版目数为300目时，标签天线的印刷尺寸与设计尺寸一致，且边缘清晰；但是当网版目数为350目时，印刷尺寸明显小于设计尺寸，且边缘不均匀性大。因此，从标签印刷尺寸稳定性角度，以300目网版印刷标签天线可达到较好的效果。

2.1.2 对印刷层厚度的影响

天线印刷层厚度影响标签反向散射能量的强弱，原则上，天线层越厚，标签天线对电磁波的反射能力越强。使用厚度计测量承印基材在印刷前后的厚度，得到标签天线层厚度Δd，其中Δd=d2-d1(d1为水洗唛基材的厚度，d2为印刷后天线层和基材的整体厚度)。分析测量结果发现，300目网版印刷的天线层厚度为(3.4±0.2) μm，350目网版印刷的天线层厚度为(1.80±0.15) μm。因此，可得出300目网版的印刷效果优于350目网版，这与Shahariar等[7]的研究结论一致。

2.2 导电油墨种类对印刷层的线电阻和方阻的影响

以300目网版和3种常见商业化导电银浆印刷的标签天线的导电层电阻如图6所示。从图6可以看出，以ET-04型和8000A型印刷所得的导电层，其线电阻和方阻之间分别有约2 Ω和0.4 Ω/□的差异。这是由导电油墨的黏度差异引起的印刷厚度的微小差异，两者厚度差约为3.5 μm。以ET-4F(固含量为65%)银浆所得的标签天线导电层的线电阻和方阻明显小于ET-04(固含量为50%)，但与8000A型(固含量50%)的相当。

由于UHF-RFID标签天线印刷层的电阻在一定程度上会影响最终标签的信号传输能力，即天线层电阻越大，反射信号的能力越弱，这将导致最终标签的读取距离变小。故相比ET-04银浆，采用ET-4F型和8000A型银浆，印刷所得标签天线的性能更优。然而，导电银浆的固含量越高，价格越贵。基于成本优势考虑，固含量为50%的8000A型导电银浆更适合用于印刷标签天线。

2.3 天线/芯片连接封装

基于上述的试验结果，选择300目网版和8000A型导电银浆印刷标签天线，并与芯片封装制备标签样品。由于封装过程中导电胶需要加热固化，而承印物为面密度(60±5) g/m2的织物，在高温热压下的织物可能出现不同程度的皱缩翘曲现象(如图7所示)，这将影响芯片和天线的电气端面之间的接触紧密性和牢度。

在不同封装热压温度下所制得的样品的读取距离如图8所示。从图8可以看出，热压温度为120 ℃ 时，标签的读取距离最远，而且随着热压温度的升高，读取距离逐渐减小。读取距离减小源于两方面原因：一是标签基材不能承受高温，高温会破坏织物基材表面的平整性，如图7(b)和(c)所示，进而使芯片与天线之间电气接口端面的连接性能恶化；二是天线印刷固化温度为120 ℃[3]，当热压温度较高时，将引起天线端口局部区域的二次固化，使得该区域的电阻值不同于相邻区域，影响信号传输的连续性。因此，在考虑承印织物的热致收缩温度和导电层电学性能连续性条件下，应保持印刷固化温度和封装热压温度的一致性。此外，本试验所制备的UHF-RFID标签的读取距离均达到8 m以上，满足实际应用中需要超过2 m的要求。

3 结 语

本文初步探索了尼龙水洗唛织物基UHF-RFID标签的天线印刷和天线/芯片连接封装工艺。研究发现： 300目的丝印网版更适合于大生产中制备高精度的织物基UHF-RFID标签天线；在综合考虑印刷质量和成本下，8000A型导电银浆更适合用于印制织物基标签天线；由于织物基材抗热致收缩能力有限，且需要标签天线/芯片封装后具备电性能连续性，印刷固化温度和封装热压温度应保持一致，相对而言120 ℃是此类标签制备工艺流程中的最佳温度控制值。