RFID被動(dòng)式電子標(biāo)簽制程良率探討

前言

隨著RFID市場(chǎng)的成長(zhǎng)，電子標(biāo)簽的使用量也呈倍數(shù)的成長(zhǎng)，但真正阻礙RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素卻是電子標(biāo)簽的價(jià)格成本仍高居不下，而印刷式的電子標(biāo)簽則挾先天上成本優(yōu)勢(shì)深受市場(chǎng)所冀望。

印刷式電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用在軟性電子、有機(jī)顯示器、EMI防治、紙電池及RFID等領(lǐng)域，其中又以RFID被動(dòng)式的電子標(biāo)簽印刷所面臨的技術(shù)難題最多。

印刷制程

RFID被動(dòng)式的電子標(biāo)簽印刷主要使用之油墨俗稱為「導(dǎo)電銀膠」。由于印刷時(shí)需使用銀粉材料，而近來(lái)原物料價(jià)格不斷攀升使得銀膠的成本居高不下，導(dǎo)致原本佔(zhàn)有制造成本優(yōu)勢(shì)的印刷式電子標(biāo)簽，一時(shí)之間成本降不下來(lái)，不過(guò)長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看印刷式的電子標(biāo)簽，仍是未來(lái)低價(jià)電子標(biāo)簽的最佳解決方桉之一。

在印刷的制程上，光是印刷轉(zhuǎn)印油墨的方式就有網(wǎng)版、凹版、凸版及噴墨等四大類，而每種印刷制程特性、品質(zhì)及成本亦各有不同，若再加入油墨及印刷底材之特性考量，電子標(biāo)簽印刷的制程及材料特性之組配，將能決定各項(xiàng)電子標(biāo)簽印件所適合採(cǎi)用的生產(chǎn)方式。

網(wǎng)版印刷

RFID電子標(biāo)簽的印刷制程採(cǎi)用此種方桉的桉例最多，網(wǎng)版印刷就是把導(dǎo)電油墨由網(wǎng)版的另一側(cè)以刮刀將油墨掃壓過(guò)網(wǎng)版，而油墨則穿透過(guò)網(wǎng)版上圖樣的網(wǎng)孔間隙，黏印在被印刷的底材上。網(wǎng)版印刷的油墨黏度較高，且印刷膜厚最高可達(dá)100μm，而RFID電子標(biāo)簽的印刷膜厚僅約為8~12μm即可，其后干燥則可以UV、IR及熱風(fēng)等方式來(lái)達(dá)成。

凹版印刷

凹版印刷是將刻有圖樣的金屬薄版（凹刻），固定于印刷機(jī)上的印刷轆上，沾上印刷油墨后轉(zhuǎn)印至被印刷的底材上，詳如圖〔2〕所示。凹版印刷的油墨黏度較網(wǎng)版印刷油墨的黏度來(lái)的低，油墨膜厚控制最為精準(zhǔn)，亦可符合RFID電子標(biāo)簽印制所需膜厚要求，而且印刷速度更快，極適合大量印刷生產(chǎn)，缺點(diǎn)是需投入之設(shè)備資金較高。

凸版印刷

凸版印刷是將有圖樣的橡膠厚版（凸刻），固定于印刷機(jī)上的印刷轆上，在沾上印刷油墨后轉(zhuǎn)印至底材上。凸版印刷的油墨黏度比凹版印刷來(lái)的低，油墨膜厚也是遠(yuǎn)低于前二者的，且印刷導(dǎo)電銀膠時(shí)所遭遇的難題最高最難克服，但若能克服種種難題，直接將電子標(biāo)簽印刷在紙箱上的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力卻是前二者所不能媲美的。

噴墨印刷

噴墨印刷技術(shù)的發(fā)展是近十年來(lái)的新興技術(shù)，其大型噴墨印刷設(shè)備的印刷精度最高可50μm左右，此技術(shù)也是最有可能成功實(shí)現(xiàn)IC電路于制程中直接以印刷方式制作，但缺點(diǎn)是印刷速度慢，設(shè)備及油墨成本也是所有印刷制程中最高的，而油墨黏度則是四者制程中最低的，膜厚控制精度卻是最高的。

導(dǎo)電銀膠油墨特性

目前導(dǎo)電銀膠的供應(yīng)商以美、歐廠商為主，亞洲則有日本及南韓廠商相爭(zhēng)，其油墨特性主要為銀粉成份，而銀粉成份的多寡決定其導(dǎo)電阻抗的特性。另外銀粉顆粒直徑的大小，亦是決定其印刷阻抗均一性的關(guān)鍵，表〔1〕為目前市面上幾種導(dǎo)電銀膠油墨的商品特性比較表，由表中可見(jiàn)干燥烘烤溫度及時(shí)間比一般印刷油墨高且長(zhǎng)，新開(kāi)發(fā)的導(dǎo)電銀膠特性則有朝向低溫快干低耗能及兼顧環(huán)保的趨勢(shì)。

底材

在電子標(biāo)簽印刷制程中，最易被忽略的部份就是電子標(biāo)簽的底材（substrate）一般來(lái)說(shuō)被動(dòng)式電子標(biāo)簽的底材種類不外乎PVC、PET，涂佈白紙、瓦愣紙等，但若要用在UHF頻段時(shí)，則底材材質(zhì)的介電係數(shù)會(huì)大幅影響電子標(biāo)簽的RF阻抗[5]，故在設(shè)計(jì)電子標(biāo)簽天線時(shí)須考量此因素在內(nèi)。

又瓦愣紙當(dāng)?shù)撞挠∷㈦娮訕?biāo)簽時(shí)，由于瓦愣紙的毛細(xì)孔相當(dāng)大，且呈不規(guī)則分佈。當(dāng)導(dǎo)電油墨印刷上去時(shí)，油墨會(huì)滲入毛細(xì)孔，導(dǎo)致電子標(biāo)簽天線阻抗分佈不均，此種現(xiàn)象在頻率愈高時(shí)問(wèn)題愈嚴(yán)重。

良率

在此所謂的良率除了成品之電子標(biāo)簽是否能被讀寫(xiě)器所讀到外，另外使用者更加關(guān)心應(yīng)用良率，就是所謂穩(wěn)定的讀取距離，而影響此良率的關(guān)鍵原因就是成品的RF阻抗。另外印刷天線之附著力、晶片封裝及油墨特性等，則是決定此類產(chǎn)品壽命的重要因素。

導(dǎo)電阻抗

印刷的電子標(biāo)簽天線，其RF阻抗的特性將會(huì)因印刷時(shí)油墨的固形份是否均勻的分佈在油墨中、印刷后的膜厚及印刷底材的介電係數(shù)等因素所決定[7]，而在印刷界的人都知道印刷出來(lái)的第一個(gè)印件到最后印出來(lái)的印件，顏色的色差或膜厚都會(huì)有一定幅度的變動(dòng)。若再加上底材的品質(zhì)因素產(chǎn)生介電係數(shù)的變動(dòng)，則二者變動(dòng)所產(chǎn)生的相加或相抵的結(jié)果，就會(huì)造成電子標(biāo)簽印刷天線阻抗超出規(guī)格而產(chǎn)生不良品。在HF印刷被動(dòng)式天線影響較為輕微，但若是在UHF印刷被動(dòng)式天線遇上此種情形，則產(chǎn)生不良品的機(jī)率將大增。即使前二者制程變數(shù)變動(dòng)程度的相加或相抵結(jié)果，未使電子標(biāo)簽天線印刷阻抗超出規(guī)格，但仍會(huì)使印刷出的UHF電子標(biāo)簽產(chǎn)生不同讀取距離的結(jié)果。

附著力

當(dāng)?shù)撞氖褂霉饣o緻材質(zhì)時(shí)，油墨干燥后有可能產(chǎn)生容易剝離的現(xiàn)象，尤其當(dāng)在半成品或成品捲曲的時(shí)候，干燥后之膜厚因彎曲應(yīng)力而產(chǎn)生剝離或碎裂，但此種情形可借由油墨中樹(shù)脂的調(diào)整來(lái)改善而提昇油墨之附著力。

植晶封裝

植晶制程的良率主要決定于封裝導(dǎo)電膠之RF特性及印件的定位精度，一般來(lái)講凸版印刷的精度是最差的，若日后能在制程規(guī)劃與初期設(shè)備建置調(diào)整時(shí)就考量，將有效提昇植晶制程的良率。

生命周期

印刷式的電子標(biāo)簽生命周期是比蝕刻、沖壓或蒸鍍的方式所制成的電子標(biāo)簽來(lái)的短，原因是烘烤干燥后的銀膠與空氣中的水分子或硫分子接觸后，極易產(chǎn)生氧化或硫化現(xiàn)象，而有變色或變黑現(xiàn)象。

若此種印刷式的電子標(biāo)簽被使用貼在會(huì)經(jīng)海運(yùn)運(yùn)送的貨品上時(shí)，則所面臨的被氧化或塩化現(xiàn)象將更嚴(yán)重。天線被氧化、塩化或硫化后電子標(biāo)簽的RF性能將會(huì)隨其變化層的深淺而有所影響，但所幸的是變化層厚度要到一定深度時(shí)，才會(huì)使RF阻抗有明顯的變化。

結(jié)論

在前述四種印刷方式使用于被動(dòng)式之UHF電子標(biāo)簽印刷時(shí)，其成本及制程良率各有不同，詳如圖〔5〕所示，雖然凹版及凸版兩項(xiàng)印刷技術(shù)之良率較低，但是這二種技術(shù)之生產(chǎn)成本及產(chǎn)能卻極具競(jìng)爭(zhēng)力，而日后導(dǎo)電油墨材料若能有突破時(shí)圖〔5〕的結(jié)果將完全會(huì)改觀。

另外，噴墨印刷所需成本目前高仍于凹版及凸版兩項(xiàng)印刷技術(shù)，但若將設(shè)備投資成本排除時(shí)，噴墨印刷所使用之導(dǎo)電油墨價(jià)格與凹版及凸版使用之導(dǎo)電油墨價(jià)格是相近，且低材料損耗、穩(wěn)定高良率的制程特性，反而使得總體生產(chǎn)成本最低。

由于印刷天線的性能主要取決于導(dǎo)電油墨之導(dǎo)電粒子固形份含量及印刷膜厚等二樣制程參數(shù)，且此二項(xiàng)參數(shù)可掌控影響制程良率結(jié)果的74%，這顯示印刷被動(dòng)式電子標(biāo)簽技術(shù)良率將深受導(dǎo)電油墨材料特性所影響。