白 歡，彭 飛，張 凱，楊旭東，胡吉永，，俞金林

(1. 東華大學(xué)a.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b. 紡織學(xué)院，上海 201620；2. 江蘇丹毛紡織股份有限公司，江蘇 丹陽(yáng) 212351)

鑒于紡織服裝領(lǐng)域?qū)?yīng)鏈管理高效性和維護(hù)保養(yǎng)溯源性的需求，超高頻射頻識(shí)別 (ultra high frequency-radio frequency identification，UHF-RFID)標(biāo)簽[1-2]受到人們的關(guān)注，但是目前市場(chǎng)上的UHF-RFID標(biāo)簽存在價(jià)格較高且材質(zhì)不兼容紡織面料及輔料材質(zhì)的缺點(diǎn)。因此，有學(xué)者初步研究織物基UHF-RFID標(biāo)簽的制備，主要關(guān)注標(biāo)簽天線印刷制備過(guò)程中的固化條件[3]。然而，由于織物基UHF-RFID標(biāo)簽是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)合體，影響標(biāo)簽最終性能的因素很多，故有必要進(jìn)一步探索織物基UHF-RFID標(biāo)簽的制備工藝，從而提高性能并降低制作成本，這對(duì)于織物基UHF-RFID標(biāo)簽技術(shù)的發(fā)展具有極大的推動(dòng)意義。

織物基絲網(wǎng)印刷UHF-RFID標(biāo)簽的制備分為兩個(gè)階段，即天線的絲網(wǎng)印刷和天線/芯片的連接封裝。絲網(wǎng)印刷法在紡織行業(yè)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，采用絲網(wǎng)印刷可以高效印制標(biāo)簽天線，且污染小[4]。相對(duì)而言，影響天線性能的印刷因素主要有導(dǎo)電油墨性能、印刷工藝參數(shù)(如網(wǎng)版目數(shù)、絲網(wǎng)材質(zhì)、刮刀角度及壓力、刮印速度、固化溫度及時(shí)間等)和承印基材。徐磊等[5]針對(duì)PET(polyethylene terephthalate)承印基材進(jìn)行了印刷工藝的探究，結(jié)果表明，較高的印刷速度和印刷壓力、較短的固化時(shí)間以及較低的固化溫度會(huì)使標(biāo)簽天線的電阻增加，從而導(dǎo)致標(biāo)簽的諧振頻率和品質(zhì)因子下降。

對(duì)于網(wǎng)板目數(shù)，王森[6]以FR4絕緣板為承印基材，研究了不同網(wǎng)版目數(shù)(150、200、280和350目)對(duì)RFID標(biāo)簽天線性能的影響，發(fā)現(xiàn)以280目網(wǎng)版印刷所得RFID天線的電阻值變化最小，性能最好；Shahariar等[7]以230、305和355目網(wǎng)版在非織造布上印刷天線，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)版為305目時(shí)導(dǎo)電油墨的印刷均勻性最好。由以上研究可知，最佳網(wǎng)板目數(shù)可能隨承印材料的不同而異。

針對(duì)導(dǎo)電油墨對(duì)天線性能的影響，文獻(xiàn)[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，RFID標(biāo)簽天線的印刷導(dǎo)電層厚度越小，天線輻射效率越低。黃鈞浩[10]指出，雖然單次絲網(wǎng)印刷的膜層厚度最多可達(dá)300 μm，但印刷電路在實(shí)際生產(chǎn)中的膜層厚度一般要求超過(guò)20 μm。此外，曹彬[11]根據(jù)導(dǎo)電油墨的流變特性和印刷適應(yīng)性，確定導(dǎo)電微粒的百分含量為55%左右時(shí)，RFID標(biāo)簽天線的印刷質(zhì)量和電學(xué)性能最優(yōu)。

就標(biāo)簽天線與芯片的連接封裝而言，影響天線/芯片的互連強(qiáng)度和接觸電阻的因素很多，主要有芯片和基材的材料屬性和幾何參數(shù)、鍵合工藝參數(shù)(如鍵合壓力、鍵合溫度、固化速率和點(diǎn)膠量)、封裝設(shè)備的精度和產(chǎn)品的存儲(chǔ)條件等。Uddin等[12]研究表明，隨著鍵合溫度的升高，接觸電阻先下降，超過(guò)某個(gè)溫度值后緩慢上升。Wu等[13]針對(duì)各向異性導(dǎo)電膠(anisotropic conductive adhesive，ACA)互連剪切強(qiáng)度的研究表明，壓力對(duì)互連界面的剪切強(qiáng)度影響不顯著，但是為了維持穩(wěn)定的接觸電阻和可靠的互連強(qiáng)度，封裝過(guò)程仍需要施加適當(dāng)?shù)膲毫?。范守元[14]采用DELO公司提供的ACA導(dǎo)電膠進(jìn)行RFID試樣封裝，發(fā)現(xiàn)較為合適的工藝參數(shù)組合：固化度為88%、固化時(shí)間為13.5 s、鍵合壓力為2 N、上/下熱壓頭溫度分別為185和165 ℃。但是，上述文獻(xiàn)均是基于PET、聚酰亞胺等薄膜類(lèi)承印基材展開(kāi)試驗(yàn)研究，并未涉及織物類(lèi)承印基材。

基于此，本文以UHF-RFID標(biāo)簽天線為基礎(chǔ)，采用絲網(wǎng)印刷法在織物基底上印刷天線，探究印制天線及封裝的主要工藝參數(shù)對(duì)織物基標(biāo)簽性能的影響。采用控制變量法，重點(diǎn)探究網(wǎng)版目數(shù)、導(dǎo)電油墨的類(lèi)型及ACA的熱壓溫度對(duì)標(biāo)簽性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)

織物基絲網(wǎng)印刷UHF-RFID標(biāo)簽的制備工藝流程如圖1所示。印刷前在網(wǎng)版的一端倒入導(dǎo)電油墨，其中網(wǎng)版與承印物的距離d=4 mm，然后使用刮刀給網(wǎng)版上的導(dǎo)電油墨施加壓力，并朝網(wǎng)版另一端移動(dòng)。導(dǎo)電油墨在移動(dòng)的過(guò)程中透過(guò)帶有天線圖案的網(wǎng)孔，從而被擠壓到承印物上，形成標(biāo)簽天線。標(biāo)簽天線經(jīng)固化后，使用低溫單向?qū)щ娔z進(jìn)行天線/芯片的連接封裝。利用點(diǎn)膠機(jī)的精準(zhǔn)對(duì)位功能，放置適量導(dǎo)電膠于標(biāo)簽天線端口處，然后貼芯片，熱壓固化導(dǎo)電膠，完成天線/芯片的連接封裝。

1.1 天線選擇

在超高頻標(biāo)簽中，標(biāo)簽天線一般使用偶極子天線，偶極子天線通過(guò)接收并反射電磁信號(hào)至閱讀器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送[15]。已有研究從小型化、低成本的角度考慮，設(shè)計(jì)了字母型[16]、飛鏢型[17]、直短型和曲折型偶極子天線[18]。從印刷經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用靈活性出發(fā)，本文以直短型偶極子天線為雛形，在織物表面印刷圖2所示天線，其滿足標(biāo)簽天線/芯片端口阻抗匹配的性能要求[18]，其中λ為電磁波波長(zhǎng)。

1.2 天線的絲網(wǎng)印刷制備

半自動(dòng)氣動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)被用于在承印基底表面印制UHF-RFID標(biāo)簽天線。主要的印刷工藝參數(shù)設(shè)置：網(wǎng)版與織物基底間的距離為4 mm，印刷時(shí)刮刀與水平面的夾角為85°，印刷速度為170 mm/s。為了固化導(dǎo)電銀漿，天線在印刷后立即移入真空烘箱中固化，烘箱溫度為120 ℃，持續(xù)時(shí)間為30 min[3]。

為了使UHF-RFID標(biāo)簽達(dá)到柔軟性好、成本低的要求，從企業(yè)實(shí)際出發(fā)，選用常見(jiàn)的水洗嘜布(參數(shù)見(jiàn)表1)作為承印基材，水洗嘜布為聚酯樹(shù)脂涂層尼龍織物。根據(jù)前人研究[7]，網(wǎng)板目數(shù)為300目以上時(shí)天線性能較好，本試驗(yàn)選擇300和350目網(wǎng)版作為對(duì)比制作天線圖案印版。此外，采用市場(chǎng)上常用的印刷UHF-RFID標(biāo)簽的3種專(zhuān)用導(dǎo)電銀漿作為印刷油墨設(shè)計(jì)篩選試驗(yàn)，其基本規(guī)格參數(shù)列于表2。

表1 承印織物的參數(shù)

采用控制變量法，研究網(wǎng)板目數(shù)和導(dǎo)電銀漿對(duì)印刷天線質(zhì)量的影響。為了探討網(wǎng)板目數(shù)對(duì)天線印刷性能的影響，基于預(yù)試驗(yàn)印刷效果，以ET-4F導(dǎo)電銀漿為印刷油墨。在確定合適的網(wǎng)版目數(shù)之后，再探討3種導(dǎo)電銀漿對(duì)印刷效果的影響。印刷效果用固化后標(biāo)簽天線的線電阻和方阻進(jìn)行表征。

表2 3種導(dǎo)電銀漿的參數(shù)

1.3 天線/芯片連接封裝工藝

天線/芯片連接封裝就是將芯片的電氣觸點(diǎn)連接到天線的饋電端口。標(biāo)簽芯片選擇Alien H3 Flip UHF芯片(如圖3所示)，導(dǎo)電膠選擇DELO公司的AC 365型，其參考固化溫度為80～170 ℃，固化時(shí)間為4～6 s。

在封裝過(guò)程中，導(dǎo)電膠首先被滴加到天線端口表面，再將芯片的GND(地端)和RF(射頻端)端精準(zhǔn)對(duì)位到天線兩個(gè)端口表面，同時(shí)點(diǎn)膠機(jī)的上熱壓板在一定壓力下壓向芯片，之后加熱固化導(dǎo)電膠，完成天線端口和芯片端口的連接。圖3中，NC為Near Communication(引腳)，在UHF頻段范圍引腳沒(méi)有任何用途，只限于封裝形式，但是該引腳必須存在。為探究導(dǎo)電膠的熱壓溫度對(duì)標(biāo)簽性能的影響，基于織物耐高溫性能差的特點(diǎn)和導(dǎo)電膠的固化溫度，熱壓溫度分別選擇120、130和140 ℃，熱壓壓力設(shè)定為0.5 N，熱壓時(shí)間設(shè)置為6 s。

1.4 標(biāo)簽性能評(píng)價(jià)

為了測(cè)量天線導(dǎo)電層的電學(xué)性能，參考AATCC 76—2011《織物表面電阻測(cè)試》[19]，用電阻計(jì)測(cè)試天線導(dǎo)電層的線電阻，以四探針?lè)y(cè)試天線導(dǎo)電層的方阻值。同時(shí)，采用光學(xué)顯微鏡觀察天線的表觀形貌及不同封裝工藝下的連接結(jié)構(gòu)。

標(biāo)簽的讀取性能是評(píng)價(jià)天線印刷及封裝質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，而讀取距離是反映標(biāo)簽封裝接觸是否良好的直觀指標(biāo)。試驗(yàn)采用UHF-RFID讀寫(xiě)器測(cè)試標(biāo)簽的讀取距離。根據(jù)我國(guó)UHF-RFID標(biāo)簽工作規(guī)范[20]，讀寫(xiě)器的工作頻段設(shè)置為840～925 MHz。測(cè)試時(shí)標(biāo)簽天線與讀寫(xiě)器天線保持在同一水平高度，極化方向一致，記錄標(biāo)簽?zāi)鼙蛔x取的最遠(yuǎn)水平距離。由于周?chē)h(huán)境如水、金屬和人體等可能影響電磁波傳播，單個(gè)標(biāo)簽的讀取距離測(cè)試5次并計(jì)算平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 網(wǎng)版目數(shù)

2.1.1 對(duì)標(biāo)簽天線表觀形貌的影響

標(biāo)簽天線的結(jié)構(gòu)尺寸，特別是端口尺寸的精準(zhǔn)印制是保證標(biāo)簽正常工作的前提條件。不同網(wǎng)版目數(shù)下標(biāo)簽天線印刷10次后端口的印刷效果如圖4所示。由圖4可知，350目網(wǎng)版被重復(fù)印刷10次后，標(biāo)簽天線端口不清，這意味著標(biāo)簽天線印刷失敗。對(duì)于300目網(wǎng)版而言，即使被重復(fù)印刷超過(guò)100次，天線的幾何圖案結(jié)構(gòu)依然清晰。引起這種差異的原因，可能是網(wǎng)版目數(shù)越大，絲網(wǎng)制作時(shí)受到的拉伸力越大，絲印網(wǎng)版端口連接區(qū)域的光乳化膠受到刮刀作用而破裂，導(dǎo)致印刷時(shí)導(dǎo)電銀漿擴(kuò)散，與標(biāo)簽天線端口發(fā)生接觸。

天線尺寸的微小改變，都會(huì)對(duì)標(biāo)簽天線反射電磁波的能力產(chǎn)生極大影響，這對(duì)印刷精度提出了較高的要求。使用光學(xué)顯微鏡在700倍放大條件下，觀察印刷標(biāo)簽天線不同部位的表觀形貌，如圖5所示，其中，左、右圖表示標(biāo)簽天線層與水洗嘜布的交界處形貌，中間圖表示標(biāo)簽天線層形貌。由圖5可知：網(wǎng)版目數(shù)為300目時(shí)，標(biāo)簽天線的印刷尺寸與設(shè)計(jì)尺寸一致，且邊緣清晰；但是當(dāng)網(wǎng)版目數(shù)為350目時(shí)，印刷尺寸明顯小于設(shè)計(jì)尺寸，且邊緣不均勻性大。因此，從標(biāo)簽印刷尺寸穩(wěn)定性角度，以300目網(wǎng)版印刷標(biāo)簽天線可達(dá)到較好的效果。

2.1.2 對(duì)印刷層厚度的影響

天線印刷層厚度影響標(biāo)簽反向散射能量的強(qiáng)弱，原則上，天線層越厚，標(biāo)簽天線對(duì)電磁波的反射能力越強(qiáng)。使用厚度計(jì)測(cè)量承印基材在印刷前后的厚度，得到標(biāo)簽天線層厚度Δd，其中Δd=d2-d1(d1為水洗嘜基材的厚度，d2為印刷后天線層和基材的整體厚度)。分析測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，300目網(wǎng)版印刷的天線層厚度為(3.4±0.2) μm，350目網(wǎng)版印刷的天線層厚度為(1.80±0.15) μm。因此，可得出300目網(wǎng)版的印刷效果優(yōu)于350目網(wǎng)版，這與Shahariar等[7]的研究結(jié)論一致。

2.2 導(dǎo)電油墨種類(lèi)對(duì)印刷層的線電阻和方阻的影響

以300目網(wǎng)版和3種常見(jiàn)商業(yè)化導(dǎo)電銀漿印刷的標(biāo)簽天線的導(dǎo)電層電阻如圖6所示。從圖6可以看出，以ET-04型和8000A型印刷所得的導(dǎo)電層，其線電阻和方阻之間分別有約2 Ω和0.4 Ω/□的差異。這是由導(dǎo)電油墨的黏度差異引起的印刷厚度的微小差異，兩者厚度差約為3.5 μm。以ET-4F(固含量為65%)銀漿所得的標(biāo)簽天線導(dǎo)電層的線電阻和方阻明顯小于ET-04(固含量為50%)，但與8000A型(固含量50%)的相當(dāng)。

由于UHF-RFID標(biāo)簽天線印刷層的電阻在一定程度上會(huì)影響最終標(biāo)簽的信號(hào)傳輸能力，即天線層電阻越大，反射信號(hào)的能力越弱，這將導(dǎo)致最終標(biāo)簽的讀取距離變小。故相比ET-04銀漿，采用ET-4F型和8000A型銀漿，印刷所得標(biāo)簽天線的性能更優(yōu)。然而，導(dǎo)電銀漿的固含量越高，價(jià)格越貴。基于成本優(yōu)勢(shì)考慮，固含量為50%的8000A型導(dǎo)電銀漿更適合用于印刷標(biāo)簽天線。

2.3 天線/芯片連接封裝

基于上述的試驗(yàn)結(jié)果，選擇300目網(wǎng)版和8000A型導(dǎo)電銀漿印刷標(biāo)簽天線，并與芯片封裝制備標(biāo)簽樣品。由于封裝過(guò)程中導(dǎo)電膠需要加熱固化，而承印物為面密度(60±5) g/m2的織物，在高溫?zé)釅合碌目椢锟赡艹霈F(xiàn)不同程度的皺縮翹曲現(xiàn)象(如圖7所示)，這將影響芯片和天線的電氣端面之間的接觸緊密性和牢度。

在不同封裝熱壓溫度下所制得的樣品的讀取距離如圖8所示。從圖8可以看出，熱壓溫度為120 ℃ 時(shí)，標(biāo)簽的讀取距離最遠(yuǎn)，而且隨著熱壓溫度的升高，讀取距離逐漸減小。讀取距離減小源于兩方面原因：一是標(biāo)簽基材不能承受高溫，高溫會(huì)破壞織物基材表面的平整性，如圖7(b)和(c)所示，進(jìn)而使芯片與天線之間電氣接口端面的連接性能惡化；二是天線印刷固化溫度為120 ℃[3]，當(dāng)熱壓溫度較高時(shí)，將引起天線端口局部區(qū)域的二次固化，使得該區(qū)域的電阻值不同于相鄰區(qū)域，影響信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性。因此，在考慮承印織物的熱致收縮溫度和導(dǎo)電層電學(xué)性能連續(xù)性條件下，應(yīng)保持印刷固化溫度和封裝熱壓溫度的一致性。此外，本試驗(yàn)所制備的UHF-RFID標(biāo)簽的讀取距離均達(dá)到8 m以上，滿足實(shí)際應(yīng)用中需要超過(guò)2 m的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文初步探索了尼龍水洗嘜織物基UHF-RFID標(biāo)簽的天線印刷和天線/芯片連接封裝工藝。研究發(fā)現(xiàn)： 300目的絲印網(wǎng)版更適合于大生產(chǎn)中制備高精度的織物基UHF-RFID標(biāo)簽天線；在綜合考慮印刷質(zhì)量和成本下，8000A型導(dǎo)電銀漿更適合用于印制織物基標(biāo)簽天線；由于織物基材抗熱致收縮能力有限，且需要標(biāo)簽天線/芯片封裝后具備電性能連續(xù)性，印刷固化溫度和封裝熱壓溫度應(yīng)保持一致，相對(duì)而言120 ℃是此類(lèi)標(biāo)簽制備工藝流程中的最佳溫度控制值。