RFID标签天线及读写器设计制造

1、RFIDD标签天天线及读读写器设设计制造造1 芯片片设计及及制造1.1 芯片设设计技术术 按照能能量供给给方式的的不同，RFIID标签签可以分分为被动动标签，半主动动标签和和主动标标签，其其中半主主动标签签和主动动标签中中芯片的的能量由由电子标标签所附附的电池池提供，主动标标签可以以主动发发出射频频信号。按照工工作频率率的不同同，RFFID标标签可以以分为低低频(LLF)、高频(HF)、超高高频(UUHF)和微波波等不同同种类。不同频频段的RRFIDD工作原原理不同同，LFF和HFF频段RRFIDD电子标标签一般般采用电电磁耦合合原理，而UHHF及微微波频段段的RFFID一一般采用用电磁发发射

2、原理理。不同同频段标标签芯片片的基本本结构类类似，一一般都包包含射频频前端、模拟前前端、数数字基带带和存储储器单元元等模块块。其中中，射频频前端模模块主要要用于对对射频信信号进行行整流和和反射调调制；模模拟前端端模块主主要用于于产生芯芯片内所所需的基基准电源源和系统统时钟，进行上上电复位位等；数数字基带带模块主主要用于于对数字字信号进进行编码码解编码码以及进进行防碰碰撞协议议的处理理等；存存储器单单元模块块用于信信息存储储。 目前，发达国国家在多多种频段段都实现现了RFFID标标签芯片片的批量量生产，模拟前前端多采采用了低低功耗技技术，无无源微波波RFIID标签签的工作作距离可可以超过过1米，

3、无无源超高高频RFFID标标签的工工作距离离可以达达到5米米以上，功耗可可以做到到几个微微瓦，批批量成本本接近十十美分。 射频标标签的通通信标准准是标签签芯片设设计的依依据，目目前国际际上与RRFIDD相关的的通信标标准主要要有:IISO/IECC 1880000标准（包括77个部分分，涉及及1255KHzz, 113.556MHHz, 4333MHzz, 88609600MHzz, 22.455GHzz等频段段），IISO1117885（低低频），ISOO/IEEC 1144443标准准（133.566MHzz），IISO/IECC 1556933标准（13.56MMHz），EPPC标准准（

4、包括括Claass00, CClasss1和和GENN2等三三种协议议,涉及及HF和和UHFF两种频频段）,DSRRC标准准（欧洲洲ETCC标准，含5.8GHHz）。目前电电子标签签芯片的的国际标标准出现现了融合合的趋势势，ISSO/IIEC 156693标标准已经经成为IISO118000033标准的的一部分分，EPPC GGEN22标准也也已经启启动向IISO118000066 Paart C标准准的转化化。 中国在在LF和和HF频频段RFFID标标签芯片片设计方方面的技技术比较较成熟，HF频频段方面面的设计计技术接接近国际际先进水水平，已已经自主主开发出出符合IISO1144443 TT

5、ypee A、Typpe BB和ISSO1556933标准的的RFIID芯片片，并成成功地应应用于交交通一卡卡通和中中国二代代身份证证等项目目，与国国际主要要的差距距存在于于片上天天线与芯芯片的集集成上，目前国国内还没没有相应应的产品品应用。国内在在UHFF和微波波频段的的标签芯芯片设计计方面起起步较晚晚，目前前已经掌掌握UHHF频段段RFIID标签签芯片的的设计技技术，部部分公司司和研究究机构已已经研发发出标签签芯片的的样片，但尚未未实现量量产。国国内在UUHF频频段读写写器RFF芯片和和系统芯芯片（SSOC）的设计计方面也也具有一一定的基基础，但但目前产产品仍主主要依赖赖于进口口。在微微波

6、频段段（2.45GGHz及及5.88GHzz）,国国内有部部分应用用在公路路不停车车收费项项目中，相对于于国外在在这两个个频段的的技术水水平，国国内的研研究还处处于起步步阶段，尚无相相应产品品。 与国际际先进水水平相比比，中国国在RFFID芯芯片设计计方面的的主要差差距如下下： 1）国外在在RFIID芯片片设计方方面起步步较早，并申请请了许多多技术专专利，而而国内起起步相对对较晚，尤其在在UHFF及微波波频段的的RFIID芯片片设计方方面的基基础比较较薄弱，取得的的自主知知识产权权较少；同时，一些目目前广泛泛采用的的RFIID标准准中包含含了国外外的技术术要求及及专利，在实现现这些标标准过程程

7、中有可可能触及及一些国国外已有有的技术术及专利利； 2）在存储储器方面面，发达达国家已已经开始始采用标标准CMMOS工工艺设计计非挥发发存储器器，使得得RFIID标签签芯片的的所有模模块有可可能在标标准CMMOS工工艺下制制作完成成，以降降低生产产成本，而国内内目前仍仍主要采采用传统统的OTTP工艺艺或EEEPROOM工艺艺，关于于标准CCMOSS工艺下下的非挥挥发存储储器的研研究刚刚刚开始； 3）在超低低功耗模模拟电路路研究方方面，国国内研究究较少，而这方方面的设设计将直直接影响响到芯片片的阅读读距离和和整体性性能； 4）RFIID标签签对成本本比较敏敏感，芯芯片设计计需要在在模拟电电路和数

8、数模混合合电路设设计方面面具有丰丰富经验验的专业业人才，而国内内目前从从事射频频识别芯芯片设计计的人才才较少，技术力力量相对对薄弱。1.2 芯片制制造技术术 半导体体芯片制制造工艺艺有多种种类型，根据器器件类型型可分CCMOSS，Biipollar，BICCMOSS等，根根据材料料可分SSi，GGe，GGaAss工艺等等，根据据衬底类类型可分分体硅工工艺、SSOI工工艺等。RFIID应用用特点是是批量大大，但成成本极其其敏感，尽管有有厂家利利用特殊殊工艺设设计制造造出相应应产品，但综合合多种因因素及国国内实际际情况，基于CCMOSS制造工工艺的工工艺技术术比较适适合目前前应用需需求的RRFID

9、D的加工工制造。目前国国外也主主要采用用标准CCMOSS工艺，且普遍遍采用00.355m以下下工艺。2 天线线设计与与制造技技术2.1 天线设设计技术术 天线是是一种以以电磁波波形式把把无线电电收发机机的射频频信号功功率接收收或辐射射出去的的装置。天线按按工作频频段可分分为长波波、短波波、超短短波以及及微波天天线等；按方向向性可分分为全向向天线、定向天天线等；按外形形可分为为线状天天线、面面状天线线等。在在RFIID系统统中，天天线分为为标签天天线和读读写器天天线两种种情况，当前的的RFIID系统统主要集集中在LLF、HHF (13.56MMHz)、UHHF和微微波频段段。天线线的原理理和设计

10、计在LFF、HFF和UHHF频段段有根本本上的不不同。实实质上，由于在在LF和和HF频频段系统统近场区区并没有有电磁波波的传播播，因此此天线的的问题主主要集中中在UHHF和微微波频段段。 （1） RFFID标标签天线线设计 天线的的目标是是传输最最大的能能量进出出标签芯芯片，这这需要仔仔细的设设计天线线和自由由空间以以及其相相连的标标签芯片片的匹配配，当工工作频率率增加到到微波区区域的时时候，天天线与标标签芯片片之间的的匹配问问题变得得更加严严峻。一一直以来来，标签签天线的的开发基基于的是是50或或者755欧姆输输入阻抗抗，而在在RFIID应用用中，芯芯片的输输入阻抗抗可能是是任意值值，并且且

11、很难在在工作状状态下准准确测试试，缺少少准确的的参数，天线的的设计难难以达到到最佳。相应的的小尺寸寸以及低低成本等等要求也也对天线线的设计计带来挑挑战，天天线的设设计面临临许多难难题。 标签天天线特性性受所标标识物体体的形状状及物理理特性影影响，标标签到贴贴标签物物体的距距离，贴贴标签物物体的介介电常数数，金属属表面的的反射，局部结结构对辐辐射模式式的影响响等都将将影响天天线的性性能。 在国内内，有近近百家的的天线公公司或工工厂。这这些天线线厂家主主要的产产品是基基本上传传统的卫卫星接收收天线、电视接接收天线线、车载载天线，蜂窝基基站天线线等等，相对于于从事RRFIDD天线设设计的单单位很少少

12、，基础础比较薄薄弱。国国内LFF和HFF的RFFID系系统的天天线设计计比较成成熟。对对于特定定环境应应用的UUHF频频段RFFID天天线的设设计和应应用比较较成熟，比如应应用于铁铁路运输输上的电电子车号号自动识识别系统统，该系系统中阅阅读器天天线为安安装在地地面的微微带天线线，并且且带有很很坚固的的防护外外壳。标标签体积积较大并并且封装装在塑料料壳中，标签天天线可靠靠性高、加工工工艺成熟熟但是成成本高。在读写写器和标标签位置置、方向向不固定定、或者者周围电电磁影响响严重的的一些系系统中存存在识别别准确率率不高，测试一一致性不不理想的的问题。 国外已已经研制制出一种种在RFFID芯芯片上嵌嵌入

13、天线线的方法法，常规规RFIID芯片片需要用用一个外外部天线线来实现现它们与与外部读读取器的的通信，而微芯芯片的片片载天线线使它能能够接收收来自读读写器的的无线信信号并将将ID号号回送。因此这这种芯片片无需任任何外部部器件即即可自行行进行工工作。目目前国内内关于片片上天线线的研究究基本处处于空白白状态。国外致致力于覆覆盖各种种频率的的复合天天线设计计，基于于研究可可以用来来纺织复复合天线线、电源源和数据据总线的的未来服服装所需需要的新新型材料料，促进进电子标标签在服服装上的的使用。国外厂厂商都在在研制和和生产低低成本的的电子标标签天线线和标签签产品，用以满满足产品品商品标标志等方方面的需需要。

14、国国外注重重标签天天线知识识产权保保护，许许多标签签天线都都申请专专利保护护。在特特殊的使使用要求求下，标标签天线线仍然需需要有很很高的可可靠性。国内在在UHFF和微波波频段的的标签天天线的形形式、体体积、成成本方面面和国外外技术存存在一定定的差距距 （2）RFIID读写写器天线线设计 对于近近距离113.556MHHzRFFID应应用( 100cm)，比如如门禁系系统，天天线一般般和读写写器集成成在一起起，对于于远距离离13.56MMHz( 100cm1m)或或者UHHF频段段( 3m) 的RFFID系系统，天天线和读读写器采采取分离离式结构构，并通通过阻抗抗匹配的的同轴电电缆连接接到一起起

15、。读写写器由于于结构、安装和和使用环环境等变变化多样样，并且且读写器器产品朝朝着小型型化甚至至超小型型化发展展，天线线设计面面临新的的挑战。 读写器器天线设设计要求求低剖面面、小型型化以及及多频段段覆盖。对于分分离式读读写器，还将涉涉及到天天线阵的的设计问问题。它它还涉及及到小型型化的问问题带来来的低效效率、低低增益问问题，这这同样是是国内国国外共同同关注的的研究课课题。 国外已已经开始始研究读读写器应应用的智智能波束束扫描天天线阵，读写器器可以按按照一定定的处理理顺序，“智能”的打开开和关闭闭不同的的天线，使系统统能够感感知不同同天线覆覆盖区域域的标签签，增大大系统覆覆盖范围围。2. 22

16、天线线制造技技术 目前，有三种种天线制制造技术术：蚀刻刻/冲压压天线（etcchedd/puunchhed anttennna）、印刷天天线（pprinntedd anntennna）和绕线线式天线线。 在国际际上，目目前一般般都采用用蚀刻/冲压天天线为主主，其材材料一般般为铝或或者铜，因为其其能提供供最大可可能的信信号给标标签上的的芯片，并且在在标签的的方向性性和天线线的极化化等特性性上都能能与读卡卡机的询询问信号号相匹配配，同时时在天线线的阻抗抗，应用用到物品品上的RRF的性性能，以以及在有有其他的的物品围围绕贴标标签物品品时的RRF性能能等方面面都有很很好的表表现，但但是它唯唯一的缺缺点

17、就是是成本太太高。 导电油油墨从只只用丝网网印刷扩扩展到胶胶印、柔柔性版印印刷、凹凹印，其其技术的的进步，促进了了RFIID标签签的生产产和使用用。现在在随着新新型导电电油墨的的不断开开发，印印刷天线线的优势势越来越越突出。导电油油墨是由由细微导导电粒子子或其他他特殊材材料(如如导电的的聚合物物等)组组成，印印刷到承承印物上上后，起起到导线线、天线线和电阻阻的作用用。这种种油墨印印刷在柔柔性或硬硬质承印印物上可可制成印印刷电路路，用导导电油墨墨印制的的天线可可接收RRFIDD专用的的无线电电信号。其优势势表现在在导电效效果出色色和成本本降低。 在频率率较低的的标签中中，通常常采用线线圈天线线形

18、式；频率较较高的标标签通常常为印刷刷贴片天天线形式式。其印印刷工艺艺是在纸纸板、聚聚脂、聚聚苯乙烯烯等材料料上用金金属、聚聚合物等等导电墨墨水（主主要成分分为银和和铝等金金属）印印刷出天天线图形形，印刷刷贴片天天线技术术在国外外已经成成功应用用，但是是国内由由于设备备价格昂昂贵很少少引进。即便在在国外，印刷技技术的印印刷分辨辨率、套套准精度度、必要要的隔离离层和干干净的印印刷环境境上还有有待实质质性的改改善和提提高。 我国具具备一定定的利用用导电油油墨(如如导电银银浆)进进行天线线的加工工的能力力，但是是印刷分分辨率、套准精精度、必必要的隔隔离层和和干净的的印刷环环境上还还有待实实质性的的改善

19、和和提高。2.3 标签封封装技术术2.3.1 封封装方法法 印刷天天线与芯芯片的互互连上，因RFFID标标签的工工作频率率高、芯芯片微小小超薄，最适宜宜的方法法是倒装装芯片（Fliip CChipp）技术术，它具具有高性性能、低低成本、微型化化、高可可靠性的的特点，为适应应柔性基基板材料料，倒装装的键合合材料要要以导电电胶来实实现芯片片与天线线焊盘的的互连。 柔性基基板要实实现大批批量低成成本的生生产，以以及为了了更有效效地降低低生产成成本，采采用新的的方法进进行天线线与芯片片的互连连是目前前国际国国内研究究的热点点问题。 为了适适应更小小尺寸的的RFIID芯片片，有效效地降低低生产成成本，采

20、采用芯片片与天线线基板的的键合封封装分为为两个模模块分别别完成是是目前发发展的趋趋势。其其中一具具体做法法（中国国专利）是：大大尺寸的的天线基基板和连连接芯片片的小块块基板分分别制造造，在小小块基板板上完成成芯片贴贴装和互互连后，再与大大尺寸天天线基板板通过大大焊盘的的粘连完完成电路路导通。 与上述述将封装装过程分分两个模模块类似似的方法法是将芯芯片先转转移至可可等间距距承载芯芯片的载载带上，再将载载带上的的芯片倒倒装贴在在天线基基板。该该方法中中，芯片片的倒装装是靠载载带翻卷卷的方式式来实现现的，简简化了芯芯片的拾拾取操作作，因而而可实现现更高的的生产效效率。特特别是目目前正在在研究发发展中

21、的的流体自自装配（FSAA）、振振动装配配（Viibraatorry aasseemblly）等等技术，理论上上可以实实现微小小芯片至至载带的的批量转转移，极极大地提提高芯片片与天线线的封装装效率。 2.3.2 封封装关键键工艺 RFIID标签签因不同同的用途途呈现多多种封装装形式，因而在在天线制制造、凸凸点形成成、芯片片键合互互连等封封装过程程工艺也也呈多样样性。 （1）凸点的的形成 目前RRFIDD标签产产品的特特点是品品种繁多多，但并并非每个个品种的的数量能能形成规规模。因因此，采采用柔性性化制作作凸点技技术具有有成本低低廉，封封装效率率高，使使用方便便，灵活活，工艺艺控制简简单，自自动

22、化程程度高等等特点。不仅可可解决微微电子工工业中可可变加工工批量、高密度度、低成成本封装装急需的的难题，还为目目前正蓬蓬勃兴起起的RFFID标标签的柔柔性化生生产提供供条件。 （2）RFIID芯片片互连方方法 RFIID标签签制造的的主要目目标之一一是降低低成本。为此，应尽可可能减少少工序，选择低低成本材材料，减减少工艺艺时间。从材料料成本角角度，应应优先考考虑NCCA互连连，且可可以同点点胶凸点点相配合合实现低低成本制制造。采采取ACCA互连连在技术术上是成成熟的，但其缺缺点在于于目前市市场上的的ACAA材料价价格仍然然较为昂昂贵，而而且都是是针对细细间距、高密度度、高II/O数数互连而而研

23、制的的。如果果能够自自制出成成本低廉廉的满足足RFIID互连连的导电电胶，AACA互互连也能能够成为为低成本本的选择择。ICCA互连连的缺点点在于工工艺步骤骤相对较较多，固固化时间间相对较较长。2.3.3 RRFIDD标签关关键封装装设备 RFIID封装装设备由由一系列列工艺装装备组成成的自动动化生产产线，各各工艺环环节相对对独立，同时又又相互制制约，要要实现高高效率的的生产，必须综综合考虑虑各个工工艺环节节的要求求；从技技术的角角度，它它是集光光、机、电、气气、液于于一体的的高精技技术装备备，涉及及时间、压力、温度等等多物理理场的各各种物理理现象，需要解解决速度度、精度度、效率率、质量量、可

24、靠靠性、成成本等多多方面的的因素的的影响。开发高高性能低低成本的的RFIID制造造装备一一直是业业界关注注的焦点点问题。 目前RRFIDD产品的的封装设设备只有有国外一一些厂商商提供，柔性基基板的标标签均选选用从卷卷到卷的的生产方方式，该该生产线线包括基基板进料料、上胶胶、芯片片翻转贴贴装（倒倒装）、热压固固化、测测试、基基板收料料等工艺艺流程。另一种种生产方方式为先先制造RRFIDD模块，然后将将其与天天线基板板进行键键合组装装。该方方法由独独立的可可精密定定位的芯芯片转移移设备将将芯片置置于载带带构成芯芯片模块块，再由由芯片模模块将芯芯片转移移至天线线基板，其优点点是两次次转移可可独立并并

25、行执行行，芯片片翻转通通过载带带的盘卷卷方式实实现，因因而生产产效率得得以提高高。 RFIID封装装设备的的核心内内容是如如何在多多物理因因素作用用下，使使键合机机及相关关工艺受受控完成成高质量量的接合合界面。通常涉涉及几方方面的关关键技术术：多自自由度柔柔性、灵灵活的执执行机构构，基于于视觉信信息引导导的识别别与定位位，胶固固化及滴滴胶过程程的时间间、温度度和压力力控制，不同工工艺单元元技术的的集成。 国内拥拥有自主主知识产产权的倒倒装封装装设备几几乎是空空白，而而国外厂厂商设备备价格非非常昂贵贵，一般般需要上上百万美美元。如如果直接接购买进进口设备备，势必必大大增增加生产产成本。特别需需要

26、指出出的是目目前RFFID封封装设备备的技术术工艺还还在不断断的发展展中，现现有的国国外制造造装备的的技术水水平依然然无法满满足人们们对RFFID产产品低成成本制造造的要求求。目前前国内一一些研究究机构正正在从事事电子制制造装备备与技术术的研发发工作，并在RRFIDD制造相相关技术术取得了了突破。充分利利用国内内现有的的基础以以及RFFID发发展的契契机，鼓鼓励发展展具有自自主知识识产权的的RFIID封装装设备对对实现RRFIDD的低成成本和电电子制造造装备产产业都是是非常有有意义的的。3 RFFID读读写器设设计与制制造 RFIID读写写器的任任务是控控制射频频模块向向标签发发射读取取信号，并接收收标签的的应答，对标签签的对象象标识信信息进行行解码，将对象象标识信信息连带带标签上上其它相相关信息息传输到到主机以以供处理理。根据据应用不不同，阅阅读器可可以是手手持式或或固定式式。读写写器在RRFIDD系统中中起到