• RFID標簽天線及讀寫器設計制造

    發布日期:2010-05-27 點擊數:664

    1 芯片設計及制造
    1.1 芯片設計技術
        按照能量供給方式的不同,RFID標簽可以分為被動標簽,半主動標簽和主動標簽,其中半主動標簽和主動標簽中芯片的能量由電子標簽所附的電池提供,主動標簽可以主動發出射頻信號。按照工作頻率的不同,RFID標簽可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。不同頻段的RFID工作原理不同,LF和HF頻段RFID電子標簽一般采用電磁耦合原理,而UHF及微波頻段的RFID一般采用電磁發射原理。不同頻段標簽芯片的基本結構類似,一般都包含射頻前端、模擬前端、數字基帶和存儲器單元等模塊。其中,射頻前端模塊主要用于對射頻信號進行整流和反射調制;模擬前端模塊主要用于產生芯片內所需的基準電源和系統時鐘,進行上電復位等;數字基帶模塊主要用于對數字信號進行編碼解編碼以及進行防碰撞協議的處理等;存儲器單元模塊用于信息存儲。
      
        目前,發達國家在多種頻段都實現了RFID標簽芯片的批量生產,模擬前端多采用了低功耗技術,無源微波RFID標簽的工作距離可以超過1米,無源超高頻RFID標簽的工作距離可以達到5米以上,功耗可以做到幾個微瓦,批量成本接近十美分。

        射頻標簽的通信標準是標簽芯片設計的依據,目前國際上與RFID相關的通信標準主要有:ISO/IEC 18000標準(包括7個部分,涉及125KHz, 13.56MHz, 433MHz, 860-960MHz, 2.45GHz等頻段),ISO11785(低頻),ISO/IEC 14443標準(13.56MHz),ISO/IEC 15693標準(13.56MHz),EPC標準(包括Class0, Class1和GEN2等三種協議,涉及HF和UHF兩種頻段),DSRC標準(歐洲ETC標準,含5.8GHz)。目前電子標簽芯片的國際標準出現了融合的趨勢,ISO/IEC 15693標準已經成為ISO18000-3標準的一部分,EPC GEN2標準也已經啟動向ISO18000-6 Part C標準的轉化。

        中國在LF和HF頻段RFID標簽芯片設計方面的技術比較成熟,HF頻段方面的設計技術接近國際先進水平,已經自主開發出符合ISO14443 Type A、Type B和ISO15693標準的RFID芯片,并成功地應用于交通一卡通和中國二代身份證等項目,與國際主要的差距存在于片上天線與芯片的集成上,目前國內還沒有相應的產品應用。國內在UHF和微波頻段的標簽芯片設計方面起步較晚,目前已經掌握UHF頻段RFID標簽芯片的設計技術,部分公司和研究機構已經研發出標簽芯片的樣片,但尚未實現量產。國內在UHF頻段讀寫器RF芯片和系統芯片(SOC)的設計方面也具有一定的基礎,但目前產品仍主要依賴于進口。在微波頻段(2.45GHz及5.8GHz),國內有部分應用在公路不停車收費項目中,相對于國外在這兩個頻段的技術水平,國內的研究還處于起步階段,尚無相應產品。

    與國際先進水平相比,中國在RFID芯片設計方面的主要差距如下:

    1) 國外在RFID芯片設計方面起步較早,并申請了許多技術專利,而國內起步相對較晚,尤其在UHF及微波頻段的RFID芯片設計方面的基礎比較薄弱,取得的自主知識產權較少;同時,一些目前廣泛采用的RFID標準中包含了國外的技術要求及專利,在實現這些標準過程中有可能觸及一些國外已有的技術及專利;

    2) 在存儲器方面,發達國家已經開始采用標準CMOS工藝設計非揮發存儲器,使得RFID標簽芯片的所有模塊有可能在標準CMOS工藝下制作完成,以降低生產成本,而國內目前仍主要采用傳統的OTP工藝或EEPROM工藝,關于標準CMOS工藝下的非揮發存儲器的研究剛剛開始;

    3) 在超低功耗模擬電路研究方面,國內研究較少,而這方面的設計將直接影響到芯片的閱讀距離和整體性能;

    4) RFID標簽對成本比較敏感,芯片設計需要在模擬電路和數?;旌想娐吩O計方面具有豐富經驗的專業人才,而國內目前從事射頻識別芯片設計的人才較少,技術力量相對薄弱。

    1.2 芯片制造技術
        半導體芯片制造工藝有多種類型,根據器件類型可分CMOS,Bipolar,BICMOS等,根據材料可分Si,Ge,GaAs工藝等,根據襯底類型可分體硅工藝、SOI工藝等。RFID應用特點是批量大,但成本極其敏感,盡管有廠家利用特殊工藝設計制造出相應產品,但綜合多種因素及國內實際情況,基于CMOS制造工藝的工藝技術比較適合目前應用需求的RFID的加工制造。目前國外也主要采用標準CMOS工藝,且普遍采用0.35μm以下工藝。 
     
    2 天線設計與制造技術
    2.1 天線設計技術
        天線是一種以電磁波形式把無線電收發機的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。天線按工作頻段可分為長波、短波、超短波以及微波天線等;按方向性可分為全向天線、定向天線等;按外形可分為線狀天線、面狀天線等。在RFID系統中,天線分為標簽天線和讀寫器天線兩種情況,當前的RFID系統主要集中在LF、HF (13.56MHz)、UHF和微波頻段。天線的原理和設計在LF、HF和UHF頻段有根本上的不同。實質上,由于在LF和HF頻段系統近場區并沒有電磁波的傳播,因此天線的問題主要集中在UHF和微波頻段。

    (1) RFID標簽天線設計
        天線的目標是傳輸最大的能量進出標簽芯片,這需要仔細的設計天線和自由空間以及其相連的標簽芯片的匹配,當工作頻率增加到微波區域的時候,天線與標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴峻。一直以來,標簽天線的開發基于的是50或者75歐姆輸入阻抗,而在RFID應用中,芯片的輸入阻抗可能是任意值,并且很難在工作狀態下準確測試,缺少準確的參數,天線的設計難以達到最佳。相應的小尺寸以及低成本等要求也對天線的設計帶來挑戰,天線的設計面臨許多難題。

        標簽天線特性受所標識物體的形狀及物理特性影響,標簽到貼標簽物體的距離,貼標簽物體的介電常數,金屬表面的反射,局部結構對輻射模式的影響等都將影響天線的性能。

        在國內,有近百家的天線公司或工廠。這些天線廠家主要的產品是基本上傳統的衛星接收天線、電視接收天線、車載天線,蜂窩基站天線等等,相對于從事RFID天線設計的單位很少,基礎比較薄弱。國內LF和HF的RFID系統的天線設計比較成熟。對于特定環境應用的UHF頻段RFID天線的設計和應用比較成熟,比如應用于鐵路運輸上的電子車號自動識別系統,該系統中閱讀器天線為安裝在地面的微帶天線,并且帶有很堅固的防護外殼。標簽體積較大并且封裝在塑料殼中,標簽天線可靠性高、加工工藝成熟但是成本高。在讀寫器和標簽位置、方向不固定、或者周圍電磁影響嚴重的一些系統中存在識別準確率不高,測試一致性不理想的問題。

        國外已經研制出一種在RFID芯片上嵌入天線的方法,常規RFID芯片需要用一個外部天線來實現它們與外部讀取器的通信,而微芯片的片載天線使它能夠接收來自讀寫器的無線信號并將ID號回送。因此這種芯片無需任何外部器件即可自行進行工作。目前國內關于片上天線的研究基本處于空白狀態。國外致力于覆蓋各種頻率的復合天線設計,基于研究可以用來紡織復合天線、電源和數據總線的未來服裝所需要的新型材料,促進電子標簽在服裝上的使用。國外廠商都在研制和生產低成本的電子標簽天線和標簽產品,用以滿足產品商品標志等方面的需要。國外注重標簽天線知識產權保護,許多標簽天線都申請專利保護。在特殊的使用要求下,標簽天線仍然需要有很高的可靠性。國內在UHF和微波頻段的標簽天線的形式、體積、成本方面和國外技術存在一定的差距

    (2)RFID讀寫器天線設計
        對于近距離13.56MHzRFID應用(< 10cm),比如門禁系統,天線一般和讀寫器集成在一起,對于遠距離13.56MHz( 10cm~1m)或者UHF頻段(< 3m) 的RFID系統,天線和讀寫器采取分離式結構,并通過阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。讀寫器由于結構、安裝和使用環境等變化多樣,并且讀寫器產品朝著小型化甚至超小型化發展,天線設計面臨新的挑戰。
        讀寫器天線設計要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對于分離式讀寫器,還將涉及到天線陣的設計問題。它還涉及到小型化的問題帶來的低效率、低增益問題,這同樣是國內國外共同關注的研究課題。

    國外已經開始研究讀寫器應用的智能波束掃描天線陣,讀寫器可以按照一定的處理順序,"智能"的打開和關閉不同的天線,使系統能夠感知不同天線覆蓋區域的標簽,增大系統覆蓋范圍。

    2. 2 天線制造技術
        目前,有三種天線制造技術:蝕刻/沖壓天線(etched/punched antenna)、印刷天線(printed antenna)和繞線式天線。

        在國際上,目前一般都采用蝕刻/沖壓天線為主,其材料一般為鋁或者銅,因為其能提供最大可能的信號給標簽上的芯片,并且在標簽的方向性和天線的極化等特性上都能與讀卡機的詢問信號相匹配,同時在天線的阻抗,應用到物品上的RF的性能,以及在有其他的物品圍繞貼標簽物品時的RF性能等方面都有很好的表現,但是它唯一的缺點就是成本太高。

        導電油墨從只用絲網印刷擴展到膠印、柔性版印刷、凹印,其技術的進步,促進了RFID標簽的生產和使用?,F在隨著新型導電油墨的不斷開發,印刷天線的優勢越來越突出。導電油墨是由細微導電粒子或其他特殊材料(如導電的聚合物等)組成,印刷到承印物上后,起到導線、天線和電阻的作用。這種油墨印刷在柔性或硬質承印物上可制成印刷電路,用導電油墨印制的天線可接收RFID專用的無線電信號。其優勢表現在導電效果出色和成本降低。

        在頻率較低的標簽中,通常采用線圈天線形式;頻率較高的標簽通常為印刷貼片天線形式。其印刷工藝是在紙板、聚脂、聚苯乙烯等材料上用金屬、聚合物等導電墨水(主要成分為銀和鋁等金屬)印刷出天線圖形,印刷貼片天線技術在國外已經成功應用,但是國內由于設備價格昂貴很少引進。即便在國外,印刷技術的印刷分辨率、套準精度、必要的隔離層和干凈的印刷環境上還有待實質性的改善和提高。

        我國具備一定的利用導電油墨(如導電銀漿)進行天線的加工的能力,但是印刷分辨率、套準精度、必要的隔離層和干凈的印刷環境上還有待實質性的改善和提高。

    2.3 標簽封裝技術

    2.3.1 封裝方法
        印刷天線與芯片的互連上,因RFID標簽的工作頻率高、芯片微小超薄,最適宜的方法是倒裝芯片(Flip Chip)技術,它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特點,為適應柔性基板材料,倒裝的鍵合材料要以導電膠來實現芯片與天線焊盤的互連。

        柔性基板要實現大批量低成本的生產,以及為了更有效地降低生產成本,采用新的方法進行天線與芯片的互連是目前國際國內研究的熱點問題。

        為了適應更小尺寸的RFID芯片,有效地降低生產成本,采用芯片與天線基板的鍵合封裝分為兩個模塊分別完成是目前發展的趨勢。其中一具體做法(中國專利)是:大尺寸的天線基板和連接芯片的小塊基板分別制造,在小塊基板上完成芯片貼裝和互連后,再與大尺寸天線基板通過大焊盤的粘連完成電路導通。

        與上述將封裝過程分兩個模塊類似的方法是將芯片先轉移至可等間距承載芯片的載帶上,再將載帶上的芯片倒裝貼在天線基板。該方法中,芯片的倒裝是靠載帶翻卷的方式來實現的,簡化了芯片的拾取操作,因而可實現更高的生產效率。特別是目前正在研究發展中的流體自裝配(FSA)、振動裝配(Vibratory assembly)等技術,理論上可以實現微小芯片至載帶的批量轉移,極大地提高芯片與天線的封裝效率。

    2.3.2 封裝關鍵工藝
        RFID標簽因不同的用途呈現多種封裝形式,因而在天線制造、凸點形成、芯片鍵合互連等封裝過程工藝也呈多樣性。

    (1)凸點的形成
        目前RFID標簽產品的特點是品種繁多,但并非每個品種的數量能形成規模。因此,采用柔性化制作凸點技術具有成本低廉,封裝效率高,使用方便,靈活,工藝控制簡單,自動化程度高等特點。不僅可解決微電子工業中可變加工批量、高密度、低成本封裝急需的難題,還為目前正蓬勃興起的RFID標簽的柔性化生產提供條件。

    (2)RFID芯片互連方法
       RFID標簽制造的主要目標之一是降低成本。為此,應盡可能減少工序,選擇低成本材料,減少工藝時間。從材料成本角度,應優先考慮NCA互連,且可以同點膠凸點相配合實現低成本制造。采取ACA互連在技術上是成熟的,但其缺點在于目前市場上的ACA材料價格仍然較為昂貴,而且都是針對細間距、高密度、高I/O數互連而研制的。如果能夠自制出成本低廉的滿足RFID互連的導電膠,ACA互連也能夠成為低成本的選擇。ICA互連的缺點在于工藝步驟相對較多,固化時間相對較長。

    2.3.3 RFID標簽關鍵封裝設備

        RFID封裝設備由一系列工藝裝備組成的自動化生產線,各工藝環節相對獨立,同時又相互制約,要實現高效率的生產,必須綜合考慮各個工藝環節的要求;從技術的角度,它是集光、機、電、氣、液于一體的高精技術裝備,涉及時間、壓力、溫度等多物理場的各種物理現象,需要解決速度、精度、效率、質量、可靠性、成本等多方面的因素的影響。開發高性能低成本的RFID制造裝備一直是業界關注的焦點問題。

       目前RFID產品的封裝設備只有國外一些廠商提供,柔性基板的標簽均選用從卷到卷的生產方式,該生產線包括基板進料、上膠、芯片翻轉貼裝(倒裝)、熱壓固化、測試、基板收料等工藝流程。另一種生產方式為先制造RFID模塊,然后將其與天線基板進行鍵合組裝。該方法由獨立的可精密定位的芯片轉移設備將芯片置于載帶構成芯片模塊,再由芯片模塊將芯片轉移至天線基板,其優點是兩次轉移可獨立并行執行,芯片翻轉通過載帶的盤卷方式實現,因而生產效率得以提高。

        RFID封裝設備的核心內容是如何在多物理因素作用下,使鍵合機及相關工藝受控完成高質量的接合界面。通常涉及幾方面的關鍵技術:多自由度柔性、靈活的執行機構,基于視覺信息引導的識別與定位,膠固化及滴膠過程的時間、溫度和壓力控制,不同工藝單元技術的集成。

        國內擁有自主知識產權的倒裝封裝設備幾乎是空白,而國外廠商設備價格非常昂貴,一般需要上百萬美元。如果直接購買進口設備,勢必大大增加生產成本。特別需要指出的是目前RFID封裝設備的技術工藝還在不斷的發展中,現有的國外制造裝備的技術水平依然無法滿足人們對RFID產品低成本制造的要求。目前國內一些研究機構正在從事電子制造裝備與技術的研發工作,并在RFID制造相關技術取得了突破。充分利用國內現有的基礎以及RFID發展的契機,鼓勵發展具有自主知識產權的RFID封裝設備對實現RFID的低成本和電子制造裝備產業都是非常有意義的。
    3 RFID讀寫器設計與制造

        RFID讀寫器的任務是控制射頻模塊向標簽發射讀取信號,并接收標簽的應答,對標簽的對象標識信息進行解碼,將對象標識信息連帶標簽上其它相關信息傳輸到主機以供處理。根據應用不同,閱讀器可以是手持式或固定式。讀寫器在RFID系統中起到舉足輕重的作用,首先讀寫器的頻率決定了RFID系統的工作頻段;其次,讀寫器的功率直接影響射頻識別的距離。

        讀寫器可以簡化為控制系統和由接收器和發送器組成的射頻模塊兩個基本的功能塊,控制系統通常采用ASIC組件和微處理器來實現其功能,主要功能為:與應用系統軟件進行通信,并執行從應用系統軟件發來的動作指令;控制與標簽的通信過程;信號的編碼與解碼;執行防碰撞算法;對讀寫器和標簽之間傳送的數據進行加密和解密;進行讀寫器和標簽之間的身份驗證。

        射頻模塊的主要功能為:產生高頻發射能量,激活標簽并為其提供能量;對發射信號進行調制,用于將數據傳輸給標簽;接收并解調來自標簽的射頻信號。

        在極低能量供給的工作條件下,協議級和電路級的優化都已幾近極限,所以進一步的優化應該把這兩者聯系起來,結合電路實現來考查協議的功耗。RFID系統中電子標簽所獲能量微弱,無力再向周圍發射無線電波,只能反射來自讀寫器的電磁波;不同電子標簽對來自讀寫器的輻射波的反射具有相同的頻譜特征,讀寫器不能區分; 電子標簽的電路設計不能太復雜,電子標簽和電子標簽之間無法互相聯絡來協調數據回送(反射)的過程。這樣碰撞問題的解決只能依靠讀寫器利用發射出去的數據來控制電子標簽的響應并分析來自電子標簽的響應,通過反復詢問,調整控制,最終使某一時刻只有一個電子標簽響應讀寫器,并且每一個電子標簽都有響應機會。解決防碰撞問題有以下幾種方法:空分多路法使不同的電子標簽分別進入讀寫器的有效工作空間;頻分多路法使不同的電子標簽分別使用不同的工作頻率;時分多路法使不同的電子標簽分別占有不同的通訊時間。

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