王 冠，陳建魁，尹周平

(華中科技大學 數(shù)字制造技術與裝備國家重點實驗室，武漢 430074)

0 引言

射頻識別(RFID)是一種利用射頻通信實現(xiàn)非接觸式自動識別的技術，在物流、制造、交通、軍事等領域具有大規(guī)模應用前景，被認為是21世紀最有發(fā)展前途的信息技術之一[1]。RFID標簽批量生產(chǎn)通常采用基于各項異性導電膠(anisotropic conductive adhesive,ACA)固化的倒裝鍵合工藝實現(xiàn)芯片與柔性基板的互連[2]。采用ACA工藝的RFID標簽封裝設備通常包括基板輸送、檢測、點膠、貼裝和熱壓五個工藝模塊[3]。熱壓模塊通過熱壓頭對已經(jīng)對位的芯片與天線的加熱和加壓，使芯片與天線之間ACA固化，完成芯片與天線的電氣互聯(lián)。ACA主要由基體和導電顆粒組成[4]，其固化過程中，固化的溫度、壓力和時間對芯片與天線互連的機械性能和電氣性能都有重要影響[5,6]，直接影響RFID標簽的性能與質(zhì)量。

通過ACA熱壓固化連接芯片與天線時，熱壓頭所施加的壓力過小會導致連接強度不足；而壓力過大，會使天線焊盤明顯破裂、殘余膠體過薄，同樣造成剪切強度下降；合適的固化壓力，是獲得足夠的剪切強度和穩(wěn)定的電性能的保證[7]。為了提高標簽生產(chǎn)效率，一般采用多套熱壓頭同時對多個芯片施壓，多點力控的穩(wěn)定性和一致性是控制關鍵。傳統(tǒng)壓力控制策略方案較難滿足要求，急需一種適用于RFID標簽生產(chǎn)ACA多點固化的力控方案。

1 氣動力控方案

RFID標簽的制造過程中,熱壓頭通常成對使用，在上熱壓頭或下熱壓頭配備驅(qū)動以進行壓力輸出。根據(jù)需要配置ACA固化溫度,固化壓力則根據(jù)芯片、天線類型和膠體所需壓強決定，通常為取1N～4N；固化時間由固化溫度和ACA類型決定，一般為6s～10s，壓力精度要求為0.1N，多點壓力偏差率小于5%[8]。

本文所提出的ACA熱壓氣動力控方案中，在下熱壓頭配置氣缸部件以提供固化壓力，熱壓頭發(fā)熱組件安裝在氣缸輸出端部，通過對氣壓壓強的控制來實現(xiàn)對熱壓頭的壓力控制[6]。本文所采用的ACA固化熱壓氣路控制系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

圖1 氣路控制原理圖

圖1中，總氣源經(jīng)過過濾器、油霧分離器、減壓閥、殘壓釋放閥后，通過氣路板將氣流輸送給各個功能模塊，其中一路輸送給主要由多套熱壓頭組成的熱壓模塊。通過集裝管接頭分別輸給多個下熱壓頭的氣缸。通過調(diào)節(jié)精密減壓閥改變氣壓大小即可進行熱壓頭壓力調(diào)節(jié)。

下熱壓頭的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，自上而下包括加熱組件、隔熱組件、導向組件、調(diào)高組件、氣缸和安裝組件。其中，加熱組件頂面是下熱壓頭工作面，內(nèi)部嵌有采集熱壓溫度的傳感器和提供高溫熱源的發(fā)熱芯；隔熱組件設計有三重隔熱防護，避免高溫對零件的不良影響；導向組件采用直線軸承和長套筒結(jié)構(gòu)，保證熱壓頭直線運動；調(diào)高組件采用凸輪調(diào)高可微調(diào)熱壓頭高度，保證多個熱壓頭高度的一致性；動力組件采用SMC單作用低摩擦氣缸MQP6-10S，缸徑6mm，靠自重回位，滑動阻力低性能穩(wěn)定，輸出力精度可達0.01N；安裝組件下端嵌套磁鐵，吸附在平臺上以進行整體固定。

圖2 下熱壓頭的結(jié)構(gòu)組成

ACA多點固化時，需要保證多個熱壓端面在同一水平高度，否則可能導致基板變形、多點壓力不均衡、芯片固化后不平整等現(xiàn)象。采用圖所示熱壓頭，有效減小了多熱壓頭壓力均勻性與高度調(diào)節(jié)一致性的矛盾，能快速、精確的完成對熱壓頭的調(diào)整。

2 實驗方案

2.1 熱壓頭輸出壓力值一致性驗證方案

對于該氣動驅(qū)動系統(tǒng)，氣壓值對輸出壓力有直接影響。測試中采用多熱壓頭按照2列3排的方式進行布置，如圖3所示。分別測試6對熱壓頭在不同氣壓下輸出力的大小。并采用精密減壓閥IR2020進行氣壓調(diào)定，配以精度為0.001MPa的數(shù)顯式精密氣壓計ISE30以觀察數(shù)值。固定下板進給量，采用精密電子秤測試輸入氣壓為0.04MPa～0.14MPa時各熱壓頭輸出壓力。每對熱壓頭在每個氣壓下測5組數(shù)據(jù)，然后取均值進行分析比較。

圖3 多個熱壓頭輸出力一致性實驗

2.2 試驗產(chǎn)品9662性能驗證方案

實驗結(jié)合9662標簽進行的各項參數(shù)測試。9662標簽尺寸為75×23，標簽上天線材質(zhì)為蝕刻鋁箔，配置芯片型號為美國意聯(lián)公司的H3。通過華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室和武漢華威科智能技術有限公司聯(lián)合開發(fā)和生產(chǎn)的的DIII型RFID標簽生產(chǎn)裝備完成9662標簽生產(chǎn)。該DIII裝備熱壓模塊采用了配置了本文上述氣動力控方案。圖4所示為標簽分切卷料后的成品。

圖4 9662標簽產(chǎn)品

在標簽檢驗方面，首先在線對標簽進行讀通率的檢測，再離線抽樣檢測。使用如圖5所示離線檢測設備：推拉力測試儀CONDOK70、PHLTRON顯微鏡、Alien超高頻讀寫器ALR-9900、網(wǎng)絡分析儀Agilent E5071C，分別進行標簽中的芯片粘合剪切強度、引腳壓痕均勻性、功率、阻抗測試。

3 結(jié)論分析

3.1 熱壓頭輸出壓力

圖5 標簽檢測裝置

正常工作時候，熱壓頭需要提供合適的壓力，采用數(shù)顯式壓力開關ISE30進行測量，其精度為0.001MPa對應調(diào)壓精度造成的壓力誤差為0.0201N。如圖6所示為壓力值和偏差值的線形圖。圖6（a）為隨機選擇3個樣本的壓力曲線反映壓力情況，壓力值隨氣壓呈線性增長，偏差小于0.1N。圖6（b）中多熱壓頭壓力偏差率隨著壓力值增大而減小，在大于0.06MPa后穩(wěn)定保持在5%以下。由于所需壓力值大于1N，輸入氣壓值大于0.06Mpa，所以偏差率能保證在5%以下，熱壓頭壓力精度可以達到0.1N以內(nèi)，符合要求。

圖6 壓力值與偏差值的線形圖

3.2 試驗產(chǎn)品9662性能測試結(jié)論

圖7 顯微測試圖

首先對連續(xù)生產(chǎn)的2萬多個標簽進行讀通率的檢測。在線測試的讀通率達到99.85%。對合格產(chǎn)品，分別抽出部分進行剪切強度、壓痕均勻性、功率、阻抗測試。

推拉力測試中，鏟除天線上已ACA固化好芯片所需要的剪切強度均值為1.2kgF，范圍為1.1kgF～1.4kgF；如圖7所示為PHLTRON顯微鏡檢測芯片外觀。外觀檢測包括尺寸、芯片引腳位置、標識、鍵合點等的情況[9,10]，兩個壓痕較為一致，鍵合點位置較準確、膠體分布均勻，整體外觀良好。

功率測試是用最小功率讀取的方式進行測試，標簽成品放在在微波暗室、測試距離為1m，讀取功率越小表示越優(yōu)異。產(chǎn)品原設頻率為915MPa～920MPa。如圖8所示，樣品的最小功率測試表與讀取距離測試表。將20組標簽的最小功率測試值與標準樣品的理想功率進行比較，均方差保持在0.5以下，偏差保證在±0.5dBm內(nèi)，且最小功率范圍都落在（900±10）MHz之間,圖中隨機選取了3個樣品曲線與理想曲線進行比較。產(chǎn)品一致性良好，最小功率滿足要求。與理想曲線進行比較標簽距離測試中，在860MHz～960MHz之間，20組樣品讀距均保持在8m以上，性能較好，同樣隨機選取了3組曲線進行結(jié)果反映。

圖8 最小功率距離與距離測試

使用矢量網(wǎng)絡分析儀測試芯片兩端的阻抗。所測試10組產(chǎn)品產(chǎn)品實部（0以上數(shù)值）、虛部（0以下數(shù)值）絕對值比理想值標簽小，阻抗性能差距為5+5i以內(nèi)，偏差較小。

由以上檢測結(jié)果可以得出，標簽良品率在99.85%以上，芯片在基板上的鍵合凸點較為一致，破壞性剪切力范圍為1.1kgF～1.4kgF符合要求,最小功率測試與樣品偏差在±0.5dBm，讀距均達到8m以上，產(chǎn)品試驗結(jié)果良好。因此，該氣動力控方案能保證多個熱壓頭輸出力的一致性與穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

RFID芯片封裝過程中，熱壓工序必須嚴格控制溫度和壓力，才能保證實現(xiàn)芯片與天線的機械和電氣互連。對于需要多點固化的場合，多點壓力的穩(wěn)定性與一致性是熱壓模塊力控的重難點。對此，本文提出了一種適用于多點固化的氣動力控方案，設計了一種可微調(diào)高度的熱壓頭，并且進行了方案的驗證與實現(xiàn)。實驗證明，壓力精度可達0.1N以內(nèi)，多點力控壓力偏差可控制在5%以內(nèi)，控壓范圍滿足ACA固化需求；所試驗產(chǎn)品UHF標簽9662標簽良品率達99.85%以上，芯片鍵合凸點較一致，破壞性剪切力達到要求，讀距均達到8m以上且一致性較好，整體結(jié)果良好。本文所提出的氣動力控方案滿足RFID標簽制備ACA熱壓固化工藝中對壓力控制系統(tǒng)要求，同時也可作為其它壓力控制系統(tǒng)的壓力控制方案，為多點壓力控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供參考。

[1]Roberts C M.Radio frequency identification[J].Computers& Security,2006,25:18-26.

[2]董靨薇,陳平易,賀立龍.國內(nèi)RFID封裝技術的現(xiàn)狀分析及研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2011,3:44-48.

[3]鄢黎.淺談RFID電子標簽及卷到卷電子標簽生產(chǎn)線[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2013,6:31-33.

[4]周良杰,黃揚,吳豐順.電子封裝用納米導電膠的研究進展[J].電子工藝技術,2013,1:1-5.

[5]Chan Y C,Luk D Y.Effects of bonding parameters on the reliability performance of anisotropic conductive adhesive interconnects flip-chip-on-flex packages assembly I.different bonding pressure [J].Microelectronic Reliability,2002,42:1185-1194.

[6]Mario J.Cazeca,Joey Mead,Julie Chen,Ramaswamy Nagarajan.Passive wireless displacement sensor based on RFID technology[J].Sensors & Actuators,2013,2:197-202.

[7]巫建華,李佳,王巖.各向異性導電膠粘結(jié)工藝技術研究[J].電子與封裝,2010,1(10):11-16.

[8]金濤.RFID 標簽封裝設備熱壓模塊的設計與實現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學,2011,3.

[9]LiLan Gao,Xu Chen,Hong Gao.Shear strength of anisotropic conductive adhesive joints under hygrothermal aging and thermal cycling[J].International Journal of Adhesion and Adhesives,2011,3:75-79.

[10]楊勇,喬輝,方志良,母國光.一種集成芯片引腳外觀檢測系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表技術學報,2002,23(5):74-76.