引言
物聯(lián)網的英文名稱是“InternetofThings",由該名稱可見,物聯(lián)網就是“物物相連的互聯(lián)網這有兩層意思:第一,物聯(lián)網的核心和基礎仍然是互聯(lián)網,是在互聯(lián)網基礎之上延伸和擴展的一種網絡;第二,其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通信。物聯(lián)網的嚴格定義是:通過射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備,按照約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網相連接,進行信息交換和通信,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡"
物聯(lián)網的關鍵技術是射頻識別(Radio Fre-quency Identification,RFID)技術,俗稱電子標簽。RFID技術是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據,識別工作無須人工干預,可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,操作快捷方便。
近期,各國相繼提出并大力發(fā)展物聯(lián)網技術,物聯(lián)網有四個關鍵性的應用技術——RFID、傳感器、智能技術(如智能家庭和智能汽車)以及納米技術。作為物聯(lián)網發(fā)展的排頭兵,RFID成為市場最為關注的技術,行業(yè)發(fā)展前景廣闊。據有關部門預測,到2011年,我國產業(yè)規(guī)模將突破100億元,未來5年,我國的RFID電子標簽的需求量將達到44億個。但是,目前居高不下的封裝成本已成為阻礙RFID電子標簽廣泛應用的瓶頸之一,這也是RFID技術遲遲沒有普及的主要原因。
1 RFID封裝技術
目前,市場上廣泛應用的RFID電子標簽的封裝形式主要有以下3種:卡片類、標簽類以及異性類。
1.1RFID的封裝方法
由于RFID芯片微小超?。ㄈ鏗itachi公司最近發(fā)布的RFID芯片大小為0.15mmX0.15mm,厚度僅為7.5卩m)、工作頻率高(高達2.4GHz),通常采用基于低溫導電膠固化的倒裝鍵合工藝實現(xiàn)芯片與柔性基板互連。
RFID倒裝鍵合裝備包括基板進料、上膠、芯片翻轉、貼裝、熱壓固化、測試、基板收料等工藝模塊,是集光、機、電、氣、液于一體的高精技術裝備,目前只有3家國外公司可以提供該類裝備,且單臺售價在1000萬人民幣以上。研制高性能、低成本、柔性化的封裝工藝與裝備已成為RFID市場應用的迫切需求。
隨著電子產品向輕、薄、短、小而功能多樣方向發(fā)展,不斷向電子封裝提岀新的要求。適應于這種需求,倒裝芯片技術日益得到廣泛的應用。與傳統(tǒng)的線連接與載帶連接相比,倒裝芯片技術有明顯的優(yōu)點:封裝密度最高;具有良好的電和熱性能;可靠性好;成本低。
釆用倒裝芯片封裝技術可以降低生產成本,提高速度及組件的可靠性。具有完整性優(yōu)良、可靠性強、自我對準能力強、成本低廉、尺寸更小、重量更輕等特點,是目前RF1D封裝技術國際上通用的封裝手段。
1.2RFID標簽封裝工藝
RF1D標簽因不同的用途呈現(xiàn)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。
1.2.1RFID天線設計與制造
數(shù)據傳輸是RFID系統(tǒng)運行的一個重要環(huán)節(jié)。射頻信號通過閱讀器天線和標簽天線的空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)數(shù)據傳遞,因此,天線在整個RFID系統(tǒng)中扮演著重要角色,一方面天線的好壞決定了系統(tǒng)的通信質量,另一方面天線決定了系統(tǒng)的通信距離。
天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)近場區(qū)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。
目前磁場耦合式天線是低頻和高頻RFID應用中廣泛采用的天線形式,其基本形式是由線圈繞制而成。當交變電流在線圈中流動時,就會在線圈周圍產生磁場,磁場穿過線圈的橫截面和線圈周圍空間,可以把讀寫器與傳感器之間的電磁場簡化為交變磁場來研究,讀寫器就是通過磁場耦合的方式與標簽通信的。
1.2.2凸點的形成
凸點形成技術可以分為淀積金屬、機械焊接、基于聚合物的膠粘劑等幾個技術類型。
(1) 金屬電鍍技術
化學鍍是一種新型的金屬表面處理技術,該技術以其工藝簡便、節(jié)能、環(huán)保日益受到人們的關注,其鍍層均勻、裝飾性好,并且能提供產品的耐蝕性和使用壽命?;瘜W鍍鐐凸點技術工藝簡單、成本低,是主要的倒裝芯片凸點工藝。
(2) 機械形成凸點技術
該技術使用標準線連接過程以形成凸點,釬料絲可以使用金絲或鉛基釬料絲。凸點形成過程與線連接過程相同,不同之處在于絲端成球后,在球端加熱使之斷開,最后形成有短尾部的凸點,隨后重熔過程可獲得具有特定高度的球形凸點。為保證在球附近形成光滑的斷裂口,可以使用含有1%伯的金絲作為釬料絲。柱式凸點形成技術,長期使用于試制形式,由于通過引線鍵合機獲得了驚人的速度,已移入生產模式,金和金凸點及焊料凸點均被實施。
(3) 聚合物凸點技術
該技術采用導電聚合物制作凸點,設備和工藝相對簡單,是一種高效、低成本的倒裝芯片技術。采用這種技術無需高溫也不允許焊料合金再流,沒有a輻射和鉛,而且工序簡單,首先放置好聚合物,然后便可進行焊接。由于各種膠粘劑不能直接用在鋁上,所以通常把它們應用于金焊盤。
目前RFID標簽產品的特點是品種繁多,但并非每個品種的數(shù)量都能形成規(guī)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(yè)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。
1.2.3RFID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,減少工藝吋間。倒裝芯片凸點與柔性基板焊盤互連可采用三種方式:各向同性導電膠(ICA)加底部填充,各項異性導電膠(ACA,ACF),不導電膠(NCA)直接壓合釘頭凸點的方法。理論上,應優(yōu)先考慮NCA互連,可以同點膠凸點相配合實現(xiàn)低成本制造,但存在一定的局限性和可靠性。采用ICA,優(yōu)點是成本低,固化不需要加壓。操作工藝步驟繁瑣,難以降低成本,通常固化時間長,難以提高生產速度。在采用先制造連接芯片的小塊基板,再與大尺寸天線基板連接的形式下,通過ICA的粘連完成電路導通是首選。通常是使用低成本、快速固化的ACF和ACA,具體做法是用普通漏版印刷技術在天線基板焊盤相應位置涂刷一層ACA,利用倒裝芯片貼片機將芯片貼放到對應位置,然后熱壓固化。還有另一種鍵合方式是先制造RFID模塊,然后將其與天線基板進行鋤接組裝。
1.3RFID標簽封裝設備
RFID標簽的生產鏈雖然不長,但需要的設備卻不少。從制造過程來看,分為芯片制造、天線制造、芯片倒貼、合成材料印刷、層壓或覆膜合成幾大工序。
1.3.1天線合成設備
天線可以釆用傳統(tǒng)的腐蝕天線或印刷天線。腐蝕天線可以是鋁箔或銅箔,生產商需要…套絲網印刷設備和一套腐蝕設備。比較而言,兩種天線的制作成本基本相同,但長期而言,印刷天線具備更強的靈活性。就目前而言,由于導電油墨的價格不菲以及印刷天線本身的強度,腐蝕天線仍然是市場的主要產品。天線腐蝕對環(huán)境污染很大,所以很多公司致力于印刷天線的研制。最新型的導電銀漿已經通過了平壓圓和平壓平式絲網印刷機的試印,將于不遠的將來面世,價格也較現(xiàn)有的銀漿低很多。腐蝕天線防腐蝕油墨的印刷比較簡單,可以用輪轉式(圓壓圓)絲印機。但導電銀漿的印刷對絲印機要求較高,國外各大公司采用的都是平網平壓平或平壓圓式。這類絲印機真正過關的不多,從印刷速度、套色準確性、干燥塔性能比較講,德國KINZEL ieb-druckmaschine GmbH和KLEMM GmbH的絲印線是一流的,可是KLEMM已經倒閉。
1.3.2芯片倒貼
芯片生產屬于高科技領域,至今能夠做好的只有幾家,主要有T1、西門子英飛凌、菲利普等制造大頭,國內最領先的是上海復旦微電子。到目前為止,國內還沒有一家工廠具備芯片嵌入能力。不過已經有幾家公司在準備芯片嵌入設備,如美國的、德國的紐豹等設備。國內也有兩家公司在加緊組裝,估計不久就會問世。
1.3.3合成材料印刷設備
通常釆用普通單張紙印刷機來完成,比如海德堡、羅蘭和高寶。由于絕大部分的合成材料較一般紙張要厚,因此從印刷上講,高寶的印刷機更適合印刷。不論所采用的是哪一種印刷機,卷對卷生產,500mm印幅是基本要求,否則就降低了整條生產線的自動化程度。
1.3.4層壓覆膜設備
整合能力最強和加工能力最強的設備,莫過于德國碧羅馬帝和KINZELGmbH的RFID合成生產線了。可以聯(lián)線完成mlay預檢測、合成、聯(lián)線模切、再檢測、廢品切斷與再接等諸項工作。
這兩家公司的合成工藝有些不同。碧羅馬帝是把貼好芯片的Inly單張合成到印刷好的表層材料內。設備的工作寬度為10cm左右,適合小批量生產。KINZEL的層壓覆膜線是在絲印和倒貼片設備相同工作寬度(500mm)的基礎上,把整張的Inly一次性模切、覆膜合成,或者層壓、模切。這種工藝減少了裸露天線在分切過程中放卷復卷造成的損傷,這對比較敏感的銀漿印制天線尤其重要,同時生產速度也高很多。等產品從該生產線上下來,RFID標簽的整套工藝就結束了。
2 國內主要RFID設計生產概況
2.1主要冋題
本世紀初,RFID已經開始在中國進行試探性應用,并很快得到政府的大力支持,2006年6月,中國發(fā)布了《中國RFID技術政策白皮書》,標志著RFID的發(fā)展已經提高到國家產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略層面。到2008年底,中國參與RFID的相關企業(yè)達數(shù)百家,已經初步形成了從標簽及設備制造到軟件開發(fā)集成等一個較為完整的RFID產業(yè)鏈,據專家估計,2008年中國RFID相關產值達到80億元左右,并將在未來5?10年保持快速發(fā)展。但時至今日,在中國真正實施RFID技術的物流企業(yè)還屈指可數(shù)。經濟危機爆發(fā)以來,很多業(yè)內人士也開始對RFID產業(yè)的未來發(fā)展產生懷疑和失望,那么到底是什么因素阻礙了這一新興產業(yè)在我國的發(fā)展呢?
首先是我國企業(yè)總體信息化水平不高,阻礙了RFID充分發(fā)揮其作用。RFID作為一種信息技術手段,其基本功能是實現(xiàn)數(shù)據的精準快速采集。釆集這些數(shù)據后,必須經過進一步的對比分析處理,才能達到提高效率、降低總體成本的作用。也就是說,RFID的實施,往往需要企業(yè)信息化達到一定水平,使RF1D系統(tǒng)與企業(yè)既有的ERP.CRM等信息集成在一起,才能充分發(fā)揮其作用。
其次,RFID實施成本還比較高,使很多企業(yè)望而卻步。不僅僅對中國企業(yè),即便對西方企業(yè),RFID的高成本也是一個巨大障礙。正如前文所言,RFID的基本技術原理在60幾年前就產生了,但直到20世紀后期,RF1D的應用才逐歩推廣到民用領域,正是高成本阻礙了RFID技術的實際應用。目前在國內,一張RFID標簽一般都在1元以上,ETC的車載單元要400多元,高成本使得RFID的投資回報具有很大風險,使其應用大多局限于高價值或高利潤商品領域。
再次,行業(yè)標準尚未統(tǒng)一,貿然實施會帶來不確定風險。盡管RFID起源很早,但目前還沒有形成全球統(tǒng)一的技術標準,中國在標準制定領域起步較晚,由于關乎各國經濟利益,相信標準之爭還會持續(xù)一定時間。在這種情況下,貿然投入,必然給企業(yè)經營帶來很大風險。藍光獲得DVD標準之爭的勝利,給HI>DVD陣營帶來的巨大傷害,是處于標準之爭產業(yè)里的企業(yè)不得不慎重考慮的問題,這也是很多企業(yè)對實施RFID抱觀望態(tài)度的原因。
最后,我國產業(yè)供應鏈發(fā)展還處于初級階段,也阻礙了RFID的實際應用。與西方企業(yè)相比,由于技術和管理處于劣勢地位,我國大多行業(yè)都存在過度競爭,價格成為市場競爭的主要手段,這就使得很多制造企業(yè)利潤率維持在相當?shù)偷乃?/span>,產業(yè)供應鏈的上下游企業(yè)之間往往博弈大于合作。而RFID技術只有在整個供應鏈上協(xié)同實施,實現(xiàn)供應鏈信息透明和分享,才能最大程度發(fā)揮出RFID的作用,這在目前情況下還很難做到。另外,實施RFID的一個主要益處是節(jié)省人工成本,沃爾瑪稱RFID每年為其節(jié)省數(shù)十億美元的人力成本開支,而中國較低的工資水平也使得很多企業(yè)沒有積極性去實施RFID技術。
盡管中國企業(yè)目前信息化程度還比較低,但中國企業(yè)前進的步伐相當快。今年中國已有40多家企業(yè)闖入世界500強,更多本土企業(yè)正迅速成長為跨國經營企業(yè),日益復雜的管理要求這些企業(yè)必須迅速推進信息化建設,在這一點上中國企業(yè)具有一定的后發(fā)優(yōu)勢,而企業(yè)信息化必然給RFID帶來良好的發(fā)展機遇。隨著中國企業(yè)信息化的進程,RFID的應用將會由點到面,逐歩拓展到更廣的領域。而RFID的實施成本,必然隨著RF1D應用的推廣和市場的擴大而逐步降低-RF1D的應用將會從目前的托盤或整箱的貨物跟蹤逐步擴展到單品貨物跟蹤的水平。最后,從產業(yè)供應鏈角度看,國家目前提倡的產業(yè)升級,就是要使中國企業(yè)多生產高技術、高附加值、高利潤產品,而這些領域,正是RF1D用武之地。產業(yè)升級將帶動中國企業(yè)提升市場競爭能力,逐步由單體企業(yè)競爭上升為產業(yè)供應鏈的競爭。
近幾年來,隨著我國政府和相關企業(yè)對RFID技術發(fā)展和應用的重視程度提升,我國在RFID芯片的制造、機具產品的研發(fā)、標準的制定以及測試技術等方面都取得了一定的成果,擁有了一批芯片設計與封裝、終端與標簽生產和系統(tǒng)集成商。國內的廠商已經逐步掌握了集成及部分核心技術,初步形成了國內的RFID產業(yè)鏈。
2.2國內卡片式RF1D封裝
在國內,由于RFID的應用最主要還是以卡片的形式出現(xiàn)(如中國第二代居民身份證、公交卡等),經過多年的發(fā)展,RFID卡片形式的封裝技術已經相當成熟。
卡片形式RFID的封裝主要包括模塊封裝(芯片裝配)、制卡(天線制作)和印刷三個主要環(huán)節(jié),目前國內在各個環(huán)節(jié)上均擁有大量的加工廠商。其中:
模塊封裝廠商有上海長豐智能卡公司、上海伊諾爾信息技術有限公司、中電智能卡有限責任公司、山東山鋁電子技術有限公司等。
制卡廠商主要有東信和平智能卡股份有限公司、北京中安特科技有限公司、深圳市明華澳漢科技股份有限公司、上海浦江智能卡系統(tǒng)有限公、上海魯能中卡智能卡有限公司、黃石捷德萬達金卡有限公司、天津環(huán)球磁卡股份有限公司、合隆科技(杭州)有限公司、深圳市華陽微電子有限公司、深圳毅能達智能卡制造有限公司、中山市達華智能科技有限公司等。
RFID印刷方面的主要企業(yè)有上海凸版印刷有限公司、上海市印刷三廠、眾多制卡廠等。
目前,卡片形式封裝在國內還是以傳統(tǒng)的引線鍵合(WireBonding)模塊封裝和繞線制卡技術為主。但隨著薄型卡片、自粘型電子標簽等新封裝形式的RF1D應用需求的逐漸升溫,倒裝芯片(FlipChip)、印刷天線等新封裝技術得到了快速的發(fā)展,已經有部分的廠商能夠提供相關的封裝服務,新封裝形式也進入了實際的應用,如;上海市軌道交通單程卡(波形卡片)、上海市煙花爆竹管理電子標簽(自粘型電子標簽)等。
2.3國內封裝技術的發(fā)展
隨著新封裝技術的發(fā)展,在RFID封裝技術上也出現(xiàn)了新的加工環(huán)節(jié),如倒裝芯片凸點生成(Bumping),天線印刷等。其中:
凸點生成的企業(yè)有江蘇長電科技股份有限公司、合隆科技(杭州)有限公司、深圳市華陽微電子有限公司等。
天線印刷的企業(yè)有深圳市華陽微電子有限公司、黃石捷德萬達金卡有限公司等。
西安也在RFID本土有了一定的發(fā)展,例如研發(fā)“唐芯一號”的西安優(yōu)勢微電子有限公司,RFID天線設計領域的西安安特瑪公司,以及無線微功率應用領域的西安西谷微功率數(shù)據技術有限責任公司等。
目前西谷公司采用與優(yōu)勢半導體公司強強聯(lián)合的合作方式,可以形成優(yōu)勢互補,并成功提供了遠距離智能無線身份識別、無線實時定位、高可靠無線數(shù)字傳輸、無線工業(yè)控制網絡、智能無線傳感器網絡等提供了獨步全球的完整解決方案,開啟了無線微功率應用領域的廣闊市場。
西安有著良好的技術基礎、人才基礎和產業(yè)基礎,特別在技術研發(fā)領域如電子信息、通信網絡、數(shù)據處理、傳感傳動、微電子等行業(yè)有著得天獨厚的研發(fā)優(yōu)勢。對RFID產業(yè)發(fā)展無論從封裝,設計都有一定的優(yōu)勢。
雖然在國內已經擁有成熟的RFID卡片形式的封裝技術,新封裝技術在今年也有了較快的發(fā)展,但是總體而言與國外先進的封裝技術方面差距還很大,還不具備低成本RFID產品的封裝能力。而隨著RFID技術的發(fā)展與應用,對封裝提出了越來越多的挑戰(zhàn),如:芯片裝配技術如何將越來越小的芯片可靠裝配,如何大幅度地提高封裝的速度以適應爆炸式的需求,如何進一步降低封裝的成本等。目前,國內許多有遠見的封裝廠正準備引進國外的生產技術,以在未來的RFID封裝上的競爭中占得先機。
3結語
隨著物聯(lián)網的提出,RFID作為物聯(lián)網技術的排頭兵,在物聯(lián)網的發(fā)展中起著舉足輕重的作用,RFID產業(yè)鏈中,目前封裝市場所處的環(huán)境已經是今非昔比了。封裝正在被賦予一種更為戰(zhàn)略化的意義。芯片封裝的意義不再僅限于保護芯片的內部,而是為新型器件增加了更多的優(yōu)勢,不論這些優(yōu)勢集中在芯片成本、尺寸、性能亦或是一些其他的變量。因此發(fā)展RF1D技術,封裝技術也是其本身發(fā)展的一個重要的環(huán)節(jié)。掌握核心的封裝技術才能在RFID領域搶占商機。





