一種適于RFID標(biāo)簽生產(chǎn)ACA多點(diǎn)固化的氣動力控方案及實(shí)現(xiàn)

王 冠，陳建魁，尹周平

(華中科技大學(xué) 數(shù)字制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

0 引言

射頻識別(RFID)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)非接觸式自動識別的技術(shù)，在物流、制造、交通、軍事等領(lǐng)域具有大規(guī)模應(yīng)用前景，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一[1]。RFID標(biāo)簽批量生產(chǎn)通常采用基于各項異性導(dǎo)電膠(anisotropic conductive adhesive,ACA)固化的倒裝鍵合工藝實(shí)現(xiàn)芯片與柔性基板的互連[2]。采用ACA工藝的RFID標(biāo)簽封裝設(shè)備通常包括基板輸送、檢測、點(diǎn)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(dǎo)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(jī)械性能和電氣性能都有重要影響[5,6]，直接影響RFID標(biāo)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(dǎo)致連接強(qiáng)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(qiáng)度下降；合適的固化壓力，是獲得足夠的剪切強(qiáng)度和穩(wěn)定的電性能的保證[7]。為了提高標(biāo)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(diǎn)力控的穩(wěn)定性和一致性是控制關(guān)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(biāo)簽生產(chǎn)ACA多點(diǎn)固化的力控方案。

1 氣動力控方案

RFID標(biāo)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(jìn)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(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)的控制來實(shí)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(jìn)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(dǎo)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?zé)嵩吹陌l(fā)熱芯；隔熱組件設(shè)計有三重隔熱防護(hù)，避免高溫對零件的不良影響；導(dǎo)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(yùn)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(dá)0.01N；安裝組件下端嵌套磁鐵，吸附在平臺上以進(jìn)行整體固定。

圖2 下熱壓頭的結(jié)構(gòu)組成

ACA多點(diǎn)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(dǎo)致基板變形、多點(diǎn)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(shí)驗(yàn)方案

2.1 熱壓頭輸出壓力值一致性驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析比較。

圖3 多個熱壓頭輸出力一致性實(shí)驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)產(chǎn)品9662性能驗(yàn)證方案

實(shí)驗(yàn)結(jié)合9662標(biāo)簽進(jìn)行的各項參數(shù)測試。9662標(biāo)簽尺寸為75×23，標(biāo)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(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和武漢華威科智能技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)和生產(chǎn)的的DIII型RFID標(biāo)簽生產(chǎn)裝備完成9662標(biāo)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(biāo)簽分切卷料后的成品。

圖4 9662標(biāo)簽產(chǎn)品

在標(biāo)簽檢驗(yàn)方面，首先在線對標(biāo)簽進(jìn)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(shè)備：推拉力測試儀CONDOK70、PHLTRON顯微鏡、Alien超高頻讀寫器ALR-9900、網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E5071C，分別進(jìn)行標(biāo)簽中的芯片粘合剪切強(qiáng)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(biāo)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(guān)ISE30進(jìn)行測量，其精度為0.001MPa對應(yīng)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(jī)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(dá)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(yàn)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(biāo)簽進(jìn)行讀通率的檢測。在線測試的讀通率達(dá)到99.85%。對合格產(chǎn)品，分別抽出部分進(jìn)行剪切強(qiáng)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(qiáng)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(biāo)識、鍵合點(diǎn)等的情況[9,10]，兩個壓痕較為一致，鍵合點(diǎn)位置較準(zhǔn)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(jìn)行測試，標(biāo)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(shè)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(biāo)簽的最小功率測試值與標(biāo)準(zhǔn)樣品的理想功率進(jìn)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(jī)選取了3個樣品曲線與理想曲線進(jìn)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(jìn)行比較標(biāo)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(jī)選取了3組曲線進(jìn)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(luò)分析儀測試芯片兩端的阻抗。所測試10組產(chǎn)品產(chǎn)品實(shí)部（0以上數(shù)值）、虛部（0以下數(shù)值）絕對值比理想值標(biāo)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(biāo)簽良品率在99.85%以上，芯片在基板上的鍵合凸點(diǎn)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(dá)到8m以上，產(chǎn)品試驗(yàn)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(yán)格控制溫度和壓力，才能保證實(shí)現(xiàn)芯片與天線的機(jī)械和電氣互連。對于需要多點(diǎn)固化的場合，多點(diǎn)壓力的穩(wěn)定性與一致性是熱壓模塊力控的重難點(diǎn)。對此，本文提出了一種適用于多點(diǎn)固化的氣動力控方案，設(shè)計了一種可微調(diào)高度的熱壓頭，并且進(jìn)行了方案的驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，壓力精度可達(dá)0.1N以內(nèi)，多點(diǎn)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(yàn)產(chǎn)品UHF標(biāo)簽9662標(biāo)簽良品率達(dá)99.85%以上，芯片鍵合凸點(diǎn)較一致，破壞性剪切力達(dá)到要求，讀距均達(dá)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(biāo)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(diǎn)壓力控制系統(tǒng)的實(shí)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(shù)的現(xiàn)狀分析及研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2011,3:44-48.

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

[4]周良杰,黃揚(yáng),吳豐順.電子封裝用納米導(dǎo)電膠的研究進(jìn)展[J].電子工藝技術(shù),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(dǎo)電膠粘結(jié)工藝技術(shù)研究[J].電子與封裝,2010,1(10):11-16.

[8]金濤.RFID 標(biāo)簽封裝設(shè)備熱壓模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學(xué),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(shù)學(xué)報,2002,23(5):74-76.