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纳米导电银技术在RFID领域的应用
作者:王卫东
时间:2010-04-13 11:15:52
纳米和微米技术,生产出的超细导电银浆JLY-101型,可以印刷出超细银线,其宽度30 – 40 µm, 厚度 3 – 4 µm, 如图二所示。这是世界上首个通过印刷方法研发印刷的超细银导线。这样,可以大幅度的降低用材从而降低RFID 天线的制造成本。 
关键词: 银浆及天线
射频识别 (RFID) 标签是一种新兴的标签技术, 在标签内置芯片存入资料, 信息将被以电子技术的方式植入智能标签内, 应用于物流、保安、健康、门禁控制、产品安全、身份认证以及其他场合. RFID使用的频率有6种,分别为135KHz、13.56MHz、43.3-92MHz、860-930MHz(即UHF)、2.45GHz以及5.8GHz。无源RFID主要使用前二种频率。2007年, 高频(13.56MHz)RFID 销售约25亿美元。大约是其它频段同类产品的10倍。 在过去几年,全世界发达国家, 率先启用,为信贷、借记、帐户、银行提供了一种便捷的手段,近几年来,RFID在中国也有了飞速的发展, 仅国民身份证卡一项的市场价值就在60亿美元左右。另外电子护照  (e-passport) 也是RFID巨大的市场。其它日用消费品,也在不断扩大使用范围, 成为一种方便快捷的付费方式,企业顾客双双得益。 如伦敦地铁Oyster 非接触式RFID 付费卡, 2007年发行了数千万张,极大地降低了管理服务成本, 提高了地铁效率,同时使得消费者受益于更加廉价的地铁票费。 不仅如此,RFID 职能卡的个性化(一一对应关系),也使各种服务行业得到了非常有价值的顾客统计数据。伴随着国家金卡工程建设的蓬勃发展,IC卡技术和近期快速发展的RFID技术已经广泛应用于各行各业,极大地推动了我国信息化产业的发展,对国民经济与社会生活的协调发展起着重要作用。
 
图1 是 美国Texas Instrument 最新推出的超薄非接触付费FIRD 智能卡结构图。目前芯片造价可以达到 < 1 美分。而天线的制造费用因工艺不同而各异, 但是总体造价远高于芯片。传统铜线缠绕技术工艺落后, 远远满足不了超大规模生产量的要求。传统的铜版刻蚀工艺,目前造价相对适中, 但是工艺复杂,特别是工艺过程对环境的污染引起一定程度的关注。另外铜天线的使用, 必须有防氧化措施, 因为铜极易被氧化,而氧化后的铜, 将破坏导电性, 特别是表面导电性能(祥见后面讨论部分)。
 
 
图1美国Texas Instrument 最新推出的超薄非接触FIRD卡
射频天线
射频芯片

 
 
 
用传统的丝网印刷工艺和高新技术生产导电银浆料(油墨)来印制RFID天线越来越为人关注,这种制造方法具有如下特点:
工艺极为简单而且能够进行超大规模生产(如日单位产量达上千万个甚至更高),极大地提高生产效率; 
银具有良好的导电性,即便是表面被氧化,仍然保持良好的导电性。 
没有像铜板刻蚀那样的环境污染。 
不足:目前导电银浆料生产RFID天线主要问题是其原料成本高,导致单个成本造价高。
 
如何大幅度降低RFID天线成本是大家关心的问题。
 
措施之一:有效地大幅度地降低银浆料的使用量。
 
如图一所示的天线,目前的丝网印刷工艺大多是印刷线宽在0.5 – 1.0 mm,平均厚度 0.01 mm左右。其银的耗材较大。
 
我公司采用纳米和微米技术,生产出的超细导电银浆JLY-101型,可以印刷出超细银线,其宽度30 – 40 µm, 厚度 3 – 4 µm, 如图二所示。这是世界上首个通过印刷方法研发印刷的超细银导线。这样,可以大幅度的降低用材从而降低RFID 天线的制造成本。 
 
图二:聚隆公司研发的超细导电银浆料:印刷银线微观结构
30 µm

 
 
措施之二:采用银包铜,降低原材料的成本。
铜是个良导体。问题是铜易于氧化从而破坏了导电性,特别是高频射频天线的导电性。 关于介绍铜氧化的理论很多。这里重点考虑的是其常温下的氧化问题。室温到100度,表面主要生成Cu2O;通常看到的铜的颜色变化,大多基于Cu2O产物所致。银可以有效地阻止铜氧化,并且有着良好的导电性能。理论上讲,用银包铜做成的导电浆料应该和纯银浆料的导电性能相差不远,但是,目前的实验结果表明,两者的导电性能相差很大。这不是理论问题, 而是银包铜材料的工艺和技术需要改善。目前的银包铜,还存在若干问题,其中之一是铜粉没有能够被银全部或大部分包裹起来。图三是一个微观结构图,其中的铜粉就是没有被银包裹起来。
 
 
 
 
图三:银包铜的缺陷:铜粉没有被银包裹起来
 
 
 
 
措施之三:结合措施之一,进一步提高超细银线的导电性。
导电银浆料的基本组成是银及高分子材料。我公司最新推出的非接触RFID卡专用导电银浆料,可以在45 ºC 的条件下,12-15分钟干燥,满足了目前非接触RFID天线的需要。如果做成如图二所示超细银导线,其成本无疑会大幅度降低,但是其电阻也会升高,这样势必影响RFID天线的工作性能。主要原因是银粒与银粒之间没有完全连接起来,其间 存在高分子联接料,而高分子是非导体, 这样的微观结构势必影响导电性。为此,采用新型高分子联接料,配合纳米级超细银粉,从技术上解决银低温烧结的问题,从而把离散的银粒与银粒,“烧结“起来,这样比传统的导电银浆的导电性会提高2个数量级,可以满足RFID 射频天线的工作性能要求。图四是聚隆公司正在研发的低温烧结型非接触RFID卡专用浆料。从图中可以看出,银与银之间联结一体,形成了网状结构。目前可以在500 ºC实现超细印刷银线的“烧结”。这里需要解释的是为什么银的熔点在961 ºC 而500 ºC就融化了。通过热力学基本定律可以得到以下理论:
 
 
Tm / Tom = 1 – (2σM )/(rρ∆H)
 
其中Tm 是银粒=r时的熔点,Tom 是标准状态下,银的本体熔点,σ=表面张力, M =分子量, ρ=密度, ∆H=熔融时的能量变化(热晗)。
 
该公式表明,银粒的尺寸越小,银的熔点越低。当然,这只是个理论模型, 可以定性地说明观察到的现象。公司最终的目标研发出烧结温度为150 ºC左右超细纳米级导电银浆料(油墨)。 
 
 
图四: 500ºC 低温烧结银的微观结构图。

总之,通过以上超细银线技术,加上烧结措施提高导电性,有希望把目前的RFID 天线造价成倍的降低,为RFID技术推广发挥重要的作用。
成功案例:捷德金卡有限公司是由德国G&D集团合资的现代化大型制卡企业,拥有世界领先的制卡技术,特别是对非接触智能卡天线用导电银浆有较高的要求,同时又要控制降低成本。我公司生产的天线用丝网印刷导电银浆在该公司成功应用,主要性能优于进口产品,并且成本有大幅度降低。该型产品填补了国内空白,已向国家专利局申请了发明专利,该产品的实验成功必将对智能卡及RFID的性能成本产生积极深远的影响。
 
 
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