印刷天線式非接觸IC卡的制造技術

文章出處：http://5052h112.com 作者： 人氣： 發表時間：2012年02月19日

     前言

　　非接觸IC卡的制造工藝的核心內容是天線及應答器（簡稱INLAY）的制造工藝。目前在制卡業界流行著三種非接觸卡天線及應答器制造工藝：繞線、蝕刻和印刷。其中，繞線和印刷工藝在國內得到了較為廣泛的應用。而蝕刻工藝主要應用于歐洲地區。國內普遍使用的這兩種工藝有何不同，各有什么特點？本文試圖從簡單介紹印刷天線工藝方面出發，從中論述二種工藝的特點和差異，以供同行商討。本文僅涉及到符合ISO14443標準，工作頻率為13.56MHz的非接觸卡。

　　一　結構

　　非接觸IC卡與接觸式IC卡等其他卡產品的顯著不同之處是包括了一個含有天線和芯片的INLAY層。不同INLAY制造方式形成各有特點的制造工藝。不同的制造工藝也影響非接觸IC卡的結構設計。一張INLAY的兩面都加上印刷層和保護膜即組成了一張非接觸IC卡。這里主要介紹INLAY的結構。

　　黃石捷德萬達金卡有限公司從1999年開始采用印刷天線制造工藝生產非接觸卡，積累了非接觸IC卡產品設計經驗以及許多實際生產經驗。一個典型的印刷天線INLAY的結構圖如下：

　　相比之下，此種結構有以下優點：

　　1） 可精確調整電性能參數，優化卡片使用性能；
　　非接觸卡電性能參數的設計是十分重要的，它直接影響了非接觸卡的讀卡距離、對讀卡器的適應性和工作穩定性。非接觸卡的主要工藝電性能參數有：諧振頻率、Q值和阻抗。為了達到最優性能，所有的非接觸卡制造工藝都可以采用改變天線匝數、天線外尺寸大小和線徑粗細等方法來獲得。但印刷天線工藝除此以外，還可以通過局部改變線的寬度，改變芯層的厚度等精確調整到所需的目標值。
　　非接觸卡的諧振頻率、Q值和阻抗可以采用阻抗儀或者網絡分析儀測出。黃石捷德萬達金卡有限公司擁有全套安捷倫(Agilent)公司提供的非接觸卡檢測儀器，可保證為用戶設計和制造出高性能、高可靠性的非接觸IC卡。
　　2） 適合于各種不同廠家提供的芯片模塊；
　　隨著非接觸卡的廣泛使用，越來越多的IC芯片廠家都加入到生產非接觸芯片和模塊的隊伍。由于缺乏統一的標準，各個廠家提供的芯片封裝形式不同，電性能參數也不同。而印刷天線INLAY結構的靈活性，可分別地與各種不同芯片以及采用不同封裝形式的模塊相匹配，以達到最佳使用性能。
　　3） 可任意改變線圈形狀，以適應用戶表面加工要求；
　　由于非接觸卡的多用途使用，以及各種個性化的要求越來越多，將對非接觸卡表面及卡體夾層有種種限制，如打凸字、敏感圖形等。印刷天線INLAY可按要求，方便地改變成任何形狀，甚至為非規則曲線以滿足客戶要求，而不降低任何使用性能。
　　4） 可使用各種不同卡體材料
　　此種結構可按用戶要求，使用不同卡體材料，除PVC外，還可使用PET-G、PET、ABS、PC和紙基材料等。這是其它任何非接觸卡制造工藝所很難辦到的。如果采用繞線工藝，就很難用PC等材料生產出適應高溫等用卡環境惡劣的條件的非接觸IC卡。

　　二　INLAY加工工藝流程

　　從此流程可以看出，印刷天線INLAY的制造工藝比較簡單，所需的設備投資較小，而效率很高。主要設備為絲網印刷機和沖孔機。幾乎所有的制卡廠都有絲網印刷機，可不需要另外投資。芯層和補償膜的沖孔機的投資不到20萬，投資很少。但生產靈活性很強。一條生產線的一般產能可達50，000片/班。在不增加設備情況下，最高可達200，000片/班。由于投資少，降低了生產成本，也減少了投資風險。

　　三　天線印刷工藝

　　從INLAY工藝流程圖中，可以看出天線印刷是一道重要加工工序。

    天線印刷工藝與一般絲印工藝相同。首先按設計好的天線形狀進行制版。絲印版網目可按實際需要在100—257目/英寸之間選用。絲印油墨的選用十分關鍵。由于油墨是導電體。油墨主要成份是金屬如銀和鋁等。要選用那些低電阻率，性價比高的油墨。印刷后線圈的電阻一般在2—25Ω之間。根據實際工藝需要，采用單面或雙面印刷天線，以獲得所需要的感抗。要想獲得高質量的天線，還需要在許多細微之外進行改進，如油墨選用、油墨調合、壓力大小、網目選用等，絲印版制作和油墨干燥等方面。這些都需要長期的工作實踐經驗積累。

　　與繞線和蝕刻天線相比，印刷天線工藝的最顯著特點是投資少、效率高。一臺繞線機價格大約在150萬—300萬人民幣之間。而產能僅為150—350片/小時。而一臺全自動絲印機的價格為50—100萬人民幣，而產能可高達10，000片/小時。

　　四　連接工藝

　　連接是指芯片模塊與天線之間的連接，它是所有不同天線制造工藝中的一個關鍵環節。印刷天線與模塊之間一般采用導電膠粘合或者直接壓合的方法。印刷天線的搭接面積一般都大于模塊連接端的面積，保證了連接的可靠性。再加上層壓時高溫高壓，使得模塊引線端與天線搭接塊熔為一體。此種連接方式的優點是工藝可操作性高和性能可靠性高。繞線式天線通常采用碰焊的方法連接模塊。此種工藝在保證焊頭、天線引頭和模塊位置十分準確以及碰焊電流控制較好的情況下,能保證較好的連接。但因受控的因素較多，易出現虛焊、假焊和偏焊等缺陷。

　　此種連接方法的另一個優點是可使用體積細小的模塊，如Mifare one、FCP2模塊等方便連接，而不降低產能和增加成本。采用此類小型封裝模塊，可以制作厚度≤0.5mm非接觸IC卡,而且表面無痕跡。現在，在制卡業界已經有將芯片（Die）與印刷天線粘合的工藝應用，并廣泛用于智能標簽（Smart label）的生產。

　　五　試驗結果及使用效果

　　我公司采用印刷天線工藝制作的非接觸卡,在我公司的產品試驗室經過多次包括沖擊、腐蝕、振動、溫度變化、紫外線、靜磁場和彎扭等試驗內容的破壞性試驗。每次抗彎扭試驗循環均可過到2萬次以上,為國際標準要求的10倍。而破壞的原因主要是卡體破裂造成。此外，我公司每年送印刷天線非接觸卡到國家質量檢測中心進行檢測，每次都一次通過，沒有反映任何問題。

　　采用此種工藝生產的非接觸卡已在國內售出達500萬片以上，并出口日本、新加坡、墨西哥和西班牙等國家達150萬片以上，用戶反映良好。

    在此值得一提的是非接觸IC卡使用性能的測試方法。人們常常要求非接觸IC卡的讀寫距離大于10cm或5cm。這種要求是不精確的。讀寫距離除與卡片有關，更多的與讀卡器有關。讀卡器的工作頻率偏差、輸出功率的大小，都會影響讀寫距離。我們曾遇到這樣一種情況：我公司生產的非接觸卡在一種型號讀卡器上測試的讀寫距離高達15cm。但換了另一種型號的讀卡器后，卻無任何響應。判別一種非接觸IC卡的使用性能的科學方法是遵循IS014443標準。在讀卡器工作頻率準確調整為13.56MHz時,卡片分別在最大場強7.5A/m或最低場強1.5A/m情況下,都能正常讀寫,即為合格產品.質量越高的產品,適應的范圍越大.用此種標準可能會減少一些合同糾紛,生產廠家也可用此標準來優化自己的產品設計.

　　六　結論

　　采用印刷天線工藝生產非接觸卡具有投資少、性能高和可靠性高等優點，具有較強的生命力，將與繞線式工藝和蝕刻工藝長期并存。絲印天線工藝生產的各類非接觸卡已應用于國內外的各行各業，并獲得廣泛好評。絲印天線工藝必將以其高效率、高可靠性、靈活性更好地滿足客戶的各種不同需求。