納米導電銀技術在RFID領域的應用
摘要:納米和微米技術,生產出的超細導電銀漿JLY-101型,可以印刷出超細銀線,其寬度30 – 40 µm, 厚度 3 – 4 µm, 如圖二所示。這是世界上首個通過印刷方法研發印刷的超細銀導線。這樣,可以大幅度的降低用材從而降低RFID 天線的制造成本。
關鍵詞:銀漿及天線
射頻識別 (RFID) 標簽是一種新興的標簽技術, 在標簽內置芯片存入資料, 信息將被以電子技術的方式植入智能標簽內, 應用于物流、保安、健康、門禁控制、產品安全、身份認證以及其他場合. RFID使用的頻率有6種,分別為135KHz、13.56MHz、43.3-92MHz、860-930MHz(即UHF)、2.45GHz以及5.8GHz。無源RFID主要使用前二種頻率。2007年, 高頻(13.56MHz)RFID 銷售約25億美元。大約是其它頻段同類產品的10倍。 在過去幾年,全世界發達國家, 率先啟用,為信貸、借記、帳戶、銀行提供了一種便捷的手段,近幾年來,RFID在中國也有了飛速的發展, 僅國民身份證卡一項的市場價值就在60億美元左右。另外電子護照 (e-passport) 也是RFID巨大的市場。其它日用消費品,也在不斷擴大使用范圍, 成為一種方便快捷的付費方式,企業顧客雙雙得益。 如倫敦地鐵Oyster 非接觸式RFID 付費卡, 2007年發行了數千萬張,極大地降低了管理服務成本, 提高了地鐵效率,同時使得消費者受益于更加廉價的地鐵票費。 不僅如此,RFID 職能卡的個性化(一一對應關系),也使各種服務行業得到了非常有價值的顧客統計數據。伴隨著國家金卡工程建設的蓬勃發展,IC卡技術和近期快速發展的RFID技術已經廣泛應用于各行各業,極大地推動了我國信息化產業的發展,對國民經濟與社會生活的協調發展起著重要作用。
圖1 是 美國Texas Instrument 最新推出的超薄非接觸付費FIRD 智能卡結構圖。目前芯片造價可以達到 < 1 美分。而天線的制造費用因工藝不同而各異, 但是總體造價遠高于芯片。傳統銅線纏繞技術工藝落后, 遠遠滿足不了超大規模生產量的要求。傳統的銅版刻蝕工藝,目前造價相對適中, 但是工藝復雜,特別是工藝過程對環境的污染引起一定程度的關注。另外銅天線的使用, 必須有防氧化措施, 因為銅極易被氧化,而氧化后的銅, 將破壞導電性, 特別是表面導電性能(祥見后面討論部分)。
圖1美國Texas Instrument 最新推出的超薄非接觸FIRD卡
射頻天線
射頻芯片
用傳統的絲網印刷工藝和高新技術生產導電銀漿料(油墨)來印制RFID天線越來越為人關注,這種制造方法具有如下特點:
工藝極為簡單而且能夠進行超大規模生產(如日單位產量達上千萬個甚至更高),極大地提高生產效率;
銀具有良好的導電性,即便是表面被氧化,仍然保持良好的導電性。
沒有像銅板刻蝕那樣的環境污染。
不足:目前導電銀漿料生產RFID天線主要問題是其原料成本高,導致單個成本造價高。
如何大幅度降低RFID天線成本是大家關心的問題。
措施之一:有效地大幅度地降低銀漿料的使用量。
如圖一所示的天線,目前的絲網印刷工藝大多是印刷線寬在0.5 – 1.0 mm,平均厚度 0.01 mm左右。其銀的耗材較大。
我公司采用納米和微米技術,生產出的超細導電銀漿JLY-101型,可以印刷出超細銀線,其寬度30 – 40 µm, 厚度 3 – 4 µm, 如圖二所示。這是世界上首個通過印刷方法研發印刷的超細銀導線。這樣,可以大幅度的降低用材從而降低RFID 天線的制造成本?!?
圖二:聚隆公司研發的超細導電銀漿料:印刷銀線微觀結構
30 µm
措施之二:采用銀包銅,降低原材料的成本。
銅是個良導體。問題是銅易于氧化從而破壞了導電性,特別是高頻射頻天線的導電性。 關于介紹銅氧化的理論很多。這里重點考慮的是其常溫下的氧化問題。室溫到100度,表面主要生成Cu2O;通??吹降你~的顏色變化,大多基于Cu2O產物所致。銀可以有效地阻止銅氧化,并且有著良好的導電性能。理論上講,用銀包銅做成的導電漿料應該和純銀漿料的導電性能相差不遠,但是,目前的實驗結果表明,兩者的導電性能相差很大。這不是理論問題, 而是銀包銅材料的工藝和技術需要改善。目前的銀包銅,還存在若干問題,其中之一是銅粉沒有能夠被銀全部或大部分包裹起來。圖三是一個微觀結構圖,其中的銅粉就是沒有被銀包裹起來。
圖三:銀包銅的缺陷:銅粉沒有被銀包裹起來
措施之三:結合措施之一,進一步提高超細銀線的導電性。
導電銀漿料的基本組成是銀及高分子材料。我公司最新推出的非接觸RFID卡專用導電銀漿料,可以在45 ºC 的條件下,12-15分鐘干燥,滿足了目前非接觸RFID天線的需要。如果做成如圖二所示超細銀導線,其成本無疑會大幅度降低,但是其電阻也會升高,這樣勢必影響RFID天線的工作性能。主要原因是銀粒與銀粒之間沒有完全連接起來,其間 存在高分子聯接料,而高分子是非導體, 這樣的微觀結構勢必影響導電性。為此,采用新型高分子聯接料,配合納米級超細銀粉,從技術上解決銀低溫燒結的問題,從而把離散的銀粒與銀粒,“燒結“起來,這樣比傳統的導電銀漿的導電性會提高2個數量級,可以滿足RFID 射頻天線的工作性能要求。圖四是聚隆公司正在研發的低溫燒結型非接觸RFID卡專用漿料。從圖中可以看出,銀與銀之間聯結一體,形成了網狀結構。目前可以在500 ºC實現超細印刷銀線的“燒結”。這里需要解釋的是為什么銀的熔點在961 ºC 而500 ºC就融化了。通過熱力學基本定律可以得到以下理論:
Tm / Tom = 1 – (2σM )/(rρ∆H)
其中Tm 是銀粒=r時的熔點,Tom 是標準狀態下,銀的本體熔點,σ=表面張力, M =分子量, ρ=密度, ∆H=熔融時的能量變化(熱晗)。
該公式表明,銀粒的尺寸越小,銀的熔點越低。當然,這只是個理論模型, 可以定性地說明觀察到的現象。公司最終的目標研發出燒結溫度為150 ºC左右超細納米級導電銀漿料(油墨)。
圖四: 500ºC 低溫燒結銀的微觀結構圖。
總之,通過以上超細銀線技術,加上燒結措施提高導電性,有希望把目前的RFID 天線造價成倍的降低,為RFID技術推廣發揮重要的作用。
成功案例:捷德金卡有限公司是由德國G&D集團合資的現代化大型制卡企業,擁有世界領先的制卡技術,特別是對非接觸智能卡天線用導電銀漿有較高的要求,同時又要控制降低成本。我公司生產的天線用絲網印刷導電銀漿在該公司成功應用,主要性能優于進口產品,并且成本有大幅度降低。該型產品填補了國內空白,已向國家專利局申請了發明專利,該產品的實驗成功必將對智能卡及RFID的性能成本產生積極深遠的影響。
圖1 是 美國Texas Instrument 最新推出的超薄非接觸付費FIRD 智能卡結構圖。目前芯片造價可以達到 < 1 美分。而天線的制造費用因工藝不同而各異, 但是總體造價遠高于芯片。傳統銅線纏繞技術工藝落后, 遠遠滿足不了超大規模生產量的要求。傳統的銅版刻蝕工藝,目前造價相對適中, 但是工藝復雜,特別是工藝過程對環境的污染引起一定程度的關注。另外銅天線的使用, 必須有防氧化措施, 因為銅極易被氧化,而氧化后的銅, 將破壞導電性, 特別是表面導電性能(祥見后面討論部分)。
圖1美國Texas Instrument 最新推出的超薄非接觸FIRD卡
射頻天線
射頻芯片
用傳統的絲網印刷工藝和高新技術生產導電銀漿料(油墨)來印制RFID天線越來越為人關注,這種制造方法具有如下特點:
工藝極為簡單而且能夠進行超大規模生產(如日單位產量達上千萬個甚至更高),極大地提高生產效率;
銀具有良好的導電性,即便是表面被氧化,仍然保持良好的導電性。
沒有像銅板刻蝕那樣的環境污染。
不足:目前導電銀漿料生產RFID天線主要問題是其原料成本高,導致單個成本造價高。
如何大幅度降低RFID天線成本是大家關心的問題。
措施之一:有效地大幅度地降低銀漿料的使用量。
如圖一所示的天線,目前的絲網印刷工藝大多是印刷線寬在0.5 – 1.0 mm,平均厚度 0.01 mm左右。其銀的耗材較大。
我公司采用納米和微米技術,生產出的超細導電銀漿JLY-101型,可以印刷出超細銀線,其寬度30 – 40 µm, 厚度 3 – 4 µm, 如圖二所示。這是世界上首個通過印刷方法研發印刷的超細銀導線。這樣,可以大幅度的降低用材從而降低RFID 天線的制造成本?!?
圖二:聚隆公司研發的超細導電銀漿料:印刷銀線微觀結構
30 µm
措施之二:采用銀包銅,降低原材料的成本。
銅是個良導體。問題是銅易于氧化從而破壞了導電性,特別是高頻射頻天線的導電性。 關于介紹銅氧化的理論很多。這里重點考慮的是其常溫下的氧化問題。室溫到100度,表面主要生成Cu2O;通??吹降你~的顏色變化,大多基于Cu2O產物所致。銀可以有效地阻止銅氧化,并且有著良好的導電性能。理論上講,用銀包銅做成的導電漿料應該和純銀漿料的導電性能相差不遠,但是,目前的實驗結果表明,兩者的導電性能相差很大。這不是理論問題, 而是銀包銅材料的工藝和技術需要改善。目前的銀包銅,還存在若干問題,其中之一是銅粉沒有能夠被銀全部或大部分包裹起來。圖三是一個微觀結構圖,其中的銅粉就是沒有被銀包裹起來。
圖三:銀包銅的缺陷:銅粉沒有被銀包裹起來
措施之三:結合措施之一,進一步提高超細銀線的導電性。
導電銀漿料的基本組成是銀及高分子材料。我公司最新推出的非接觸RFID卡專用導電銀漿料,可以在45 ºC 的條件下,12-15分鐘干燥,滿足了目前非接觸RFID天線的需要。如果做成如圖二所示超細銀導線,其成本無疑會大幅度降低,但是其電阻也會升高,這樣勢必影響RFID天線的工作性能。主要原因是銀粒與銀粒之間沒有完全連接起來,其間 存在高分子聯接料,而高分子是非導體, 這樣的微觀結構勢必影響導電性。為此,采用新型高分子聯接料,配合納米級超細銀粉,從技術上解決銀低溫燒結的問題,從而把離散的銀粒與銀粒,“燒結“起來,這樣比傳統的導電銀漿的導電性會提高2個數量級,可以滿足RFID 射頻天線的工作性能要求。圖四是聚隆公司正在研發的低溫燒結型非接觸RFID卡專用漿料。從圖中可以看出,銀與銀之間聯結一體,形成了網狀結構。目前可以在500 ºC實現超細印刷銀線的“燒結”。這里需要解釋的是為什么銀的熔點在961 ºC 而500 ºC就融化了。通過熱力學基本定律可以得到以下理論:
Tm / Tom = 1 – (2σM )/(rρ∆H)
其中Tm 是銀粒=r時的熔點,Tom 是標準狀態下,銀的本體熔點,σ=表面張力, M =分子量, ρ=密度, ∆H=熔融時的能量變化(熱晗)。
該公式表明,銀粒的尺寸越小,銀的熔點越低。當然,這只是個理論模型, 可以定性地說明觀察到的現象。公司最終的目標研發出燒結溫度為150 ºC左右超細納米級導電銀漿料(油墨)。
圖四: 500ºC 低溫燒結銀的微觀結構圖。
總之,通過以上超細銀線技術,加上燒結措施提高導電性,有希望把目前的RFID 天線造價成倍的降低,為RFID技術推廣發揮重要的作用。
成功案例:捷德金卡有限公司是由德國G&D集團合資的現代化大型制卡企業,擁有世界領先的制卡技術,特別是對非接觸智能卡天線用導電銀漿有較高的要求,同時又要控制降低成本。我公司生產的天線用絲網印刷導電銀漿在該公司成功應用,主要性能優于進口產品,并且成本有大幅度降低。該型產品填補了國內空白,已向國家專利局申請了發明專利,該產品的實驗成功必將對智能卡及RFID的性能成本產生積極深遠的影響。



