RFID印刷被動式電子標簽良率的探討
發布時間：2024-04-09 點擊：89
【提要】本文探討了被動式之uhf電子標簽印刷時使用的四種印刷方式，從其成本及制程良率不同方面進行了對比分析。
前言
隨著rfid市場的成長，電子標簽的使用量也呈倍數的成長，但真正阻礙rfid產業發展的因素卻是電子標簽的價格成本仍高居不下，而印刷式的電子標簽則挾先天上成本優勢深受市場所冀望。
印刷式電子技術被廣泛應用在軟性電子、有機顯示器、emi防治、紙電池及rfid等領域，其中又以rfid 被動式的電子標簽印刷所面臨的技術難題最多。
印刷制程
rfid 被動式的電子標簽印刷主要使用之油墨俗稱為「導電銀膠」。由于印刷時需使用銀粉材料，而近來原物料價格不斷攀升使得銀膠的成本居高不下，導致原本佔有制造成本優勢的印刷式電子標簽，一時之間成本降不下來，不過長遠來看印刷式的電子標簽，仍是未來低價電子標簽的最佳解決方桉之一。
在印刷的制程上，光是印刷轉印油墨的方式就有網版、凹版、凸版及噴墨等四大類，而每種印刷制程特性、品質及成本亦各有不同，若再加入油墨及印刷底材之特性考量，電子標簽印刷的制程及材料特性之組配，將能決定各項電子標簽印件所適合採用的生產方式。
網版印刷
rfid 電子標簽的印刷制程採用此種方桉的桉例最多，如圖〔1〕所示網版印刷就是把導電油墨由網版的另一側以刮刀將油墨掃壓過網版，而油墨則穿透過網版上圖樣的網孔間隙，黏印在被印刷的底材上。網版印刷的油墨黏度較高，且印刷膜厚最高可達100μm，而rfid 電子標簽的印刷膜厚僅約為8~12μm即可，其后干燥則可以uv、ir及熱風等方式來達成。
圖 1、網版印刷
凹版印刷
凹版印刷是將刻有圖樣的金屬薄版（凹刻），固定于印刷機上的印刷轆上，沾上印刷油墨后轉印至被印刷的底材上，詳如圖〔2〕所示。凹版印刷的油墨黏度較網版印刷油墨的黏度來的低，油墨膜厚控制最為精準，亦可符合rfid 電子標簽印制所需膜厚要求，而且印刷速度更快，極適合大量印刷生產，缺點是需投入之設備資金較高。
圖2、凹版印刷
凸版印刷
凸版印刷是將有圖樣的橡膠厚版（凸刻），固定于印刷機上的印刷轆上，在沾上印刷油墨后轉印至底材上，詳如圖〔3〕所示。凸版印刷的油墨黏度比凹版印刷來的低，油墨膜厚也是遠低于前二者的，且印刷導電銀膠時所遭遇的難題最高最難克服，但若能克服種種難題，直接將電子標簽印刷在紙箱上的價格競爭力卻是前二者所不能媲美的。
圖 3、凸版印刷[3]
噴墨印刷
噴墨印刷技術的發展是近十年來的新興技術，其大型噴墨印刷設備的印刷精度最高可50μm左右，此技術也是最有可能成功實現ic電路于制程中直接以印刷方式制作，但缺點是印刷速度慢，設備及油墨成本也是所有印刷制程中最高的，而油墨黏度則是四者制程中最低的，膜厚控制精度卻是最高的。
導電銀膠油墨特性
目前導電銀膠的供應商以美、歐廠商為主，亞洲則有日本及南韓廠商相爭，其油墨特性主要為銀粉成份，而銀粉成份的多寡決定其導電阻抗的特性。另外銀粉顆粒直徑的大小，亦是決定其印刷阻抗均一性的關鍵，表〔1〕為目前市面上幾種導電銀膠油墨的商品特性比較表，由表中可見干燥烘烤溫度及時間比一般印刷油墨高且長，新開發的導電銀膠特性則有朝向低溫快干低耗能及兼顧環保的趨勢。
表1、市售導電油墨特性比較表[4]
底材
在電子標簽印刷制程中，最易被忽略的部份就是電子標簽的底材（substrate）一般來說被動式電子標簽的底材種類不外乎pvc、pet，涂佈白紙、瓦愣紙等，但若要用在uhf頻段時，則底材材質的介電係數會大幅影響電子標簽的rf阻抗[5]，故在設計電子標簽天線時須考量此因素在內。
又瓦愣紙當底材印刷電子標簽時，由于瓦愣紙的毛細孔相當大，且呈不規則分佈，如圖〔4〕所示。當導電油墨印刷上去時，油墨會滲入毛細孔，導致電子標簽天線阻抗分佈不均，此種現象在頻率愈高時問題愈嚴重。
圖 4、 瓦愣紙面微觀
良率
在此所謂的良率除了成品之電子標簽是否能被讀寫器所讀到外，另外使用者更加關心應用良率，就是所謂穩定的讀取距離，而影響此良率的關鍵原因就是成品的rf阻抗。另外印刷天線之附著力、晶片封裝及油墨特性等，則是決定此類產品壽命的重要因素。
導電阻抗
印刷的電子標簽天線，其rf阻抗的特性將會因印刷時油墨的固形份是否均勻的分佈在油墨中、印刷后的膜厚及印刷底材的介電係數等因素所決定[7]，而在印刷界的人都知道印刷出來的第一個印件到最后印出來的印件，顏色的色差或膜厚都會有一定幅度的變動。若再加上底材的品質因素產生介電係數的變動，則二者變動所產生的相加或相抵的結果，就會造成電子標簽印刷天線阻抗超出規格而產生不良品。在hf印刷被動式天線影響較為輕微，但若是在uhf印刷被動式天線遇上此種情形，則產生不良品的機率將大增。即使前二者制程變數變動程度的相加或相抵結果，未使電子標簽天線印刷阻抗超出規格，但仍會使印刷出的uhf 電子標簽產生不同讀取距離的結果。
附著力
當底材使用光滑緊緻材質時，油墨干燥后有可能產生容易剝離的現象，尤其當在半成品或成品捲曲的時候，干燥后之膜厚因彎曲應力而產生剝離或碎裂，但此種情形可借由油墨中樹脂的調整來改善而提昇油墨之附著力。
植晶封裝
植晶制程的良率主要決定于封裝導電膠之rf特性及印件的定位精度，一般來講凸版印刷的精度是最差的，若日后能在制程規劃與初期設備建置調整時就考量，將有效提昇植晶制程的良率。
生命周期
印刷式的電子標簽生命周期是比蝕刻、沖壓或蒸鍍的方式所制成的電子標簽來的短，原因是烘烤干燥后的銀膠與空氣中的水分子或硫分子接觸后，極易產生氧化或硫化現象，而有變色或變黑現象。若此種印刷式的電子標簽被使用貼在會經海運運送的貨品上時，則所面臨的被氧化或塩化現象將更嚴重。天線被氧化、塩化或硫化后電子標簽的rf性能將會隨其變化層的深淺而有所影響，但所幸的是變化層厚度要到一定深度時，才會使rf阻抗有明顯的變化。
結論
在前述四種印刷方式使用于被動式之uhf電子標簽印刷時，其成本及制程良率各有不同，詳如圖〔5〕所示，雖然凹版及凸版兩項印刷技術之良率較低，但是這二種技術之生產成本及產能卻極具競爭力，而日后導電油墨材料若能有突破時圖〔5〕的結果將完全會改觀。
圖5、印刷成本與良率比較
另外，噴墨印刷所需成本目前高仍于凹版及凸版兩項印刷技術，但若將設備投資成本排除時，噴墨印刷所使用之導電油墨價格與凹版及凸版使用之導電油墨價格是相近，且低材料損耗、穩定高良率的制程特性，反而使得總體生產成本最低。
由于印刷天線的性能主要取決于導電油墨之導電粒子固形份含量及印刷膜厚等二樣制程參數，且此二項參數可掌控影響制程良率結果的74%，詳如圖〔6〕所示，這顯示印刷被動式電子標簽技術良率將深受導電油墨材料特性所影響。
圖6、印刷電子標簽制程良率因子分佈
參考文獻
[1] helmut kipphan, handbook of print media, 2001, berlin:springer, pp.57.
[2] helmut kipphan, handbook of print media, 2001, berlin:springer, pp.48.
[3] helmut kipphan, handbook of print media, 2001, berlin:springer, pp.47.
[4] 陳麗娟、張皓鈞, 市售導電油墨特性分析, 正隆rfid 研究季報 2005q4, 正隆股份有限公司, 2005, pp.13.
[5] siden, j.; olsson, t.; koptioug, a.; nilsson, h.-e.;reduced amount of conductive ink with gridded printed antennas, polymers and adhesives in microelectronics and photonics, polytronic 2005. 5th international conference on 23-26 oct. 2005, pp.86 – 89.
[6] 陳麗娟、杜金明, 智慧型紙箱特性分析, 正隆rfid 研究季報 2005q3, 正隆股份有限公司, 2005, pp.08.
[7] robert j. weber, introduction to microwave circuits: radio frequency and design applications, ieee press series on rf and microwave technology 2001, pp.21.
[8] 張皓鈞、杜金明, 主流印刷技術應用于rfid之探討, 正隆rfid 研究季報 2006q3, 正隆股份有限公司, 2006, pp.26.
[9] 張皓鈞、杜金明, 主流印刷技術應用于rfid之探討, 正隆rfid 研究季報 2006q3, 正隆股份有限公司,2006, pp.28.
紙筒印刷或將成新型綠色包裝形式
《澳大利亞報紙印刷及出版業》報告出爐 發行量呈下滑趨勢
2012年新稅則調整印刷機進口關稅
如何預防包裝印刷油墨結皮危害？
3D打印可打奧斯卡頒獎禮服
印刷企業如何實現“工廠思維”向“品牌思維”的轉變
圖文快印企業營銷六個關鍵要素
關于模切刀的使用和日常保養
前言
隨著rfid市場的成長，電子標簽的使用量也呈倍數的成長，但真正阻礙rfid產業發展的因素卻是電子標簽的價格成本仍高居不下，而印刷式的電子標簽則挾先天上成本優勢深受市場所冀望。
印刷式電子技術被廣泛應用在軟性電子、有機顯示器、emi防治、紙電池及rfid等領域，其中又以rfid 被動式的電子標簽印刷所面臨的技術難題最多。
印刷制程
rfid 被動式的電子標簽印刷主要使用之油墨俗稱為「導電銀膠」。由于印刷時需使用銀粉材料，而近來原物料價格不斷攀升使得銀膠的成本居高不下，導致原本佔有制造成本優勢的印刷式電子標簽，一時之間成本降不下來，不過長遠來看印刷式的電子標簽，仍是未來低價電子標簽的最佳解決方桉之一。
在印刷的制程上，光是印刷轉印油墨的方式就有網版、凹版、凸版及噴墨等四大類，而每種印刷制程特性、品質及成本亦各有不同，若再加入油墨及印刷底材之特性考量，電子標簽印刷的制程及材料特性之組配，將能決定各項電子標簽印件所適合採用的生產方式。
網版印刷
rfid 電子標簽的印刷制程採用此種方桉的桉例最多，如圖〔1〕所示網版印刷就是把導電油墨由網版的另一側以刮刀將油墨掃壓過網版，而油墨則穿透過網版上圖樣的網孔間隙，黏印在被印刷的底材上。網版印刷的油墨黏度較高，且印刷膜厚最高可達100μm，而rfid 電子標簽的印刷膜厚僅約為8~12μm即可，其后干燥則可以uv、ir及熱風等方式來達成。
圖 1、網版印刷
凹版印刷
凹版印刷是將刻有圖樣的金屬薄版（凹刻），固定于印刷機上的印刷轆上，沾上印刷油墨后轉印至被印刷的底材上，詳如圖〔2〕所示。凹版印刷的油墨黏度較網版印刷油墨的黏度來的低，油墨膜厚控制最為精準，亦可符合rfid 電子標簽印制所需膜厚要求，而且印刷速度更快，極適合大量印刷生產，缺點是需投入之設備資金較高。
圖2、凹版印刷
凸版印刷
凸版印刷是將有圖樣的橡膠厚版（凸刻），固定于印刷機上的印刷轆上，在沾上印刷油墨后轉印至底材上，詳如圖〔3〕所示。凸版印刷的油墨黏度比凹版印刷來的低，油墨膜厚也是遠低于前二者的，且印刷導電銀膠時所遭遇的難題最高最難克服，但若能克服種種難題，直接將電子標簽印刷在紙箱上的價格競爭力卻是前二者所不能媲美的。
圖 3、凸版印刷[3]
噴墨印刷
噴墨印刷技術的發展是近十年來的新興技術，其大型噴墨印刷設備的印刷精度最高可50μm左右，此技術也是最有可能成功實現ic電路于制程中直接以印刷方式制作，但缺點是印刷速度慢，設備及油墨成本也是所有印刷制程中最高的，而油墨黏度則是四者制程中最低的，膜厚控制精度卻是最高的。
導電銀膠油墨特性
目前導電銀膠的供應商以美、歐廠商為主，亞洲則有日本及南韓廠商相爭，其油墨特性主要為銀粉成份，而銀粉成份的多寡決定其導電阻抗的特性。另外銀粉顆粒直徑的大小，亦是決定其印刷阻抗均一性的關鍵，表〔1〕為目前市面上幾種導電銀膠油墨的商品特性比較表，由表中可見干燥烘烤溫度及時間比一般印刷油墨高且長，新開發的導電銀膠特性則有朝向低溫快干低耗能及兼顧環保的趨勢。
表1、市售導電油墨特性比較表[4]
底材
在電子標簽印刷制程中，最易被忽略的部份就是電子標簽的底材（substrate）一般來說被動式電子標簽的底材種類不外乎pvc、pet，涂佈白紙、瓦愣紙等，但若要用在uhf頻段時，則底材材質的介電係數會大幅影響電子標簽的rf阻抗[5]，故在設計電子標簽天線時須考量此因素在內。
又瓦愣紙當底材印刷電子標簽時，由于瓦愣紙的毛細孔相當大，且呈不規則分佈，如圖〔4〕所示。當導電油墨印刷上去時，油墨會滲入毛細孔，導致電子標簽天線阻抗分佈不均，此種現象在頻率愈高時問題愈嚴重。
圖 4、 瓦愣紙面微觀
良率
在此所謂的良率除了成品之電子標簽是否能被讀寫器所讀到外，另外使用者更加關心應用良率，就是所謂穩定的讀取距離，而影響此良率的關鍵原因就是成品的rf阻抗。另外印刷天線之附著力、晶片封裝及油墨特性等，則是決定此類產品壽命的重要因素。
導電阻抗
印刷的電子標簽天線，其rf阻抗的特性將會因印刷時油墨的固形份是否均勻的分佈在油墨中、印刷后的膜厚及印刷底材的介電係數等因素所決定[7]，而在印刷界的人都知道印刷出來的第一個印件到最后印出來的印件，顏色的色差或膜厚都會有一定幅度的變動。若再加上底材的品質因素產生介電係數的變動，則二者變動所產生的相加或相抵的結果，就會造成電子標簽印刷天線阻抗超出規格而產生不良品。在hf印刷被動式天線影響較為輕微，但若是在uhf印刷被動式天線遇上此種情形，則產生不良品的機率將大增。即使前二者制程變數變動程度的相加或相抵結果，未使電子標簽天線印刷阻抗超出規格，但仍會使印刷出的uhf 電子標簽產生不同讀取距離的結果。
附著力
當底材使用光滑緊緻材質時，油墨干燥后有可能產生容易剝離的現象，尤其當在半成品或成品捲曲的時候，干燥后之膜厚因彎曲應力而產生剝離或碎裂，但此種情形可借由油墨中樹脂的調整來改善而提昇油墨之附著力。
植晶封裝
植晶制程的良率主要決定于封裝導電膠之rf特性及印件的定位精度，一般來講凸版印刷的精度是最差的，若日后能在制程規劃與初期設備建置調整時就考量，將有效提昇植晶制程的良率。
生命周期
印刷式的電子標簽生命周期是比蝕刻、沖壓或蒸鍍的方式所制成的電子標簽來的短，原因是烘烤干燥后的銀膠與空氣中的水分子或硫分子接觸后，極易產生氧化或硫化現象，而有變色或變黑現象。若此種印刷式的電子標簽被使用貼在會經海運運送的貨品上時，則所面臨的被氧化或塩化現象將更嚴重。天線被氧化、塩化或硫化后電子標簽的rf性能將會隨其變化層的深淺而有所影響，但所幸的是變化層厚度要到一定深度時，才會使rf阻抗有明顯的變化。
結論
在前述四種印刷方式使用于被動式之uhf電子標簽印刷時，其成本及制程良率各有不同，詳如圖〔5〕所示，雖然凹版及凸版兩項印刷技術之良率較低，但是這二種技術之生產成本及產能卻極具競爭力，而日后導電油墨材料若能有突破時圖〔5〕的結果將完全會改觀。
圖5、印刷成本與良率比較
另外，噴墨印刷所需成本目前高仍于凹版及凸版兩項印刷技術，但若將設備投資成本排除時，噴墨印刷所使用之導電油墨價格與凹版及凸版使用之導電油墨價格是相近，且低材料損耗、穩定高良率的制程特性，反而使得總體生產成本最低。
由于印刷天線的性能主要取決于導電油墨之導電粒子固形份含量及印刷膜厚等二樣制程參數，且此二項參數可掌控影響制程良率結果的74%，詳如圖〔6〕所示，這顯示印刷被動式電子標簽技術良率將深受導電油墨材料特性所影響。
圖6、印刷電子標簽制程良率因子分佈
參考文獻
[1] helmut kipphan, handbook of print media, 2001, berlin:springer, pp.57.
[2] helmut kipphan, handbook of print media, 2001, berlin:springer, pp.48.
[3] helmut kipphan, handbook of print media, 2001, berlin:springer, pp.47.
[4] 陳麗娟、張皓鈞, 市售導電油墨特性分析, 正隆rfid 研究季報 2005q4, 正隆股份有限公司, 2005, pp.13.
[5] siden, j.; olsson, t.; koptioug, a.; nilsson, h.-e.;reduced amount of conductive ink with gridded printed antennas, polymers and adhesives in microelectronics and photonics, polytronic 2005. 5th international conference on 23-26 oct. 2005, pp.86 – 89.
[6] 陳麗娟、杜金明, 智慧型紙箱特性分析, 正隆rfid 研究季報 2005q3, 正隆股份有限公司, 2005, pp.08.
[7] robert j. weber, introduction to microwave circuits: radio frequency and design applications, ieee press series on rf and microwave technology 2001, pp.21.
[8] 張皓鈞、杜金明, 主流印刷技術應用于rfid之探討, 正隆rfid 研究季報 2006q3, 正隆股份有限公司, 2006, pp.26.
[9] 張皓鈞、杜金明, 主流印刷技術應用于rfid之探討, 正隆rfid 研究季報 2006q3, 正隆股份有限公司,2006, pp.28.
紙筒印刷或將成新型綠色包裝形式
《澳大利亞報紙印刷及出版業》報告出爐 發行量呈下滑趨勢
2012年新稅則調整印刷機進口關稅
如何預防包裝印刷油墨結皮危害？
3D打印可打奧斯卡頒獎禮服
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