印刷天线式非接触IC卡的制造技术

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者： 人气： 发表时间：2012年02月19日

     前言


　　非接触IC卡的制造工艺的核心内容是天线及应答器（简称INLAY）的制造工艺。目前在制卡业界流行着三种非接触卡天线及应答器制造工艺：绕线、蚀刻和印刷。其中，绕线和印刷工艺在国内得到了较为广泛的应用。而蚀刻工艺主要应用于欧洲地区。国内普遍使用的这两种工艺有何不同，各有什么特点？本文试图从简单介绍印刷天线工艺方面出发，从中论述二种工艺的特点和差异，以供同行商讨。本文仅涉及到符合ISO14443标准，工作频率为13.56MHz的非接触卡。

　　一　结构

　　非接触IC卡与接触式IC卡等其他卡产品的显著不同之处是包括了一个含有天线和芯片的INLAY层。不同INLAY制造方式形成各有特点的制造工艺。不同的制造工艺也影响非接触IC卡的结构设计。一张INLAY的两面都加上印刷层和保护膜即组成了一张非接触IC卡。这里主要介绍INLAY的结构。

　　黄石捷德万达金卡有限公司从1999年开始采用印刷天线制造工艺生产非接触卡，积累了非接触IC卡产品设计经验以及许多实际生产经验。一个典型的印刷天线INLAY的结构图如下：

　　相比之下，此种结构有以下优点：

　　1） 可精确调整电性能参数，优化卡片使用性能；
　　非接触卡电性能参数的设计是十分重要的，它直接影响了非接触卡的读卡距离、对读卡器的适应性和工作稳定性。非接触卡的主要工艺电性能参数有：谐振频率、Q值和阻抗。为了达到最优性能，所有的非接触卡制造工艺都可以采用改变天线匝数、天线外尺寸大小和线径粗细等方法来获得。但印刷天线工艺除此以外，还可以通过局部改变线的宽度，改变芯层的厚度等精确调整到所需的目标值。
　　非接触卡的谐振频率、Q值和阻抗可以采用阻抗仪或者网络分析仪测出。黄石捷德万达金卡有限公司拥有全套安捷伦(Agilent)公司提供的非接触卡检测仪器，可保证为用户设计和制造出高性能、高可靠性的非接触IC卡。
　　2） 适合于各种不同厂家提供的芯片模块；
　　随着非接触卡的广泛使用，越来越多的IC芯片厂家都加入到生产非接触芯片和模块的队伍。由于缺乏统一的标准，各个厂家提供的芯片封装形式不同，电性能参数也不同。而印刷天线INLAY结构的灵活性，可分别地与各种不同芯片以及采用不同封装形式的模块相匹配，以达到最佳使用性能。
　　3） 可任意改变线圈形状，以适应用户表面加工要求；
　　由于非接触卡的多用途使用，以及各种个性化的要求越来越多，将对非接触卡表面及卡体夹层有种种限制，如打凸字、敏感图形等。印刷天线INLAY可按要求，方便地改变成任何形状，甚至为非规则曲线以满足客户要求，而不降低任何使用性能。
　　4） 可使用各种不同卡体材料
　　此种结构可按用户要求，使用不同卡体材料，除PVC外，还可使用PET-G、PET、ABS、PC和纸基材料等。这是其它任何非接触卡制造工艺所很难办到的。如果采用绕线工艺，就很难用PC等材料生产出适应高温等用卡环境恶劣的条件的非接触IC卡。

　　二　INLAY加工工艺流程

　　从此流程可以看出，印刷天线INLAY的制造工艺比较简单，所需的设备投资较小，而效率很高。主要设备为丝网印刷机和冲孔机。几乎所有的制卡厂都有丝网印刷机，可不需要另外投资。芯层和补偿膜的冲孔机的投资不到20万，投资很少。但生产灵活性很强。一条生产线的一般产能可达50，000片/班。在不增加设备情况下，最高可达200，000片/班。由于投资少，降低了生产成本，也减少了投资风险。

　　三　天线印刷工艺

　　从INLAY工艺流程图中，可以看出天线印刷是一道重要加工工序。

    天线印刷工艺与一般丝印工艺相同。首先按设计好的天线形状进行制版。丝印版网目可按实际需要在100—257目/英寸之间选用。丝印油墨的选用十分关键。由于油墨是导电体。油墨主要成份是金属如银和铝等。要选用那些低电阻率，性价比高的油墨。印刷后线圈的电阻一般在2—25Ω之间。根据实际工艺需要，采用单面或双面印刷天线，以获得所需要的感抗。要想获得高质量的天线，还需要在许多细微之外进行改进，如油墨选用、油墨调合、压力大小、网目选用等，丝印版制作和油墨干燥等方面。这些都需要长期的工作实践经验积累。

　　与绕线和蚀刻天线相比，印刷天线工艺的最显著特点是投资少、效率高。一台绕线机价格大约在150万—300万人民币之间。而产能仅为150—350片/小时。而一台全自动丝印机的价格为50—100万人民币，而产能可高达10，000片/小时。

　　四　连接工艺

　　连接是指芯片模块与天线之间的连接，它是所有不同天线制造工艺中的一个关键环节。印刷天线与模块之间一般采用导电胶粘合或者直接压合的方法。印刷天线的搭接面积一般都大于模块连接端的面积，保证了连接的可靠性。再加上层压时高温高压，使得模块引线端与天线搭接块熔为一体。此种连接方式的优点是工艺可操作性高和性能可靠性高。绕线式天线通常采用碰焊的方法连接模块。此种工艺在保证焊头、天线引头和模块位置十分准确以及碰焊电流控制较好的情况下,能保证较好的连接。但因受控的因素较多，易出现虚焊、假焊和偏焊等缺陷。

　　此种连接方法的另一个优点是可使用体积细小的模块，如Mifare one、FCP2模块等方便连接，而不降低产能和增加成本。采用此类小型封装模块，可以制作厚度≤0.5mm非接触IC卡,而且表面无痕迹。现在，在制卡业界已经有将芯片（Die）与印刷天线粘合的工艺应用，并广泛用于智能标签（Smart label）的生产。

　　五　试验结果及使用效果

　　我公司采用印刷天线工艺制作的非接触卡,在我公司的产品试验室经过多次包括冲击、腐蚀、振动、温度变化、紫外线、静磁场和弯扭等试验内容的破坏性试验。每次抗弯扭试验循环均可过到2万次以上,为国际标准要求的10倍。而破坏的原因主要是卡体破裂造成。此外，我公司每年送印刷天线非接触卡到国家质量检测中心进行检测，每次都一次通过，没有反映任何问题。

　　采用此种工艺生产的非接触卡已在国内售出达500万片以上，并出口日本、新加坡、墨西哥和西班牙等国家达150万片以上，用户反映良好。

    在此值得一提的是非接触IC卡使用性能的测试方法。人们常常要求非接触IC卡的读写距离大于10cm或5cm。这种要求是不精确的。读写距离除与卡片有关，更多的与读卡器有关。读卡器的工作频率偏差、输出功率的大小，都会影响读写距离。我们曾遇到这样一种情况：我公司生产的非接触卡在一种型号读卡器上测试的读写距离高达15cm。但换了另一种型号的读卡器后，却无任何响应。判别一种非接触IC卡的使用性能的科学方法是遵循IS014443标准。在读卡器工作频率准确调整为13.56MHz时,卡片分别在最大场强7.5A/m或最低场强1.5A/m情况下,都能正常读写,即为合格产品.质量越高的产品,适应的范围越大.用此种标准可能会减少一些合同纠纷,生产厂家也可用此标准来优化自己的产品设计.

　　六　结论

　　采用印刷天线工艺生产非接触卡具有投资少、性能高和可靠性高等优点，具有较强的生命力，将与绕线式工艺和蚀刻工艺长期并存。丝印天线工艺生产的各类非接触卡已应用于国内外的各行各业，并获得广泛好评。丝印天线工艺必将以其高效率、高可靠性、灵活性更好地满足客户的各种不同需求。