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印刷天线式非接触IC卡的制造技术简介

来源:中国一卡通网  作者:茗澜 收编  发布时间:2007-05-23 09:49:13  字体:[ ]

关键字:印刷天线  IC卡  非接触  INLAY  

摘   要: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。

      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。 
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