RFID 芯片封装技术介绍 芯片设计及制造www.2ic.cn u!v*v;G;R4k8j 1.1 芯片设计技术 按照能量供给方式的不同，RFID 标签可以分为被动标签，半主动标签和主动标 签，其中半主动标签和主动标签中芯片的能量由电子标签所附的电池提供，主动 标签可以主动发出射频信号。按照工作频率的不同，RFID 标签可以分为低频 (LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。不同频段的 RFID 工作原理不 同，LF 和 HF 频段 RFID 电子标签一般采用电磁耦合原理，而 UHF 及微波频段的 RFID 一般采用电磁发射原理。不同频段标签芯片的基本结构类似，一般都包含 射频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元等模块。其中，射频前端模块主要 用于对射频信号进行整流和反射调制； 模拟前端模块主要用于产生芯片内所需的 基准电源和系统时钟，进行上电复位等；数字基带模块主要用于对数字信号进行 编码解编码以及进行防碰撞协议的处理等；存储器单元模块用于信息存储。“L,G#F+g3a 标签天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响，标签到贴标签物体的距离， 贴标签物体的介电常数，金属表面的反射，局部结构对辐射模式的影响等都将影 响天线的性能。半导体,芯片,集成电路,设计,版图,芯片,制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,eda,process,layout,package,FA,QA,diffusion,etch,photo,implant,metal,cmp,lithography,fab,fabless“j.L#A4?5S.H-l0M9K3w,W l 在国内，有近百家的天线公司或工厂。这些天线厂家主要的产品是基本上传统的 卫星接收天线、电视接收天线、车载天线，蜂窝基站天线等等，相对于从事 RFID 天线设计的单位很少，基础比较薄弱。国内 LF 和 HF 的 RFID 系统的天线设计比 较成熟。对于特定环境应用的 UHF 频段 RFID 天线的设计和应用比较成熟，比如 应用于铁路运输上的电子车号自动识别系统， 该系统中阅读器天线为安装在地面 的微带天线，并且带有很坚固的防护外壳。标签体积较大并且封装在塑料壳中， 标签天线可靠性高、加工工艺成熟但是成本高。在读写器和标签位置、方向不固 定、或者周围电磁影响严重的一些系统中存在识别准确率不高，测试一致性不理想的问题。半导体,芯片,集成电路,设计,版图,芯片,制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,eda,process,layout,package,FA,QA,diffusion,etch,photo,implant,metal,cmp,lithography,fab,fabless+p;f-w 印刷天线与芯片的互连上，因 RFID 标签的工作频率高、芯片微小超薄，最适宜 的方法是倒装芯片（Flip Chip）技术，它具有高性能、低成本、微型化、高可 靠性的特点，为适应柔性基板材料，倒装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天 线焊盘的互连。8ct+Z4r)l)a! 柔性基板要实现大批量低成本的生产，以及为了更有效地降低生产成本，采用新 的方法进行天线与芯片的互连是目前国际国内研究的热点问题。 为了适应更小尺寸的 RFID 芯片，有效地降低生产成本，采用芯片与天线基板的 键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势。 其中一具体做法 （中国专利） 是：大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造，在小块基板上完成芯片 贴装和互连后，再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。 与上述将封装过程分两个模块类似的方法是将芯片先转移至可等间距承载芯片 的载带上，再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。该方法中，芯片的倒装是靠载 带翻卷的方式来实现的，简化了芯片的拾取操作，因而可实现更高的生产效率。 特别是目前正在研究发展中的流体自装配（FSA）、振动装配（Vibratory assembly）等技术，理论上可以实现微小芯片至载带的批量转移，极大地提高芯 片与天线的封装效率。 www.2ic.cn#m5u54n$j*R 2.3.2 封装关键工艺半导体,芯片,集成电路,设计,版图,晶圆,制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,eda,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA,photo,etch,implant,diffustion,lithography,fab,fabless1E4g0x#P:gw(B RFID 标签因不同的用途呈现多种封装形式，因而在天线制造、凸点形成、芯片 键合互连等封装过程工艺也呈多样性。 （1）凸点的形成半导体,芯片,集成电路,设计,版图,晶圆,制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,eda,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA,photo,etch,implant,diffustion,lithography,fab,fabless:Y.g3w*e P8a;d4XG%d7u9Z%b4A 目前 RFID 标签产品的特点是品种繁多，但并非每个品种的数量能形成规模。因 此，采用柔性化制作凸点技术具有成本低廉，封装效率高，使用方便，灵活，工 艺控制简单，自动化程度高等特点。不仅可解决微电子工业中可变加工批量、高 密度、低成本封装急需的难题，还为目前正蓬勃兴起的 RFID 标签的柔性化生产 提供条件。半导体技术天地,L u/t*Rv RFID 封装设备由一系列工艺装备组成的自动化生产线，各工艺环节相对独立， 同时又相互制约，要实现高效率的生产，必须综合考虑各个工艺环节的要求；从 技术的角度，它是集光、机、电、气、液于一体的高精技术装备，涉及时间、压 力、温度等多物理场的各种物理现象，需要解决速度、精度、效率、质量、可靠 性、成本等多方面的因素的影响。开发高性能低成本的 RFID 制造装备一直是业 界关注的焦点问题。 目前 RFID 产品的封装设备只有国外一些厂商提供，柔性基板的标签均选用从卷到卷的生产方式，该生产线包括基板进料、上胶、芯片翻转贴装（倒装）、热压 固化、测试、基板收料等工艺流程。另一种生产方式为先制造 RFID 模块，然后 将其与天线基板进行键合组装。 该方法由独立的可精密定位的芯片转移设备将芯 片置于载带构成芯片模块，再由芯片模块将芯片转移至天线基板，其优点是两次 转移可独立并行执行，芯片翻转通过载带的盘卷方式实现，因而生产效率得以提 高。2O%U,L1l:I RFID 封装设备的核心内容是如何在多物理因素作用下，使键合机及相关工艺受 控完成高质量的接合界面。通常涉及几方面的关键技术：多自由度柔性、灵活的 执行机构，基于视觉信息引导的识别与定位，胶固化及滴胶过程的时间、温度和 压力控制，不同工艺单元技术的集成。 国内拥有自主知识产权的倒装封装设备几乎是空白， 而国外厂商设备价格非常昂 贵，一般需要上百万美元。如果直接购买进口设备，势必大大增加生产成本。特 别需要指出的是目前 RFID 封装设备的技术工艺还在不断的发展中，现有的国外 制造装备的技术水平依然无法满足人们对 RFID 产品低成本制造的要求。目前国 内一些研究机构正在从事电子制造装备与技术的研发工作，并在 RFID 制造相关 技术取得了突破。充分利用国内现有的基础以及 RFID 发展的契机，鼓励发展具 有自主知识产权的RFID封装设备对实现RFID的低成本和电子制造装备产业都是 非常有意义的。半导体技术天地0T*OK;c“ F/v 3 RFID 读写器设计与制造 RFID 读写器的任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答， 对标签的对象标识信息进行解码， 将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输 到主机以供处理。 根据应用不同， 阅读器可以是手持式或固定式。 读写器在 RFID 系统中起到举足轻重的作用，首先读写器的频率决定了 RFID 系统的工作频段； 其次，读写器的功率直接影响射频识别的距离。 读写器可以简化为控制系统和由接收器和发送器组成的射频模块两个基本的功 能块，控制系统通常采用 ASIC 组件和微处理器来实现其功能，主要功能为：与 应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动作指令；控制与标签的 通信过程；信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和标签之间传送的数 据进行加密和解密；进行读写器和标签之间的身份验证。半导体,芯片,集成电路,设计,版图,芯片,制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,eda,process,layout,package,FA,QA,diffusion,etch,photo,implant,metal,cmp,lithography,fab,fabless0y+Q6l0Q*s 射频模块的主要功能为：产生高频发射能量，激活标签并为其提供能量；对发射 信号进行调制，用于将数据传输给标签；接收并解调来自标签的射频信号。0_5O4g1;t*;v5o 在极低能量供给的工作条件下，协议级和电路级的优化都已几近极限，所以进一 步的优化应该把这两者联系起来，结合电路实现来考查协议的功耗。RFID 系统 中电子标签所获能量微弱，无力再向周围发射无线电波，只能反射来自读写器的 电磁波；不同电子标签对来自读写器的辐射波的反射具有相同的频谱特征，读写 器不能区分； 电子标签的电路设计不能太复杂，电子标签和电子标签之间无法 互相联络来协调数据回送（反射）的过程。这样碰撞问题的解决只能依靠读写器 利用发射出去的数据来控制电子标签的响应并分析来自电子标签的响应， 通过反 复询问，调整控制，最终使某一时刻只有一个电子标签响应读写器，并且每一个 电子标签都有响应机会。解决防碰撞问题有以下几种方法：空分多路法使不同的 电子标签分别进入读写器的有效工作空间； 频分多路法使不同的电子标签分别使 用不同的工作频率；时分多路法使不同的电子标签分别占有不同的通讯时间。