智能標簽天線的絲網印刷工藝參數研究

一、前言
　　目前，采用導電油墨印刷RFID標簽天線主要應用絲網或凹版印刷方式進行設計制造， RFID標簽天線對其導電率的要求越來越高，往往需要導電油墨中含有較高的金屬顆粒含量。在固液比較高的情況下，絲網印制具有均勻致密、表面光滑、分辨率高的天線線路，但研究印刷工藝參數對標簽天線電學性能的研究國內還不多見，是目前采用印刷方式生產標簽天線的企業所面臨的一個難題。為了確定關鍵參數進行工藝改進，有必要對導電油墨印刷過程中各環節工藝與性能關系進行仔細分析。本文采用含銀導電油墨和絲網印刷的方式印制標簽天線，并剖析導電油墨和絲網印刷的關鍵參數對該工藝過程的影響。
　　二、導電油墨絲網印刷方式的選擇
　　絲網印刷一般分為接觸式和非接觸式印刷兩種，在接觸式印刷中基板直接與絲網接觸，刮板在絲網上移動時，不會使絲網傾斜和變形；非接觸式印刷，絲網和基板之間有一固定的距離，刮板推動漿料流過絲網時，使絲網傾斜，并與基板接觸，印出圖形，由于印刷后絲網即反彈回位，不會將印刷圖案蹭模糊。為獲得良好的印刷質量避免蹭臟，一般采用非接觸式印刷作為導電標簽印刷方式，圖一為非接觸式印刷的過程示意圖。
　　圖一 非接觸式印刷的過程示意圖
　　三、絲網印刷墨層厚度的計算
　　目前，能應答器線圈的墨層厚度一般為6μm以上，線圈導線之間的間隙根據應答器規格而定，小規格應答器是發展趨勢。絲網印刷的墨層厚度從4μm～70μm不等，可調范圍廣，是目前印刷RFID應答器線圈的技術。在網目調絲網印刷中，墨層厚度的控制占有重要地位。
　　按照透墨量的內涵不同，可將透墨量分為兩種，即理論透墨量和實際透墨量。
　　1.理論透墨量
　　理論透墨量是指由絲網技術參數所決定的單位面積內透過絲網網孔油墨的總量。由于理論透墨量是由絲網的技術參數所決定的，絲網的基本技術參數包括絲徑、目數和絲網厚度，其它的參數都可以通過這幾個參數計算得到。
　　所以理論透墨量的函數表達式可以寫成如下形式，即：
　　                               （1）
　　其中，為理論透墨量，單位cm3/m2，為絲網目數，單位目/cm，為絲網的絲徑，單位為μm，為絲網厚度，單位為μm。圖二為絲網技術參數示意圖。
　　圖二 絲網技術參數示意圖
　　從上面的分析可以看出，絲網的目數是決定理論透墨量的主要因素，如果能找出絲網目數與理論透墨量的對應關系，就可以基本上確定理論透墨量的大致范圍。
　　決定絲網印刷墨層厚度Thv的關鍵因素是絲網開口的透墨量G。透墨量的大小與絲網網孔的體積V成正比。而絲網網孔體積V主要由絲網目數M決定，如圖三所示。
　　圖三 絲網技術參數
　　絲網目數M是指單位長度內的網孔數量，網孔邊長L為：
　　                       （2）
　　網孔面積                  （3）
　　靜態時，絲網厚度t近似為：
　　                                  （4）
　　因此，網版靜態時，一個絲網網孔的透墨量G也即絲網網孔的體積V，其值約為：
　　             （5）
　　油墨轉移到承印材料表面，則承印材料上的墨層厚度Thv近似為透墨量/面積：
　　                   （6）
　　目前，絲網網版的絲線直徑zui小為30μm。一般來說，絲網目數M越小，絲網的絲線直徑d相應增大。因此，從公式（6）可見：理論計算的油墨層厚度Thv應隨絲網網版的目數增大而減小。
　　2.實際透墨量
　　由于影響透墨量的因素比較復雜，除了絲網技術參數外，在印刷中還有其他因素也會對透墨量產生較大影響，所以，通常把印刷中在一定印刷條件下所獲得的透墨量稱為實際透墨量。絲網印刷實際墨層厚度由絲網的結構參數和實際印刷條件共同影響決定。所以，絲網印刷的墨層厚度是絲網技術參數和印刷加工條件的函數。即：
　　                       （7）
　　其中：Thv-絲網印刷的墨層厚度；M-絲網目數；m-絲網材料；δ-網孔形狀；θ-刮板角度；ξ-刮板硬度；τ-油墨黏度；α-上墨量；ρ-印刷壓力；ν-印刷速度；ε-印刷環境。如圖四所示，當印刷壓力增大，絲網網版壓縮，圓形絲線變成橢圓形。
　　圖四 絲網網版受壓變形示意圖
　　刮板的硬度也會影響網版上的透墨量。通常刮板材料的硬度應選擇在肖氏硬度60度左右為好。而刮板在版面上的刮印角度越大，透墨量越少，刮印角越小，透墨量就越大。刮板與印版的夾角一般平面印刷時刮印角度70度左右為宜，曲面印刷時刮印角在50度左右為宜。刮板的移動速度也就是絲網印刷速度，刮板移動速度對油墨的轉移量以及對油墨轉移的均勻程度都有一定的影響。刮板移動速度越快，透墨量越少；反之，透墨量越多。一般來說，當絲網網版繃緊后網孔的體積比靜態時縮小15%，在正常印刷條件下網版變形后的網孔體積又縮小15%左右，因此，網版上實際墨層厚度比理論墨層厚度減少25%左右。
　　3.論證絲網網版目數與墨層厚度的關系
　　針對以上分析得出的結論，本實驗采用某平面絲網印刷機，聚酯絲網網版，刮板硬度為肖氏60度，刮板角度650，刮板移動速度為4米/分鐘，導電油墨的黏度為90pa.s，在其他印刷加工條件相同的情況下，僅改變絲網網版目數，測量墨層厚度，分析墨層厚度H與網版目數n之間的關系，找出不同絲網目數（從10T目/inch到700T目/inch）所對應的理論透墨量見表1，發現兩者之間存在良好的相關性，并繪制出其關系曲線，如圖五所示。
　　表1 RFID標簽天線的印刷制造工藝參數
　　圖五 絲網目數與理論透墨zui關系曲線
　　分析這一曲線，可發現存在以下規律：
　　①隨著絲網目數的增加，其理論透墨量相應減小。
　?、诋斀z網目數為低目數（10～50T目/inch）時，即曲線的1～2段，隨著絲網目數的增加，理論透墨量急劇下降，其理論透墨量從40μm下降到20μm，說明絲網目數對理論透墨量的影響非常之大。在這種情況下，選擇絲網目數時應該特別慎重。
　?、郛斀z網目數為中低目數（50T～200T目/inch）時，即曲線的2～3段，隨著絲網目數的增加理論透墨量相應下降，理論透墨量從20μm下降到12μm，說明絲網目數對理論透墨量的影響有所緩解。
　?、墚斀z網為中高目數（200T～450T目/inch）時，即曲線的3～4段，隨著絲網目數的增加，理論透墨量稍有下降，其理論透墨量從12μm下降至8μm。
　?、莓斀z網目數為高目數450～700T目/inch時，即曲線4～5段，墨層厚度Thv變化很小，從8μm降低到7μm，幾乎可以認為是不變化的。說明絲網目數對理論透墨量的影響更趨于平緩。因此，在這個范圍內選擇絲網時，應盡量選擇較低目數的絲網。
　　由于RFID應答器線圈在整個導線范圍內均勻性要求都很高，筆者用聚酯絲網網版進行了大量的實驗印刷，結果發現低于200目/inch的絲網網版印刷得到的線圈粗糙，不能滿足RFID的工作要求。采用250目/inch的絲網網版、高質量的導電油墨，印刷得到的線圈墨層厚度精度能滿足RFID的工作要求。