Способы снижения затрат при производстве устройств радиочастотной идентификации

В статье рассматриваются технологи­ческие и экономические проблемы снижения стоимости устройств радио­частотной идентификации (пассивных транспондеров).

А. Мельниченко

Описываемые в статье устройства радиочастот­ной идентификации (или RFID-устройства) состоят из кристалла микросхемы и антенны. Обмен данными с устройствами осуществляется путем их облучения радиосигналом определенной частоты. Его генериру­ет подсоединенный к компьютерной сети сканер, ко­торый посылает сигнал, принимаемый находящимися в диапазоне его досягаемости устройствами. Пос­ледние, в свою очередь, передают свои идентифика­ционные номера, декодируемые сканером и направ­ляемые в компьютерную сеть.

Устройства RFID (Radio Frequency Identification De­vices) делятся на пассивные (бирки или радиочастот­ные метки) и активные. Пассивные получают энергию от радиочастотного поля считывающего устройства и не нуждаются в дополнительном источнике питания, что обеспечивает снижение их стоимости. В активные устройства встраивается собственный источник пита­ния, который обеспечивает увеличение дальности их действия и возможность записи данных.

При Массачусетском технологическом институте (США) создан Центр автоматической идентификации, цель которого – создание общемировой сети RFID для оперативного сбора данных.

Прикладные возможности устройств радиочас­тотной идентификации RFID беспредельны. Как пока­зывают исследования, эволюция в применении уст­ройств RFID вероятно будет происходить в два этапа. Первый, который мы наблюдаем в настоящее время, характерен неглубоким проникновением технологии применения устройств RFID в существующие бизнес-процессы. В течение второго этапа произойдут поис­тине революционные изменения, характеризующие­ся радикальной реорганизацией производства устройств RFID и появлением совершенно новых мо­делей ведения бизнеса на основе применения этих устройств. Во время этой фазы проявится все много­образие возможностей устройств RFID. Аналитики утверждают, что в настоящее время потребители интересуются лишь ценой RFID-бирок, ожидая ее сни­жения. Поэтому промышленность должна направить больше творческих ресурсов для развития техноло­гии их производства.

Основным фактором, влияющим на объем продажи RFID-бирок, является их цена. В настоящее время пла­нируется разработка так называемого “nickel tag” – полнофункционального пассивного RFID-транспон­дера с затратами на изготовление не более пяти центов, его выпуск планируется на 2008 год (в 2003 году его средняя стоимость составляла около 50 центов). Сегодня разрабатываются новые техноло­гические процессы, направленные на снижение сто­имости RFID-бирок, в которой основная доля затрат приходится на процесс монтажа кристалла микро­схемы. Ниже приводятся описания различных спо­собов монтажа.

Монтаж кристаллов микросхем RFID-устройств

Способы монтажа кристалла на подложку извест­ны уже несколько десятков лет. Однако, учитывая не­обходимость изготовления большого количества RFID-бирок, необходимо рассмотреть несколько альтернативных способов монтажа, например, Flui­dic Self Assembly – жидкостной самосборкой и Vibra­tory Assembly – сборки с использованием вибрации (рис. 1).

Большим преимуществом использования серий­ного оборудования для монтажа кристаллов микро­схем является хорошо отработанная технология, обеспечивающая малые инвестиционные риски и вы­сокий процент выхода годных изделий. При монтаже таких кристаллов как сигнальные процессоры или специализированные микросхемы выход годных из­делий составляет, как правило, более 99.95%. Для бо­лее простых изделий, таких как RFID-бирки, выход годных изделий составляет порядка 98%. При усиле­нии контроля за качеством исходных материалов и соблюдением технологических процессов реально его повышение в ближайшее время до 99%, а в обо­зримом будущем и до 99.5%.

Приведем простой расчет потерь на брак. Линия монтажа кристаллов микросхем c полным циклом (на­несение клея, установка кристалла, сушка, проверка и резка) доступна на рынке по цене около 1 млн дол­ларов. При загрузке линии в течение 7400 часов (в год), производительности в 10 тысяч шт. в час и времени эксплуатации 5 лет затраты на монтаж одно­го кристалла составят 0.27 цента. Предположим, что затраты на выпуск RFID-бирки составляют 15 центов. Если объем брака составляет 2%, или 0.3 цента, то потери на брак превышают затраты на монтаж. Этот пример показывает, насколько выгодно использовать оборудование с высокой производительностью, отра­ботанной технологией и малым процентом брака.

Рис. 1. Преимущества и недостатки обычных и нетрадиционных методов сборки

Непосредственный и косвенный монтаж кристаллов

При изготовлении RFID-бирок, как правило, снача­ла изготавливается антенна, на выводы которой уста­навливают кристалл микросхемы. Различают два спо­соба монтажа кристаллов (рис. 2).

Рис. 2. Непосредственный и косвенный способы монтажа кристаллов микросхем

Непосредственный монтаж предусматривает ус­тановку кристаллов с применением flip-chip-технологии. Основное преимущество такого монтажа заклю­чается в более низкой стоимости корпуса благодаря сокращению расхода материалов и числа технологи­ческих операций. При достаточно большой площади выводов антенны операция совмещения кристалла микросхемы с этими выводами существенно упроща­ется. Однако, время, затрачиваемое на операцию монтажа, зависит не только от размера контактных площадок антенны, но и от расстояния между ними. Поэтому выбор необходимо производить из условий компромисса, обеспечивающего максимальную про­изводительность процесса сборки (рис. 3).

Рис. 3. Выбор оптимальных размеров площадки для монтажа кристалла микросхемы

В качестве альтернативы разные производители используют способ косвенного монтажа RFID-крис­таллов. При этом кристалл сначала монтируется на переходную плату, которая в свою очередь соединя­ется с антенной. Операция соединения с антенной может быть выполнена быстро и без больших затрат при использовании, к примеру, технологии обжима. Такой способ монтажа может быть выгоден, в первую очередь, производителям, которые не имеют опыта обращения с бескорпусными кристаллами, однако не желают расходовать средства на приобретение необ­ходимого ноу-хау. В то же время, затраты на заверша­ющую операцию сборки значительно сокращаются. Недостатком этого способа является более высокая стоимость корпуса. Кроме того, вызывает сомнения надежность соединения способом обжима. Поэтому применяются альтернативные способы соединения, такие как пайка или склейка токопроводящими клея­ми. В другом случае соединение образуется после того, как переходная плата приклеена к картону, а ан­тенна создается посредством печати проводящими чернилами поверх переходной платы и картона.

Способы создания соединений

Следующим вопросом является выбор оптималь­ного способа создания соединений. Некоторые из этих способов показаны на рис. 4.

Рис. 4. Способы монтажа flip-chip микросхем

Наиболее привлекательными для создания соеди­нений являются технологии с использованием непро­водящего клея NCA (non-conductive adhesive) и анизо­тропного проводящего клея ACA (anisotropic conductive adhesive). Поскольку нанесенный предварительно эпоксидный клей выполняет функцию недоливка (ве­щества, заполняющего промежуток между кристаллом микросхемы и ее подложкой), эти технологии оказыва­ются очень рентабельными, особенно при использова­нии пастообразных форм (NCP – non-conductive paste, ACP – anisotropic conductive paste).

Для нанесения клея применяются либо трафарет­ная печать, либо дозатор, причем в последнем случае клей расходуется очень экономно, из-за чего рента­бельность еще больше возрастает. По соображениям экономии предпочтение следует отдать непроводя­щему клею (NCP).

Преимуществами применения непроводящего клея являются:

• простота, высокая скорость и малая стоимость
• высокое качество соединений
• отсутствие недоливка
• малое число технологических операций
• низкая стоимость эпоксидной смолы
• высокая термостойкость и низкая стоимость ма­териала подложки.

Иллюстрацией возможности крупносерийного производства изделий с применением клеев NCP на гибкой подложке могут служить смарт-карты, высокая надежность которых подтверждена в процессе их эксплуатации.

При монтаже RFID-кристаллов может быть исполь­зована пайка золотых столбиковых выводов. Ее при­менение оказывается довольно выгодным из-за низ­ких затрат и высокого качества образуемого интер­металлического соединения.

Следует отметить, что технологические процессы с использованием деформации выводов в данном случае неприемлемы из-за более высоких затрат на формирование столбиковых выводов, необходимо­сти увеличения толщины корпуса и наличия дополни­тельной операции нанесения недоливка.

Ультразвуковой метод, а также его сочетание с термокомпрессией (так называемый, термозвуковой метод) в данном случае также неприемлемы, так как для них необходимо жесткое крепление подложки, что невозможно осуществить при использовании тон­ких (около 50 мкм) подложек из недорогих материа­лов, таких как ПЭТФ (полиэтилентерефталат).

Монтаж кристаллов микросхем

В заключение рассмотрим различные варианты технологичеких операций монтажа кристаллов мик­росхем. Классический процесс с использованием непроводящих клеев начинается с нанесения клея (дозатором или с помощью трафарета), за которым следует установка кристалла. Сушка ведется в две стадии: предварительная – ламинирование несколь­ких кристаллов под горячим прессом и окончатель­ная – в термошкафу.

Опыт показывает, что число технологических опе­раций можно уменьшить, используя те, которые либо не требуют сушки в печи, либо не требуют ламиниро­вания под прессом.

В таблице показана зависимость производитель­ности оборудования для горячего прессования от числа одновременно ламинируемых кристаллов и времени сушки (с учетом потерь времени на открыва­ние и закрывание пресса – около 2 секунд).

Производительность оборудования для горячего прессования при групповом ламинировании кристаллов

С учетом того, что производительность установ­щика flip-chip кристаллов составляет 7500-10 000 шт. в час (в зависимости от размера антенны), основным фактором, ограничивающим скорость выпуска изде­лий, является операция горячего прессования, осо­бенно при изготовлении антенн УВЧ больших разме­ров. Поэтому для разработки оптимальных способов монтажа и сушки в скором времени могут потребо­ваться немалые инвестиции.

RFID-бирка за 5 центов

Возвращаясь к вопросу, реально ли в течение бли­жайших лет снизить коммерческую цену RFID-бирки до пяти американских центов, приведем перечень затрат на ее изготовление:

• затраты на производство кристаллов микросхем (шлифовку, формирование выводов, резку плас­тины) – менее 2 центов
• изготовление антенны – менее 1 цента
• сборка, включая монтаж кристала, – менее 1 цента
• изготовление этикетки – менее 1 цента.

Общие затраты – менее 5 центов.

По словам изготовителей микросхем, затраты на изготовление микросхем для RFID-бирок при боль­ших объемах производства реально снизить до вели­чины, не превышающей два цента за штуку.

Для уменьшения затрат на изготовление RFID-би­рок важно оценить различные технологические прие­мы, используемые при их производстве. Введение новых технологий будет, по существу, зависеть от свя­занного с ними процента брака. В этой статье была представлена точка зрения, основанная на проверен­ной технологии, при которой затраты на сборку в на­стоящее время не превышают 0.68 цента, а затраты на монтаж кристалла составляют менее 0.22 цента. В перспективе существует возможность снизить об­щие затраты на сборку RFID-бирок до величины ме­нее 0.25 цента, а на монтаж кристалла – до величины менее 0.11 цента.