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纳米导电银技术在RFID领域的应用
摘要：纳米和微米技术，生产出的超细导电银浆JLY-101型，可以印刷出超细银线，其宽度30 – 40 µm, 厚度 3 – 4 µm, 如图二所示。这是世界上首个通过印刷方法研发印刷的超细银导线。这样，可以大幅度的降低用材从而降低RFID 天线的制造成本。
关键词：银浆及天线
射频识别 (RFID) 标签是一种新兴的标签技术, 在标签内置芯片存入资料, 信息将被以电子技术的方式植入智能标签内, 应用于物流、保安、健康、门禁控制、产品安全、身份认证以及其他场合. RFID使用的频率有6种，分别为135KHz、13.56MHz、43.3-92MHz、860-930MHz（即UHF）、2.45GHz以及5.8GHz。无源RFID主要使用前二种频率。2007年， 高频（13.56MHz）RFID 销售约25亿美元。大约是其它频段同类产品的10倍。 在过去几年，全世界发达国家， 率先启用，为信贷、借记、帐户、银行提供了一种便捷的手段，近几年来，RFID在中国也有了飞速的发展， 仅国民身份证卡一项的市场价值就在60亿美元左右。另外电子护照 （e-passport） 也是RFID巨大的市场。其它日用消费品，也在不断扩大使用范围， 成为一种方便快捷的付费方式，企业顾客双双得益。 如伦敦地铁Oyster 非接触式RFID 付费卡， 2007年发行了数千万张，极大地降低了管理服务成本， 提高了地铁效率，同时使得消费者受益于更加廉价的地铁票费。 不仅如此，RFID 职能卡的个性化（一一对应关系），也使各种服务行业得到了非常有价值的顾客统计数据。伴随着国家金卡工程建设的蓬勃发展，IC卡技术和近期快速发展的RFID技术已经广泛应用于各行各业，极大地推动了我国信息化产业的发展，对国民经济与社会生活的协调发展起着重要作用。
图1 是 美国Texas Instrument 最新推出的超薄非接触付费FIRD 智能卡结构图。目前芯片造价可以达到 < 1 美分。而天线的制造费用因工艺不同而各异， 但是总体造价远高于芯片。传统铜线缠绕技术工艺落后， 远远满足不了超大规模生产量的要求。传统的铜版刻蚀工艺，目前造价相对适中， 但是工艺复杂，特别是工艺过程对环境的污染引起一定程度的关注。另外铜天线的使用， 必须有防氧化措施， 因为铜极易被氧化，而氧化后的铜， 将破坏导电性， 特别是表面导电性能（祥见后面讨论部分）。
图1美国Texas Instrument 最新推出的超薄非接触FIRD卡
射频天线
射频芯片
用传统的丝网印刷工艺和高新技术生产导电银浆料（油墨）来印制RFID天线越来越为人关注，这种制造方法具有如下特点：
工艺极为简单而且能够进行超大规模生产（如日单位产量达上千万个甚至更高），极大地提高生产效率；
银具有良好的导电性，即便是表面被氧化，仍然保持良好的导电性。
没有像铜板刻蚀那样的环境污染。
不足：目前导电银浆料生产RFID天线主要问题是其原料成本高，导致单个成本造价高。
如何大幅度降低RFID天线成本是大家关心的问题。
措施之一：有效地大幅度地降低银浆料的使用量。
如图一所示的天线，目前的丝网印刷工艺大多是印刷线宽在0.5 – 1.0 mm，平均厚度 0.01 mm左右。其银的耗材较大。
我公司采用纳米和微米技术，生产出的超细导电银浆JLY-101型，可以印刷出超细银线，其宽度30 – 40 µm, 厚度 3 – 4 µm, 如图二所示。这是世界上首个通过印刷方法研发印刷的超细银导线。这样，可以大幅度的降低用材从而降低RFID 天线的制造成本。
图二：聚隆公司研发的超细导电银浆料：印刷银线微观结构
30 µm
措施之二：采用银包铜，降低原材料的成本。
铜是个良导体。问题是铜易于氧化从而破坏了导电性，特别是高频射频天线的导电性。 关于介绍铜氧化的理论很多。这里重点考虑的是其常温下的氧化问题。室温到100度，表面主要生成Cu2O；通常看到的铜的颜色变化，大多基于Cu2O产物所致。银可以有效地阻止铜氧化，并且有着良好的导电性能。理论上讲，用银包铜做成的导电浆料应该和纯银浆料的导电性能相差不远，但是，目前的实验结果表明，两者的导电性能相差很大。这不是理论问题， 而是银包铜材料的工艺和技术需要改善。目前的银包铜，还存在若干问题，其中之一是铜粉没有能够被银全部或大部分包裹起来。图三是一个微观结构图，其中的铜粉就是没有被银包裹起来。
图三：银包铜的缺陷：铜粉没有被银包裹起来
措施之三：结合措施之一，进一步提高超细银线的导电性。
导电银浆料的基本组成是银及高分子材料。我公司最新推出的非接触RFID卡专用导电银浆料，可以在45 ºC 的条件下，12-15分钟干燥，满足了目前非接触RFID天线的需要。如果做成如图二所示超细银导线，其成本无疑会大幅度降低，但是其电阻也会升高，这样势必影响RFID天线的工作性能。主要原因是银粒与银粒之间没有完全连接起来，其间 存在高分子联接料，而高分子是非导体， 这样的微观结构势必影响导电性。为此，采用新型高分子联接料，配合纳米级超细银粉，从技术上解决银低温烧结的问题，从而把离散的银粒与银粒，“烧结“起来，这样比传统的导电银浆的导电性会提高2个数量级，可以满足RFID 射频天线的工作性能要求。图四是聚隆公司正在研发的低温烧结型非接触RFID卡专用浆料。从图中可以看出，银与银之间联结一体，形成了网状结构。目前可以在500 ºC实现超细印刷银线的“烧结”。这里需要解释的是为什么银的熔点在961 ºC 而500 ºC就融化了。通过热力学基本定律可以得到以下理论：
Tm / Tom = 1 – (2σM )/(rρ∆H)
其中Tm 是银粒＝ｒ时的熔点，Tom 是标准状态下，银的本体熔点，σ＝表面张力， M ＝分子量， ρ＝密度， ∆H＝熔融时的能量变化（热晗）。
该公式表明，银粒的尺寸越小，银的熔点越低。当然，这只是个理论模型， 可以定性地说明观察到的现象。公司最终的目标研发出烧结温度为150 ºC左右超细纳米级导电银浆料（油墨）。
图四： 500ºC 低温烧结银的微观结构图。
总之，通过以上超细银线技术，加上烧结措施提高导电性，有希望把目前的RFID 天线造价成倍的降低，为RFID技术推广发挥重要的作用。
成功案例：捷德金卡有限公司是由德国G&D集团合资的现代化大型制卡企业，拥有世界领先的制卡技术，特别是对非接触智能卡天线用导电银浆有较高的要求，同时又要控制降低成本。我公司生产的天线用丝网印刷导电银浆在该公司成功应用，主要性能优于进口产品，并且成本有大幅度降低。该型产品填补了国内空白，已向国家专利局申请了发明专利，该产品的实验成功必将对智能卡及RFID的性能成本产生积极深远的影响。
图1 是 美国Texas Instrument 最新推出的超薄非接触付费FIRD 智能卡结构图。目前芯片造价可以达到 < 1 美分。而天线的制造费用因工艺不同而各异， 但是总体造价远高于芯片。传统铜线缠绕技术工艺落后， 远远满足不了超大规模生产量的要求。传统的铜版刻蚀工艺，目前造价相对适中， 但是工艺复杂，特别是工艺过程对环境的污染引起一定程度的关注。另外铜天线的使用， 必须有防氧化措施， 因为铜极易被氧化，而氧化后的铜， 将破坏导电性， 特别是表面导电性能（祥见后面讨论部分）。
图1美国Texas Instrument 最新推出的超薄非接触FIRD卡
射频天线
射频芯片
用传统的丝网印刷工艺和高新技术生产导电银浆料（油墨）来印制RFID天线越来越为人关注，这种制造方法具有如下特点：
工艺极为简单而且能够进行超大规模生产（如日单位产量达上千万个甚至更高），极大地提高生产效率；
银具有良好的导电性，即便是表面被氧化，仍然保持良好的导电性。
没有像铜板刻蚀那样的环境污染。
不足：目前导电银浆料生产RFID天线主要问题是其原料成本高，导致单个成本造价高。
如何大幅度降低RFID天线成本是大家关心的问题。
措施之一：有效地大幅度地降低银浆料的使用量。
如图一所示的天线，目前的丝网印刷工艺大多是印刷线宽在0.5 – 1.0 mm，平均厚度 0.01 mm左右。其银的耗材较大。
我公司采用纳米和微米技术，生产出的超细导电银浆JLY-101型，可以印刷出超细银线，其宽度30 – 40 µm, 厚度 3 – 4 µm, 如图二所示。这是世界上首个通过印刷方法研发印刷的超细银导线。这样，可以大幅度的降低用材从而降低RFID 天线的制造成本。
图二：聚隆公司研发的超细导电银浆料：印刷银线微观结构
30 µm
措施之二：采用银包铜，降低原材料的成本。
铜是个良导体。问题是铜易于氧化从而破坏了导电性，特别是高频射频天线的导电性。 关于介绍铜氧化的理论很多。这里重点考虑的是其常温下的氧化问题。室温到100度，表面主要生成Cu2O；通常看到的铜的颜色变化，大多基于Cu2O产物所致。银可以有效地阻止铜氧化，并且有着良好的导电性能。理论上讲，用银包铜做成的导电浆料应该和纯银浆料的导电性能相差不远，但是，目前的实验结果表明，两者的导电性能相差很大。这不是理论问题， 而是银包铜材料的工艺和技术需要改善。目前的银包铜，还存在若干问题，其中之一是铜粉没有能够被银全部或大部分包裹起来。图三是一个微观结构图，其中的铜粉就是没有被银包裹起来。
图三：银包铜的缺陷：铜粉没有被银包裹起来
措施之三：结合措施之一，进一步提高超细银线的导电性。
导电银浆料的基本组成是银及高分子材料。我公司最新推出的非接触RFID卡专用导电银浆料，可以在45 ºC 的条件下，12-15分钟干燥，满足了目前非接触RFID天线的需要。如果做成如图二所示超细银导线，其成本无疑会大幅度降低，但是其电阻也会升高，这样势必影响RFID天线的工作性能。主要原因是银粒与银粒之间没有完全连接起来，其间 存在高分子联接料，而高分子是非导体， 这样的微观结构势必影响导电性。为此，采用新型高分子联接料，配合纳米级超细银粉，从技术上解决银低温烧结的问题，从而把离散的银粒与银粒，“烧结“起来，这样比传统的导电银浆的导电性会提高2个数量级，可以满足RFID 射频天线的工作性能要求。图四是聚隆公司正在研发的低温烧结型非接触RFID卡专用浆料。从图中可以看出，银与银之间联结一体，形成了网状结构。目前可以在500 ºC实现超细印刷银线的“烧结”。这里需要解释的是为什么银的熔点在961 ºC 而500 ºC就融化了。通过热力学基本定律可以得到以下理论：
Tm / Tom = 1 – (2σM )/(rρ∆H)
其中Tm 是银粒＝ｒ时的熔点，Tom 是标准状态下，银的本体熔点，σ＝表面张力， M ＝分子量， ρ＝密度， ∆H＝熔融时的能量变化（热晗）。
该公式表明，银粒的尺寸越小，银的熔点越低。当然，这只是个理论模型， 可以定性地说明观察到的现象。公司最终的目标研发出烧结温度为150 ºC左右超细纳米级导电银浆料（油墨）。
图四： 500ºC 低温烧结银的微观结构图。
总之，通过以上超细银线技术，加上烧结措施提高导电性，有希望把目前的RFID 天线造价成倍的降低，为RFID技术推广发挥重要的作用。
成功案例：捷德金卡有限公司是由德国G&D集团合资的现代化大型制卡企业，拥有世界领先的制卡技术，特别是对非接触智能卡天线用导电银浆有较高的要求，同时又要控制降低成本。我公司生产的天线用丝网印刷导电银浆在该公司成功应用，主要性能优于进口产品，并且成本有大幅度降低。该型产品填补了国内空白，已向国家专利局申请了发明专利，该产品的实验成功必将对智能卡及RFID的性能成本产生积极深远的影响。
