CN101582128A - Rf器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低成本无源RFID标签，所述RFID标签在RF IC芯片和天线之间使用电容或电感耦合。直接在所述RF IC芯片的表面上形成耦合元件。

Description

RF器件

技术领域

本发明涉及射频器件，更具体地涉及射频识别(RFID)器件。

背景技术

信息管理系统正发展成跟踪诸如产品、车辆、人、动物等的各种移动实体的位置和/或状态。广泛使用的跟踪技术使用物理地放置在受跟踪物品上的所谓RFID标签。本文提及的受跟踪“物品”旨在包括刚才提到的各种实体，以及更常见的产品库存。

RFID标签可以是有源或无源的。有源标签通常具有相关的电能系统，可以在适度距离上传送数据。无源系统缺乏内部电能，但从进入的RF信号中获得传送信号电能。但是，无源RFID标签的传送距离是有限的。读取分布在宽广的物理区上的大量RFID标签需要大量的RFID读取器或移动RFID读取器的可靠系统。对于这个问题，一种推荐的解决方案是在产品上使用有源RFID标签。但是，有源标签相对较贵。尽管有源标签使跟踪系统具备更多功能，并且它们更有效地传送，但是，在被跟踪的库存较大的情况下，无源标签通常更划算。

在实际商业应用中，无源RFID器件应该是廉价的，并且容易应用于受跟踪物品。常见的做法是在小型RF IC器件上形成RF部件。将RF IC器件和RF天线安装在基底，通常是纸张或塑料上。

在制造像刚才所述的那种廉价RFID标签的过程中，在如下方面受到技术和经济上的挑战：在适当的廉价基底上制作RF IC芯片和RF天线的组合体，并且将基底附在受跟踪物品上。

在美国专利公布20080061983中描述了对这些挑战的吸引人的解决方案，并要求保护该方案。RF天线在基底上形成为弯曲的金属通道。RF IC器件与陶瓷芯片载体相接合，并且陶瓷芯片载体电容性地连接至天线。这种解决方案是有效的，但是要在RFID标签上添加另一个元件，使得RFID标签增加另外的成本。

发明内容

我们开发出了改进型无源RFID标签，其在RF IC芯片和天线之间使用电容或电感耦合，但是更简单并且更节省成本。直接在RF IC芯片上形成耦合元件，从而省去了现有技术的陶瓷芯片载体，并且显著降低了RFID标签的成本。

附图说明

当结合附图考虑时，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是示出RF天线和RF IC芯片的组合体的一种布置的RFID标签的示意图；

图2是示出RF天线和RF IC芯片的组合体的一种可替代布置的RFID标签的示意图，以例示元件的这种组合体的各种有用的物理结构；

图3例示了一种用于将RF IC芯片附在RF天线上的方法；

图4示出了一种使用陶瓷芯片载体将RF IC芯片附在RF天线上，并且通过电容耦合将RF IC芯片与天线相耦合的一种可替代方法；

图5A和5B一般性地例示了直接在RF IC芯片上形成电容耦合元件的本发明的做法；

图6一般性地例示了RF IC芯片和天线被电感耦合的对图5A做法的一种可替代做法；

图7-9是用于形成图5的实施例的薄膜处理步骤的示意性例示；和

图10是示出本发明的优选实施例的与图5A的那个类似的视图。

具体实施方式

图1是具有基底11、天线段13a和13b、以及RF IC芯片12的无源RFID标签的示意性表示。RFID标签被尽量实际地小型化以允许半导体IC芯片12，通常是CMOS RF收发机/存储器芯片、和天线的必要元件。这种设计下的天线具有每一个与RF IC芯片电连接的段13a和13b。RF IC收发机/存储器芯片包含利用物品数据进行编码的只读存储器。天线是通过电感耦合从RFID读取器接收少量电能的弯曲金属导线。当RF IC芯片接收到询问信号时，对它供电，以便经由天线将物品数据传送回RFID读取器。

无源RFID标签设计可供在许多尺寸和设计上使用。共同特征是平台、IC芯片和天线。取决于应用，平台可以是玻璃、陶瓷、环氧树脂、纸张、纸板或任何适当的塑料。为了使成本较低，基底可以是重纸或塑料。RF天线段13a和13b通常通过丝网印刷或适于淀积金属图案的其它低成本工艺印刷在基底上。用于天线的金属通常是铝或铜。在无源RFID标签中不包括板上电源。用于标签的电能从位于标签附近的RF信号中获取。标签使用RF反向散射对读取器作出响应，在载波上编码数据之后，所述RF反向散射基本上对来自读取器的载波进行反射。

通信规范中的变量包括载波频率、位数据速率、编码方法和可能需要的任何其它参数。ISO 18000和EPCGlobal是这种接口的标准。接口还可以包括允许读取器范围内的一个以上的标签同时发信号的防冲突协议。存在许多这种方案的具体实现，这些实现不构成本发明的一部分。

在典型的RFID系统中，通过RFID读取器(未示出)读取RFID标签，并且信息被记录在中央信息存储器上。

如上所述，图1所示的RFID标签是适合附在受跟踪物品上的无源器件。但是，RFID标签可以配有板上电源，以扩展系统的范围和功能。读取器是与大量的无源RFID标签通信的有源RFID器件，通常将数据存储在读取器中，和/或将数据转发给中央数据库。中央数据库保存系统中所有物品的数据。在许多应用，例如，大型零售店中，RFID读取器是在RFID标签附近四处移动以记录RFID标签数据的移动设备。由于在RFID标签与RFID读取器之间的传输距离非常有限，例如，最多数十米，通常小于10米，所以这种应用下的移动性是必需的。对RFID读取器供电，以扩展RFID读取器和位于远处的接收机之间的传输范围。这允许使用RFID读取器简单地将RFID标签中继至中央数据库的选项。更常见的是，读取器读取无源RFID并本地存储信息。通过将读取器放置在对接设备中，可以定期地将该数据下载到中央存储器中，所述对接设备通过无线或硬连线链路与中央数据库相连接。在通过硬连线链路连接的情况下，可以使用也可以不使用RFID读取器和远程接收机之间的无线链路。可以在别处找到适当的RFID读取器和整个系统的细节，这里无需对其另加说明。

图2例示了无源RFID标签可以采取的各种形式。图2示出了基底21、RF IC芯片22、以及弯曲的RF天线23。

在所示的两种布置，即，图1和图2中，RF IC芯片的I/O互连线搭接天线通道的末端。每个天线段在每段的末端上具有接合区。在图3中示出了典型的互连，其中，利用焊料凸起35将RF IC芯片34凸焊在天线通道32的接合区上。在31处指示了RFID标签基底。可以使用其它导电接合物，例如，导电环氧树脂。也可以使用焊料凸起和导电环氧树脂层的组合。在一些情况下，在RF IC芯片上最好使用金焊料凸起，而在基底上使用导电环氧树脂。

在典型的使用环境下，RFID标签在贮存期间和在附着于受跟踪物品的过程中可能会受到粗暴对待。因此，尽管生产它们是廉价的，但其在使用上应当是耐用的。如已经指出的，成本上的考虑使纸张或塑料更利于用作基底材料。在一些应用中，标签基底也可使用有点柔性的材料。这使得可以使用传送带存储和分装系统，并且有助于使标签附着在各种表面和形状上。直观上显然的是，图3中RF IC芯片在基底元件上的物理附着可能不非常适用于这些使用环境中的一些环境。此外，当认识到标签最好较小时，在制造时用于将RF IC芯片附着在基底上的步骤要求RF IC芯片和基底上的互连焊盘之间精密对准。

为了解决这些问题中的至少一些，人们建议在RF IC器件和基底之间使用电容或电感互连。在之前引用的美国专利公布20080061983中相当详细地描述了这一点。这里通过引用而将该专利公布并入本文。图4中例示了在该专利公布中描述的做法。

在图4的实施例中，陶瓷芯片载体51嵌入在RF IC器件34和基底31之间。在32处示出了基底上的天线引线。利用焊料凸起54将RF IC器件34附在陶瓷芯片载体上。焊料凸起与陶瓷芯片载体上的焊盘52和53相连接。陶瓷芯片载体包含在图4的左侧上示出的并且用电容器57和电容器板55表示的电容器图案，以及在图4的右侧示出的并且用电感器元件58和56表示的电感器图案。与基底31上的天线带32相耦合的元件是电容板55和用56表示的电感器图案。图4还另外示出了用于匹配互连线的电容和阻抗的匹配元件57和58。通过已知技术在多层芯片载体51中制成这些元件。

图5A例示了其中RF IC芯片经由集成无源器件(IPD，integratedpassive device)元件63和64与天线32互连的本发明的实施例。元件63和64是电容器板，其通过电容耦合将RF IC芯片34与天线32电连接。IPD元件直接在RF IC芯片上形成。每个天线段的一部分32a是耦合电容器的底板。在图5B中更详细地示出了这些。通常，电容器板32a具有大于天线通道32的宽度。

图6示出了其中RF IC芯片34经由IPD元件75和76与天线引线32电连接的本发明可替代实施例。元件75和76代表螺旋形电感器图案的绕组。这些IPD元件与基底31上的相应电感器图案72和73电感耦合。

适合实现本发明的可替代布置是，使用用于将RF IC芯片的一条引线与基底互连的电容元件，和用于将RF IC芯片的另一条引线与基底互连的电感器元件。

图7-9例示了用于图5A的实施例的制造的技术。

图7示出了具有最终钝化层81的RF IC芯片。层81通常是氮化硅或二氧化硅，但也可以是任何适当的选择。这一层通常是典型IC芯片的最终层，因此是表面层。它执行保护IC芯片元件的钝化功能。在层81上形成通孔82，用于I/O互连。如图8中所示，在通孔82中形成I/O盘83。这些步骤类似于用于为倒装芯片形成将RF IC芯片与互连基底接合的焊接盘的传统步骤。但是，本实施例中的盘83不用作焊接盘，或不作凸起金属化，而是用作用于将RF IC芯片电容耦合至基底上的天线引线的电容器板。因此，板的尺寸最好相对较大并且板最好较平。例如，电容器板83的宽度比通孔82的宽度大两倍。

可以通过溅射0.5-2微米厚的铝涂层和利用干蚀刻法在铝层上制作图案来形成电容器板83。如图9中在85处所示的、用于互连电容器的介电层可以是利用等离子体增强的CVD淀积成厚度为1000-5000埃的氮化硅。可以使用任何适当的可替代淀积法。此外，可以替用诸如二氧化硅的各种介电材料，或诸如氮化硅/二氧化硅的混合材料。

最好利用诸如环氧树脂的不导电粘合剂，或其它适当的粘合剂将图9的IPD子组件与天线引线32和基底31(参见图5)相接合。图9中的层87代表非导电粘合层。可替代地，粘合剂可以应用于基底，或应用于基底和RF IC芯片/电容器子组件两者。

与结合图7-9所述的那种类似的做法可以用于构建图6的实施例，仅仅用电感器螺旋代替电容器板即可。类似地，可以制作电容和电感耦合元件的组合体。

本发明的优选实施例是使用电容器将RF IC芯片与基底相耦合。这部分地是由于在RF IC芯片/电容器子组件和基底之间不存在苛刻对准，因此消除了制造过程中的苛刻容限。对于本领域普通技术人员显而易见的是，图6的实施例中或使用电容器和电感器元件的组合体的器件组件中的电感器螺旋应该精确对准。还可以容易地看出，电容耦合实施例的对准容限少受很多限制。

上面将RF IC称为芯片。如前所述，典型的RFID标签具有RF收发机芯片和CMOS(或其它)存储器芯片。在一些实施例中，这些芯片可以是分离的芯片，或者可以组合成多芯片模块。但是，对于低成本的RFID标签来说，最好是单个的RF IC芯片。

在图5A、5B和图7-9中所述的实施例中，在RF IC芯片/电容器板子组件上形成用于耦合电容器的介电层(图5A中的层61、和图9中的85)。可替代地，RF IC芯片/电容器板子组件上的上表面可以具有裸露的金属板，并且用于耦合电容器的介电层可以在天线段的互连区上形成，或者形成为基底31、34之上的覆盖层。

当使用例如，如图9中在87处所示的粘合附着层将RF IC芯片附着在基底31上时，耦合在RF IC芯片和基底之间的电容从一种附着物到另一种附着物可能发生显著变化。几种因素可以影响该电容的值，例如，粘合剂的材料、粘合剂的厚度、粘合剂的交联度等。为了降低这种变化的影响，最好在连线上添加补充的串联电容器元件。如果补充电容器的电容与可以被称为耦合电容的、板63，64和与天线相关联的电容器板之间的电容相比较大，那么存在压倒耦合电容的变化的效果。于是，主要根据补充电容器的值来设计整个RFID标签电路。

例如，如果耦合电容是0.5pf，并且补充电容器的电容是5pf，那么耦合电容变化50％将导致整个电路的电容只变化5％。而在没有补充电容器的情况下，RFID标签电路的电容变化将是50％。

图10中示出了补充电容器的加入。图10中与图5A中相同的元件使用相同的附图标记。添加的电容器板是93和94。其尺寸可以和板63、64的相同，也可以不同。回想一下，在使耦合电容器板与下面的天线电容器板对准方面，具有使得耦合电容器板较大的优点。但是，相对于补充电容器板93和94来说，不存在该动机，因此，这些平板可以较小，如图10所建议的那样。可以按照与板63和64相同的方式，即，按照如图7-9所示的薄膜方法来形成补充电容器板。为了清楚起见，夸大了图10中所示的层的厚度。当使用典型的薄膜方法来形成补充电容器板时，可以严格控制补充电容器的电容值。对图10的布置的一种替代是，将两个板用于补充电容器，并且将底部的板与耦合电容器板相连接。但是，只要在本发明的范围之内，可以添加更多的电容器板。

总结上面的详细说明，显而易见的是，本领域普通技术人员可以想到本发明的各种各样的另外的修改。所有基本上依赖于使现有技术取得进步的原理和它们的等效物的从本说明书的具体教导的偏离都被适当地认为在所描述和所要求保护的本发明的范围之内。

Claims (18)

1.一种RFID标签，包括：

a)基底；

b)在所述基底上形成的天线；

c)与所述基底和所述天线相接合的RF IC芯片，所述RF IC芯片包括至少一个耦合电容器板，所述耦合电容器板在所述RF IC芯片的表面上形成，以便在所述RF IC芯片和天线之间电耦合RF信号。

2.如权利要求1所述的RFID标签，其中，天线包括至少一个天线电容器板，并且所述RF IC芯片表面上的所述耦合电容器板叠置在所述天线电容器板之上。

3.如权利要求2所述的RFID标签，包括在所述RF IC芯片表面上的所述耦合电容器板与所述天线电容器板之间形成的介电层。

4.如权利要求1所述的RFID标签，其中，RF IC芯片具有在所述RF IC芯片的表面上形成的两个耦合电容器板，并且所述天线具有两个天线电容器板，所述耦合电容器板叠置在所述天线电容器板之上。

5.如权利要求1所述的RFID标签，其中，天线段是弯曲的金属图案。

6.如权利要求1所述的RFID标签，其中，所述RF IC芯片具有表面钝化层，并且在所述表面钝化层上形成所述耦合电容器板。

7.如权利要求6所述的RFID标签，其中，所述表面钝化层上的耦合电容器板通过所述钝化层中的通孔与所述RF IC芯片相连接。

8.如权利要求7所述的RFID标签，其中，耦合电容器板的宽度大于通孔宽度的两倍。

9.如权利要求1所述的RFID标签，其中，所述基底包括纸或塑料。

10.如权利要求1所述的RFID标签，进一步包括所述RF IC芯片和所述耦合电容器板之间的至少一个补充电容器板。

11.一种RFID标签，包括：

a)基底；

b)在所述基底上形成的天线；

c)与所述基底和所述天线相接合的RF IC芯片，所述RF IC芯片包括至少一个电感器元件，所述电感器元件在RF IC芯片的表面上形成，以便在所述RF IC芯片和所述天线之间电耦合RF信号。

12.如权利要求11所述的RFID标签，其中，所述天线包括至少一个天线电感器元件，并且所述RF IC芯片表面上的电感器元件叠置在所述天线电感器元件之上。

13.如权利要求12所述的RFID标签，包含在所述RF IC芯片表面上的电感器元件与所述天线电感器元件之间形成的介电层。

14.如权利要求13所述的RFID标签，其中，所述RF IC芯片包括在所述RF IC芯片表面上形成的两个电感器元件，并且所述天线包括两个天线电感器元件，所述RF IC芯片上的两个电感器元件叠置在所述两个天线电感器元件之上。

15.如权利要求13所述的RFID标签，其中，所述RF IC芯片包括电容器板，并且所述天线包括电容器板，并且所述RF IC芯片上的所述电容器板叠置在所述天线电容器板之上。

16.如权利要求13所述的RFID标签，其中，所述RF IC芯片具有表面钝化层，并且在所述表面钝化层上形成所述电感器元件。

17.如权利要求16所述的RFID标签，其中，所述表面钝化层上的所述电感器元件通过所述钝化层中的通孔与所述RF IC芯片相连接。

18.如权利要求13所述的RFID标签，其中，所述基底包括纸或塑料。

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