CN102544718A - 射频识别集成电路和匹配网络/天线 - Google Patents
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Abstract
一种表面安装器件SMD组件以及一种制造SMD组件的方法。将匹配网络集成到包含RFID集成电路的多层表面安装器件,以在超高频时段向RFID集成电路提供天线和匹配网络。所述表面安装器件可以安装在印刷电路板上以向该印刷电路板提供RF和RFID功能。
Description
背景技术
射频识别RFID标签和读取器系统可以工作在宽频带范围,包括低频应用(LF)、高频应用(HF)和超高频应用(UHF)。LF应用典型地工作在大约125-148.5kHz的范围内。HF应用典型地工作在13.56MHz处。UHF应用典型地工作在从300MHz到3GHz。RFID标签和读取器系统的读取范围典型地定义为读取器可以与RFID标签通信的距离。无源LF和HF应用提供相对短的读取范围,因而经常需要RFID标签处在读取器的大约2.5cm到30cm范围内,以便于成功进行通信。无源UHF应用典型地提供较长的读取范围,因而允许RFID标签在读取器的2到12米或者更大的范围内都能成功的进行通信。但是,多种环境因素可能使得RFID标签失调,从而改变其工作频率,并且可能影响接收的功率和RFID标签的读取范围。以金属和液体形式存在的RFID标签可能由于这些材料提供的吸附(absorption)作用或寄生电容而发生失调。由工艺和/或封装导致的电容和分散电感也可以引起失调。
电子设备工业需要高精度的跟踪生产过程中的产品。此外,还需要精确、有效地管理产品生命周期。因此,电子设备工业需要处理从生产、销售、消费以及产品配置的所有事情。为了实现能够在产品的生命周期全过程中跟踪产品的系统,需要一种能容易地记录和读取信息的方法,例如生产过程历史。
尽管条形码是当前用于识别各个产品的标准,但是他们不能记录附加信息。目前,RFID是唯一允许将有关产品生命周期的信息直接存储在产品上的解决方案。
由于在印刷电路板(PCB)制造过程中使用的工艺(即,回流工艺、热加工和化学处理),基于RFID标签的常规RFID方案不能直接应用于电子工业产品(即,印刷电路板)。这些问题可以通过使用能够良好的集成到PCB制造设计中的专用的方案以及使用专用的集成电路IC封装来解决。
发明内容
本发明提供了一种表面安装器件SMD组件,包括:RFID集成电路,集成并电耦合到具有多个迹线的多层表面安装结构,这些迹线分布在所述多层表面安装器件上以形成所述RFID集成电路的多层电感线圈。
附图说明
图1示出了根据本发明的要安装的表面安装器件在印刷电路板上的可能位置。
图2示出了根据本发明的RFID系统的示意图。
图3示出了根据本发明的表面安装器件的引脚。
图4a-4h示出了根据本发明的将UHF-RFID IC嵌入到表面安装器件的步骤。
图5a-5g示出了根据本发明实施例的电介质层和迹线(trace)布局。
图6示出了根据本发明实施例的通孔、微孔、专用焊盘和迹线的三维视图。
具体实施方式
根据本发明,随着电子装备的跟踪和识别实现了印刷电路板的跟踪和识别。可以利用已嵌入了UHF-RFID IC 120和多层电感线圈225的基于表面安装器件(SMD)的组件115来跟踪销售历史、电子设备生命周期和生产历史。(参见图1和图2)
可以根据用于SMD的PCB制造中典型使用的标准工业生产工艺将基于的SMD组件115布置在PCB 110上,并且这些组件典型地占用PCB 110的小引脚。图1示出了PCB 110上根据本发明实施例可以设置SMD组件115的示例性区域,同时不需要离地间隔(ground clearance)区域,该示例性区域典型地占用PCB 110上大约10mm2到大约16mm2范围内的区域。不需要离地间隔是因为在基于SMD的组件115内的多层电感线圈225用作匹配网络,因而不需要在PCB 110上设置SMD115的位置附近从PCB 110中去除接地层。UHF-RFID IC 120的射频端口典型地不需要任何到PCB参考接地面的电连接或任何起作用的外部天线,这是因为在SMD 115中的多层电感线圈225对于大约0.5cm量级的短距离可以同时用作天线和匹配网络。在不要求UHF-RFID IC 120具有特别的功能(例如电池辅助模式操作、I2C总线或数据总线功能、通过设置在PCB 110或其他位置处的其他设备直接访问UHF-RFID IC 120),以及不需要将SMD组件115与PCB 110上的任何元件连接的根据本发明的实施例中,SMD组件115典型地沿着PCB 110的外周线(perimeter)布置。
可以根据本发明实施I2C总线、数据总线或通过PCB 110上的其他设备直接存储访问UHF-RFID IC 120存储器。例如,在根据本发明的实施例中,可以通过I2C总线或数据总线将UHF-RFID IC 120连接到中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)或设置在PCB 110上的任意其他可编程器件。由SMD组件115中的UHF-RFID IC 120提供的射频接口可以用于把命令或指令直接传输给PCB 110上的可编程器件。具体地,可能需要在伴随使用射频接口的第一次使用之前,对PCB 110上的可编程器件进行编程和激活。此外,与SMD组件115相连的UHF-RFID IC 120的PCB 110上的可编程器件可以通过使用射频接口与询问器210(参见图2)通信来检查PCB 110可以进行第一次使用,或者可以检查UHF-RFID IC 120的存储器中先前在与询问器210通信的过程中存储在其中的激活信息。
在根据本发明的实施例中,UHF-RFID IC 120和多层电感线圈225已经嵌入到SMD组件115中,对于根据图2中的本发明的系统所示嵌入的UHF-RFID IC 120,多层电感线圈225可以同时用作天线和匹配网络。多层电感线圈225在大约915MHz处具有大约4+150jΩ的阻抗,并且匹配到UHF-RFID IC 120的大约15-150jΩ的阻抗,以对多层电感线圈225与UHF-RFID IC 120之间的功率传输进行优化。可以利用典型的多层PCB生产工艺,例如箔加工或磁芯加工来实现多层电感线圈225的多层结构。由于多层电感线圈225的多层线圈属性,多层电感线圈225还可以用作阻抗变换器,用于来自具有等效输入阻抗Zr的询问器210的电磁平面波。
对于SMD组件115与询问器210之间的小于大约1cm的距离(参见图2)来说,在SMD组件115与PCB 110之间不需要电接触。多层电感线圈225与UHF-RFID IC 120并联电连接。可以由多层电感线圈225从来自询问器210的传播的电磁波的电磁场接收的功率来激活UHF-RFID IC 120以便于识别,该询问器210产生流经多层线圈电感器225并激活UHF-RFID IC 120的电流。多层电感线圈225提供阻抗匹配和短距离天线功能,以适应符合EPC GlobalC1G2标准的大约860MHz到大约965MHz范围内的世界范围的UHF频带。对于扩展到大约2米的距离,SMD组件115可以附接外部天线,例如PCB 110上的一对迹线,或者附接电气表面,例如PCB 110的接地面。
对于图2中所示的系统,SMD组件115典型地安装在构成产品一部分的印刷电路板110上。询问器210可以通过询问根据本发明的UHF-RFID IC 120获取有关产品生命周期的信息或者其他有关产品的相关信息。
图3示出了根据本发明的SMD组件115的示例性焊盘布局配置。SMD组件115的底层300上的焊盘305、310、315和320提供到PCB 110的物理连接。专用焊盘325和330允许连接到I2C总线、数据总线,或者利用PCB 110上的迹线连接到SMD组件115的电池。专用焊盘335和340允许电连接到外部天线结构以针对增加的距离。该外部天线结构例如可以是PCB 110的周线上的一对迹线或者是PCB 110的接地面。在接地面连接的情况下,只有一个焊盘,例如焊盘340直接电连接到PCB 110的接地面。焊盘335电连接到PCB110表面上的短迹线,或者连接到与PCB 110的接地面电连接的无源电容元件,或者与PCB 110上的其他元件隔离。
典型地,可以利用制造多层PCB时使用的工艺,通过将包括UHF-RFID IC120的多层结构层压在一起来构建SMD组件115。典型地用于不同层的材料是高介电材料,例如TACONIC CER-10。CER-10是有机陶瓷Dk-10(Dk表示介电常数)层压材料,基于可从TACONIC高阶介电划分获得的编织玻璃强化。
图4a-4h示出了将UHF-RFID IC 120嵌入到根据本发明实施例的多层SMD组件115的嵌入和层压工艺。图4a示出了UHF-RFID IC 120到多层SMD组件115的电介质层440的管芯(die)附接。电介质层440具有两个树脂涂层的铜膜焊盘441和442,用于将介质层440层压到电介质层450上并提供图4b中所示的激光打孔微孔的接触焊盘。电介质层450的顶部被树脂涂层铜膜451覆盖,从便层压后续的层并形成迹线。在将电介质层440和450层压在一起之后,在树脂涂层铜膜451中形成迹线512和513,并且激光打孔典型地用于生成如图4c所示的微孔401和402。微孔401和402分别提供了与管芯焊盘459和458的连接,并且在图4d中实现微孔401和402的金属化,这些微孔将UHF-RFID IC 120的管芯焊盘459和458分别电连接到迹线512和513。图4e示出了层450中的通孔422的形成过程。图4f示出了对通孔422进行金属化以将迹线512电连接到迹线518。在图4g中,电介质层510被层压到介质层450上,并且在电介质层510上与微孔401和402一起形成迹线511和通孔514。在图4h中,与电介质层510中的微孔401和402的金属化一起对通孔514进行金属化,以将迹线511电连接到迹线513。
根据本发明的示例性实施例,使用了7个电介质层来形成SMD组件115。根据本发明,也可以针对具体应用根据需要使用更多或更少的层。图5a-5g示出了SMD组件115的7个电介质层的每一个的布局。应注意到,底层300显示为透过电介质层的顶视图(显示出底侧的金属化)。在图5b-5f中的层410、510、450、440、530中分别显示的迹线411、511、512、513、518、516通过通孔415、420、514、422、514、517电连接以形成多层电感线圈225。图5a示出了底层300,其具有用于物理连接到PCB 110的焊盘305、310、315和320。应注意到,在图5b-5f的二维视图中,通孔和微孔显示在他们与各自的迹线电接触的地方。专用焊盘335和340允许电连接到I2C总线、数据总线,或者利用分别电连接到专用焊盘335和340的微孔403和404来连接到SMD组件115的电池。专用焊盘325和330允许利用分别电连接到专用焊盘325和300的微孔401和402电连接到外部天线结构以增加发送范围。图5b示出了迹线411形成多层电感线圈225的一部分的层410。通孔420将层410中的迹线411电连接到如图5c所示的层510中的迹线511。图5b中的通孔415电连接到层410中的迹线411,并穿过层510、450、440和530以电连接到如图5f所示的层530中的迹线516,以使得迹线411和516电连接在一起。层510中的迹线511通过如图5d所示的通孔514电连接到层450中的迹线513,以使得迹线513、511和411电连接在一起。通孔514将层510中的迹线511电连接到层450中的迹线513。迹线513电连接到层450中的微孔402。层450中的迹线512电连接微孔401并连接到通孔422。微孔401和402电连接到UHF-RFIDIC 120的天线输入焊盘。微孔403和405电连接到UHF-RFID IC 120与I2C总线、数据总线或电池电连接的焊盘。微孔422将层450中的迹线512电连接到如图5e所示的层440中的迹线518。层440是附接UHF-RFID IC 120的层(参见附图4a-4d)。层440中的通孔517将迹线518电连接到如图5f所示的层530中的迹线516,并且迹线516电连接到通孔415以形成多层电感线圈225。最好,图5g中所示的层540覆盖层530以形成SMD组件115的封装。
图6示出了根据本发明实施例的SMD组件115的通孔、微孔、专用焊盘和迹线的三维视图。应注意到,为了清楚起见,在图6中没有显示电介质层。专用焊盘335和340允许电连接到I2C总线、数据总线,或者利用分别电连接到专用焊盘335和340的微孔403和404连接到SMD组件115的电池。专用焊盘325和330允许利用分别电连接到专用焊盘325和300的微孔401和402电连接到外部天线结构以增加范围。迹线411形成多层电感线圈225的部分。通孔420将迹线411电连接到迹线511。通孔415将迹线411电连接到迹线516。迹线511通过通孔514电连接到迹线513,以使得迹线513、511和411电连接在一起。通孔514将迹线511电连接到迹线513。迹线513电连接到微孔402。迹线512电连接微孔401并连接到通孔422。微孔401和402电连接到UHF-RFID IC 120(未显示)的天线输入焊盘。微孔403和405电连接到UHF-RFID IC 120(未显示)与I2C总线、数据总线或电池电连接的焊盘。通孔422将迹线512电连接到迹线518。通孔517将迹线518电连接到迹线516,并且迹线516电连接到通孔415以形成多层电感线圈225。
虽然已经结合具体实施例描述了本发明,本领域的熟练技术人员应该明了,可以根据前述描述对本发明进行多种替换、修改和变型。因此,本发明旨在包含落在所附权利要求的精神和范围内的所有其他的这些替换、修改和变型。
Claims (16)
1.一种表面安装器件SMD组件,包括:
射频识别RFID集成电路,集成并电耦合到具有多个迹线的多层表面安装结构,这些迹线分布在所述多层表面安装器件上以形成所述RFID集成电路的多层电感线圈。
2.根据权利要求1所述的SMD组件,其中所述多层电感线圈适用于UHF频率。
3.根据权利要求1所述的SMD组件,其中所述多层电感线圈形成RFID集成电路的匹配网络。
4.根据权利要求1所述的SMD组件,其中所述多个迹线包括铜。
5.根据权利要求1所述的SMD组件,被安装在印刷电路板上,其中所述多层电感线圈电耦合到所述印刷电路板上的一对迹线上以形成RFID集成电路的偶极子天线。
6.根据权利要求1所述的SMD组件,其中所述SMD组件安装在印刷电路板上,并且所述多层电感线圈电耦合到印刷电路板的接地面。
7.根据权利要求1所述的SMD组件,其中所述SMD组件安装在印刷电路板上,并且所述RFID集成电路电耦合到I2C总线、数据总线和电池的其中之一。
8.根据权利要求1所述的SMD组件,其中所述多层表面安装结构包括两个电介质层。
9.根据权利要求1所述的SMD组件,其中所述SMD组件用于从询问器接收功率。
10.根据权利要求1所述的SMD组件,其中所述多个迹线通过金属化通孔电耦合在一起。
11.一种制造表面安装器件SMD组件的方法,包括:
提供RFID集成电路;
将所述RFID集成电路集成并电耦合到多层表面安装结构中;
形成分布在所述多层表面安装结构上的多个迹线;和
根据所述多个迹线形成所述RFID集成电路的多层电感线圈。
12.根据权利要求11所述的方法,其中所述SMD组件安装在印刷电路板上,并且RFID集成电路电耦合到印刷电路板的接地面。
13.根据权利要求11所述的方法,其中所述多层电感线圈适用于UHF频率。
14.根据权利要求11所述的方法,其中所述多层电感线圈用于提供RFID集成电路的阻抗匹配网络。
15.根据权利要求11所述的方法,其中所述SMD组件安装在印刷电路板上,并且所述RFID集成电路电耦合到I2C总线、数据总线和电池的其中之
16.一种贯穿于产品的生命周期来跟踪产品的系统,包括:
询问器;和
根据权利要求1所述的安装在印刷电路板上的SMD组件,所述印刷电路板是所述产品的一部分,以使得可以通过询问器询问所述RFID集成电路来提供有关该产品的信息。
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