CN102629337A - 一种微型智能标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型智能标签，由电介质基板、天线图案、芯片和封装体构成：电介质基板为方形薄板结构；天线图案，设置在电介质基板的正反表面，由信号输入焊盘、接地金属面、曲折型馈入线、曲折型巴伦线、螺旋型微带辐射单元和导通孔组成，辐射单元的长度小于天线工作频率处的波长的四分之一；芯片为智能标签专用芯片，安装位置设置在电介质基板的零件面两个输入焊盘之间；封装体由方形树脂型模塑封装材料构成，设置在电介质基板的零件面的上部，将芯片包封在内，和电介质基板结合为一长方体结构，实现了一种高可靠性的超高频微型智能标签产品。

Description

一种微型智能标签

技术领域

本发明涉及射频通信领域和智能标签领域，尤其涉及一种微型智能标签。

背景技术

近年来，由于射频电子技术的不断发展，特别是射频电子标签的广泛应用，正逐渐改变着人们的生活方式。常见的射频电子标签分为从电源供应方面区分有源和无源两大类；从载波频率方面区分有125KHz（130KHz）的低频频段、13.56MHz的高频频段、433MHz，915MHz的超高频频段、2.4GHz,5.8GHz的微波频段；电子标签的应用无处不在，因此产生了各种形状，适合不同应用要求的产品，使人们的生活更便利更高效。

为了让射频电子标签能够更广泛地应用到日常生活中，一方面从成本上要降低到符合实际应用的需求，在某些场合，使体积缩小到某些特殊应用的场合，便于安装和使用。这就要求产品越做越小，越做越薄。

超高频频段，特别是大量应用的860-960MHz频段的智能标签，电路的天线末端谐振电路大都为偶极子双工收发天线，其天线的长度为工作点频率的波长的一半，如果要减小产品尺寸，势必要从缩小射频天线的尺寸或采用不同的极化方式两方面想办法。从缩小射频天线角度考虑，减小射频天线的尺寸后，天线的电感量将减小，天线的长度无法匹配到谐振频率的需求，在相同芯片输入电容匹配的情况下，需要加入外部匹配电容器，才能达到860-960MHz的谐振频率。

如200810109989.4公开的标签天线和标签，采用上述方案实现的小型化智能标签。但是采用这种方案实现的智能标签，仍采用偶极子天线方式，因此产品的尺寸商不能达到微型智能标签的目的。

发明内容

本发明的目的是简化微型智能标签的生产工艺，降低产品的生产成本，实现具有市场竞争力和良好性价比的高频射频智能标签的超高频微型化封装。

本发明的技术适合在800MHz-5.8GHz的射频智能标签产品中。

一种微型智能标签，由电介质基板、天线图案、芯片和封装体构成：

所述的电介质基板为方形薄板结构；

所述的天线图案，设置在电介质基板的正反表面，由信号输入焊盘、接地金属面、曲折型馈入线、曲折型巴伦线、螺旋型微带辐射单元和导通孔组成，辐射单元的长度小于天线工作频率处的波长的四分之一；

所述的芯片为智能标签专用芯片，安装位置设置在电介质基板的零件面两个输入焊盘之间；

所述的封装体由方形树脂型模塑封装材料构成，设置在电介质基板的零件面的上部，将芯片包封在内，和电介质基板结合为一长方体结构。

进一步的，所述电介质基板的绝缘介质为环氧树脂（FR4或BT）、陶瓷（LTCC）或铁弗龙（PTFE）材料，其厚度为50~200um之间，绝缘介质的相对介电常数在4~10之间，玻璃转化温度在170~300摄氏度之间。

再进一步，所述天线图案从输入焊盘处具有输入阻抗和电感；

所述的输入阻抗和所述的芯片的阻抗共扼匹配；

所述的电感和所述的芯片的内部容性部件满足所述工作频率处的谐振条件。

再进一步，所述天线图案的螺旋型微带辐射单元加强了所述电感的量，使天线的长度远小于天线工作频率处的波长的四分之一。

再进一步，所述天线图案的正反面重叠的图案形成平板电容器，和螺旋型微带辐射单元并联连接，进一步缩小天线的长度。

再进一步，所述芯片的背面通过黏结剂固定在电介质基板的零件面天线图案的两个输入焊盘之间，通过超声波焊接将芯片上的焊盘和天线图案上的输入焊盘通过引线连接起来。

再进一步，所述芯片的正面通过焊接剂焊接在电介质基板的零件面天线图案的两个输入焊盘上，通过焊接剂将芯片上的焊盘和天线图案上的输入焊盘连接起来。

再进一步，所述天线图案的表面覆盖了保护层，增强了天线的环境适应能力。

再进一步，所述封装体通过模具射出成型，在多个规则排列的基板表面将芯片包封起来，并采用水刀切割工艺将封装体和基板一起切成单个长方体结构，长方体结构的智能标签的长度在0.5~1.5mm之间，宽度在0.3~1.2mm之间，厚度在0.3~1.0mm之间。

再进一步，芯片和天线图案组成的射频电路，其工作频率为800MHz-5.8GHz。

本发明的微型智能标签经过塑封后，形成坚固的保护体，再通过水刀切割工艺将封装体和基板切割成独立的智能标签个体，即完成了微型智能标签产品的封装。产品经过测试，打标，包装后就可以应用到实际项目中。

根据上述方案形成的本发明具有以下优点：通过该技术实现的微型智能标签具有独立的非接触式功能；通过该技术实现的微型智能标签具有非常小的体积，适合在小型物体和狭窄空间内使用。通过该技术实现的微型智能标签的可靠性高，适合在温度变化大、高湿度环境以及具有化学品腐蚀的环境中。

通过该技术实现的微型智能标签具有很强的抗机械冲击能力，适合在容易受到外力冲击的情况下使用。

通过该技术实现的微型智能标签，有效满足本领域的需求，具有极好的实用性、创造性和新颖性。

附图说明

图1 为本发明的微型智能标签的完整结构示意图。

图2 为本发明的微型智能标签的天线面图形示意图。

图3为本发明的微型智能标签的天线面图形阻焊层示意图。

 图4为本发明的微型智能标签的接地面图形示意图。

图5为本发明的微型智能标签的接地面图形阻焊层示意图。

图6为本发明的微型智能标签的芯片安装和焊接示意图。

图7为本发明的微型智能标签的芯片引线焊接剖面示意图。

图8为本发明的微型智能标签的芯片倒装焊接剖面示意图。

图9为本发明的微型智能标签的多单元分布示意图。

图10为本发明的微型智能标签的多区块分布示意图。

图11为本发明的微型智能标签的多区块零件面碎铜分布示意图。

图12为本发明的微型智能标签的多区块零件反面碎铜分布示意图。

图13为本发明的微型智能标签的单个产品三维结构示意图。

图14为本发明的微型智能标签的多个产品切割三维结构示意图。

图15 为本发明的微型智能标签的天线的等效传输线模型。

图16 为本发明的微型智能标签的天线的输入阻抗和天线长度的关系图。

图17 为本发明的微型智能标签的天线的引入电感及无电感的输入阻抗和天线长度的关系图。

图18 为本发明的微型智能标签的天线的引入电容、电感及无电感的输入阻抗和天线长度的关系图。

图19 为本发明的微型智能标签的单极子天线典型结构示意图。

图20 为本发明的微型智能标签的单极子折弯L型变形天线结构示意图。

图21 为本发明的微型智能标签的单极子折弯倒F型变形天线结构示意图。

图22为本发明的微型智能标签的单极子折弯倒F型变形天线带多折巴伦线的结构示意图。

图23 为本发明的微型智能标签的单极子折弯倒F型变形天线带多折巴伦线和螺旋型微带辐射单元的结构示意图。 

具体实施方式

 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明一种微型智能标签的生产工艺，将缩小化单极子天线的微型化设计思路移植到无源智能标签天线上，实现超高频智能标签的体积微型化，获得了微型化、高可靠性的超高频智能标签产品，进而提供的解决技术方案，实施具体如下：

参见图13，本发明提供的一种微型智能标签，由基板11和模塑封装体1构成，在基板11的上表面安装了智能芯片，被模塑封装体1包封在里面，形成一长方体结构的智能标签。为了达到微型封装尺寸的目的，长方体结构的智能标签的长度在0.5~1.5mm之间，宽度在0.3~1.2mm之间，厚度在0.3~1.0mm之间。参见图9和图14，多个规则排列的智能标签形成大块模塑封装体150，采用水刀切割按横向定位标识151进行切割，形成横向切割槽153；按纵向定位标识152进行切割，形成纵向切割槽154，获得单体的微型智能标签1。

 参见图7，本发明提供的一种微型智能标签，其电介质基板为薄型的绝缘介质11，为环氧树脂（FR4或BT）、陶瓷（LTCC）或铁弗龙（PTFE）材料，其厚度为50~200um之间，绝缘介质的相对介电常数在4~10之间，玻璃转化温度在170~300摄氏度之间，具有优良的热机械稳定性。在电介质基板的正反面，设置了双面印制电路，在电介质基板的上表面，通过精密曝光及蚀刻工艺，形成上部天线图形132和天线焊盘1323及1324，再涂布了一层阻焊油墨层1331，来保护表面的图形不受外界影响。天线焊盘1323及1324的表面采用镀镍再镀软金工艺，以适应超声波引线焊接或者表面贴装工艺焊接的要求。在电介质基板11的下表面形成接地面天线图形122，其为大片金属面的结构，接地面天线图形通过金属化孔1321连接正面的接地输入焊盘以及巴伦线的尾端连线。

单极子天线可以有效减小射频天线的尺寸，其天线长度仅为工作频点波长的四分之一。参见图19，是直线型单极子天线典型结构示意图，在电介质基板4的表面设置了大面积的接地面金属层21，射频信号一端连接信号馈入端1，另一端连接信号接地端2，经过天线的馈线送达天线辐射端12，当天线达到谐振条件时，就将射频信号按谐振频率发射出去；同样的，当天线辐射端12处位于符合天线谐振条件的区域时，天线辐射端会将射频信号采集近来，通过馈线传输到馈入点1，完成信号接收的过程。

为了实现在平板上的单极子天线结构，参见图20的单极子折弯L型变形天线结构示意图，电介质基板4、信号馈入点1、信号馈入接地点2、接地面21和馈线14的结构都没有变化，惟独天线辐射区域12的直线优化成了折弯结构，形成单极子折弯L型变形天线结构，使其可以附着在电介质基板的表面设置图形。辐射区域的正反面均没有接地面金属图形相干涉，防止接地面金属影响天线的辐射性能。

 为了进一步提高天线的性能，需要使天线的输入阻抗和芯片的输入阻抗获得共扼匹配，即天线的输入阻抗和的芯片的输入阻抗实部相等，虚部为等值的正负阻抗。参见图21，本专利技术保持了L型单极子天线的结构的电介质基板4、信号馈入点1、信号馈入接地点2、接地面21、馈线14和L折弯型天线辐射区域12的结构都没有变化，从L型辐射单元12和馈线14的连接点处引出巴伦线11，并通过金属化孔3连接到电介质基板的反面接地面金属，形成了倒F形单极子结构的射频天线。增加的巴伦线的长度用于调整射频天线的输入阻抗的值，使天线的输入阻抗能够和芯片的输入阻抗获得有效匹配。 

 在有限的空间内，要通过巴伦线来获得阻抗匹配，一定会占用一些基板空间。智能标签芯片的输入阻抗实部一般在5~35欧姆之间，虚部在100~300欧姆之间，要使天线和芯片的输入阻抗获得匹配，则天线的输入阻抗实部对应为5~35欧姆之间，虚部为-100~-300欧姆之间，切实部阻抗的值越大，则巴伦线的阻抗值也要求越大，即在相等的情况下，线长越长。为了减小空间的占用，利用多折弯巴伦线结构，在较小的空间内获得较大的阻抗匹配范围。参见图22，本专利技术保持了F型单极子天线的结构的电介质基板4、信号馈入点1、信号馈入接地点2、接地面21、馈线14、金属化导通孔3和L折弯型天线辐射区域12的结构都没有变化，从L型辐射单元12和馈线14的连接点处引出巴伦线11演化成了具有多处折弯的巴伦线，并通过金属化孔3连接到电介质基板的反面接地面金属。增加的具有多处折弯结构的巴伦线占用更少的基板空间，获得更多的阻抗调节范围，用于调整射频天线的输入阻抗的值，使天线的输入阻抗能够和芯片的输入阻抗获得有效匹配。

 在微型化天线的设计中，如何有效利用基板的空间是最大的难题。巴伦线的折弯型结构解决了阻抗匹配的问题，但是辐射单元的长度决定了天线的工作频率。当天线被要求工作在915MHz的频率谐振时，不考虑外部的分布电容和分布电感的情况下，直线型辐射单元的长度近似为82mm，单这已经占用到不少的空间，显然的，在微型智能标签的设计中无法采用直线型、纯L型或者纯F型单极子射频天线结构。为了使辐射单元的尺寸减小，本发明将辐射单元的图形演化成螺旋型微带辐射单元，不但减小了长度，更使天线的电感量得到提高，使辐射单元的尺寸进一步下降。参见图23，本专利技术保持了F型单极子天线的结构的电介质基板4、信号馈入点1、信号馈入接地点2、接地面21、馈线14和折弯型巴伦线11、金属化导通孔3的结构都没有变化，将L型辐射单元12演化成了螺旋状辐射单元15。螺旋型辐射单元占用更少的基板空间，且引入的螺旋型分布电感进一步减小了辐射单元的空间占用，使天线达到需要的谐振频率。

在一些特别小的天线设计中，增加匹配电容器是容易实现的一种途径。本发明通过薄形电介质基板的高介电常数和双面平板结构，在电介质基板的正反面设置了投影重叠的平板电容器，利用其分布电容实现辐射单元的微型化。参见图1，本专利技术保持了F型单极子天线的结构的电介质基板4、信号馈入点1、信号馈入接地点2、接地面21、馈线14、折弯型巴伦线11 、金属化导通孔3、L型辐射单元12和螺旋状辐射单元15的结构都没有变化，在辐射单元的某个节点设置了平板电容器极板13和反面的接地面形成平板电容器。且引入的平板电容器的分布电容进一步减小了辐射单元的空间占用，使天线达到需要的谐振频率。

 参见图15的天线等效传输线模型图，3为巴伦线长度，4为辐射单元长度，1为天线阻抗实部，2为天线阻抗虚部，5为引入的辐射单元电感，6为短路线。当没有引入电感5的时候，巴伦线的长度和辐射单元长度的总和等于谐振频率的四分之一波长时，天线的输入阻抗虚部1和实部2等于芯片的输入阻抗的实部和虚部，天线在工作频率处获得谐振。参见图16，0-Li坐标表示巴伦线的长度和辐射单元长度的总和，0-Xi坐标表示阻抗的相对值，Xi=0时，获得阻抗匹配。从图中获得，阻抗匹配线1对应天线长度等于四分之一波长R1的分布线，阻抗匹配线2对应天线长度等于四分之三波长R3的分布线，均获得匹配的阻抗，因此，此单极子天线可设计成双频点谐振天线。经过R2的点为波长的二分之一。

 参见图17，0-Li坐标表示巴伦线的长度和辐射单元长度的总和，0-Xi坐标表示阻抗的相对值，Xi=0时，获得阻抗匹配。从图中获得，阻抗匹配线1对应天线长度等于四分之一波长R1的分布线，阻抗匹配线2对应天线长度等于四分之三波长R3的分布线，均获得匹配的阻抗，因此，此单极子天线可设计成双频点谐振天线。经过R2的点为波长的二分之一。当引入分布电感的时候，阻抗匹配线1将偏移到3的位置，天线的长度由R1缩短为R4；同理，阻抗匹配线2将偏移到4的位置，天线的长度由R3缩短为R5。

 参见图18，0-Li坐标表示巴伦线的长度和辐射单元长度的总和，0-Xi坐标表示阻抗的相对值，Xi=0时，获得阻抗匹配。从图中获得，阻抗匹配线1对应天线长度等于四分之一波长R1的分布线，阻抗匹配线2对应天线长度等于四分之三波长R3的分布线，均获得匹配的阻抗，因此，此单极子天线可设计成双频点谐振天线。经过R2的点为波长的二分之一。当引入分布电感的时候，阻抗匹配线1将偏移到3的位置，天线的长度由R1缩短为R4；同理，阻抗匹配线2将偏移到4的位置，天线的长度由R3缩短为R5。当引入分布电容的情况下，阻抗匹配线从3的位置移动到5的位置，天线长度从R4缩短为R6；同理，阻抗匹配线从4的位置移动到6的位置，天线长度从R5缩短为R7。

参见图10，为了提高生产效率，将多个电介质基板按规则的图形排列，形成方形区域100，在一条长条形的大基板上，复制了另3个和100相同的方形区域101，102和103。在大基板的边缘设置了多个圆形和椭圆形的定位孔，可以在生产工艺中精确定位。在两个相邻的方形区域中间，设置了多条槽孔108，以释放基板的应力，防止损坏到方形区域内的部件和封装体。

参见图11的零件安装面，在大块基板的方形区域130、入料区域131和槽孔108之外，设置了斜向的碎铜区域132，单个碎铜134的形状为斜向45度角放置的正方形，正方形的边长为0.1~0.5mm之间，碎铜之间的间隔135和136，尺寸为0.05~0.3mm之间，以平衡金属层的平均分布，有效改善基板的热变形。

参见图12的零件反面，在大基板的方形区域140和槽孔108之外，设置了斜向的碎铜区域142，单个碎铜144的形状为斜向45度角放置的正方形，正方形的边长为0.1~0.5mm之间，碎铜之间的间隔145和146，尺寸为0.05~0.3mm之间，以平衡金属层的平均分布，有效改善基板的热变形。

  参见图7，本发明提供的一种微型智能标签，在电介质基板11的零件面信号输入焊盘1323和接地信号焊盘1324的之间区域安装了智能标签芯片2，智能标签芯片和基板间采用黏结剂20进行固定，智能标签芯片上的焊盘21和22通过引线41和42连接到基板上的信号输入焊盘1323和1324上，最后通过注塑工艺将封装体3附着在基板的上表面，将芯片和引线包封起来。

参见图8，本发明提供的一种微型智能标签，在电介质基板11的零件面信号输入焊盘1323和接地信号焊盘1324的区域安装了智能标签芯片2，智能标签芯片的焊盘21和22对准到基板上的信号输入焊盘1323和1324，并通过焊接剂201分别上下导通，最后通过注塑工艺将封装体3附着在基板的上表面，将芯片包封起来。

参见图6，在电介质基板的表面设置了一层薄薄的阻焊油墨1331，将金属化通孔1321和1322、馈线1325、巴伦线1326、螺旋型辐射单元等图形覆盖起来，仅暴露出零件面信号输入焊盘1323和接地信号焊盘1324以及芯片安装区域1332，有效保护了图形的稳定性。在芯片安装区域安装了智能标签芯片2，智能标签芯片和基板间采用黏结剂进行固定，智能标签芯片上的焊盘21和22通过引线41和42分别连接到基板上的信号输入焊盘1323和1324上，最后通过注塑工艺将封装体附着在基板的上表面，将芯片和引线包封起来。

参见图2，（a）、（b）、（c）、（d）分别对应了各种尺寸微型智能标签天线的图形结构，在电介质基板11的上表面，设置了金属化通孔1321和1322、馈线1325、巴伦线1326、螺旋型辐射单元1327、信号输入焊盘1323和接地信号焊盘1324。馈线和巴伦线的折弯的数量及长度随芯片的输入阻抗及天线的尺寸进行调节，以获得相匹配的阻抗；螺旋型辐射单元的尺寸及圈数受谐振频率的限制，频率越高，尺寸越小。参见图3，（a）、（b）、（c）、（d）分别对应了各种尺寸微型智能标签天线的阻焊层图形结构，阻焊层1331将信号输入焊盘1323和接地信号焊盘1324以及芯片安装区域1332暴露出来，有效保护了天线图形的稳定性，也适合芯片的安装和引线的焊接。

参见图4，（a）、（b）、（c）、（d）分别对应了各种尺寸微型智能标签接地面的图形结构，在电介质基板11的下表面，设置了包含了金属化通孔1221和1222、接地面1223和电镀线1224及1225。其中（c）和（d）表示的极微小型天线的接地面，额外设置了巴伦延长线1226，以利在极小的空间内获得较好的阻抗匹配；参见图5，（a）、（b）、（c）、（d）分别对应了各种尺寸微型智能标签接地面的阻焊层图形结构，阻焊层1231将固定焊盘1232和1233暴露出来，用于焊接固定用，既有效保护了接地面图形的稳定性，又适合的产品在使用时的安装。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述说明书的限制，上述说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种微型智能标签，其特征在于，所述的微型电子标签由电介质基板、天线图案、芯片和封装体构成：

所述的电介质基板为方形薄板结构；

所述的天线图案，设置在电介质基板的正反表面，由信号输入焊盘、接地金属面、曲折型馈入线、曲折型巴伦线、螺旋型微带辐射单元和导通孔组成，辐射单元的长度小于天线工作频率处的波长的四分之一；

所述的芯片为智能标签专用芯片，安装位置设置在电介质基板的零件面两个输入焊盘之间；

所述的封装体由方形树脂型模塑封装材料构成，设置在电介质基板的零件面的上部，将芯片包封在内，和电介质基板结合为一长方体结构。

2.根据权利要求1所述的一种微型智能标签，其特征在于，所述电介质基板的绝缘介质为环氧树脂（FR4或BT）、陶瓷（LTCC）或铁弗龙（PTFE）材料，其厚度为50~200um之间，绝缘介质的相对介电常数在4~10之间，玻璃转化温度在170~300摄氏度之间。

3.根据权利要求1所述的一种微型智能标签，其特征在于，所述天线图案从输入焊盘处具有输入阻抗和电感；

所述的输入阻抗和所述的芯片的阻抗共扼匹配；

所述的电感和所述的芯片的内部容性部件满足所述工作频率处的谐振条件。

4.根据权利要求1所述的一种微型智能标签，其特征在于，所述天线图案的螺旋型微带辐射单元加强了所述电感的量，使天线的长度远小于天线工作频率处的波长的四分之一。

5.根据权利要求1所述的一种微型智能标签，其特征在于，所述天线图案的正反面重叠的图案形成平板电容器，和螺旋型微带辐射单元并联连接，进一步缩小天线的长度。

6.根据权利要求1所述的一种微型智能标签，其特征在于，所述芯片的背面通过黏结剂固定在电介质基板的零件面天线图案的两个输入焊盘之间，通过超声波焊接将芯片上的焊盘和天线图案上的输入焊盘通过引线连接起来。

7.根据权利要求1所述的一种微型智能标签，其特征在于，所述芯片的正面通过焊接剂焊接在电介质基板的零件面天线图案的两个输入焊盘上，通过焊接剂将芯片上的焊盘和天线图案上的输入焊盘连接起来。

8.根据权利要求1所述的一种微型智能标签，其特征在于，所述天线图案的表面覆盖了保护层，增强了天线的环境适应能力。

9.根据权利要求1所述的一种微型智能标签，其特征在于，所述封装体通过模具射出成型，在多个规则排列的基板表面将芯片包封起来，并采用水刀切割工艺将封装体和基板一起切成单个长方体结构，长方体结构的智能标签的长度在0.5~1.5mm之间，宽度在0.3~1.2mm之间，厚度在0.3~1.0mm之间。

10.  根据权利要求1所述的一种微型智能标签，其特征在于，芯片和天线图案组成的射频电路，其工作频率为800MHz-5.8GHz。

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