JP2017054255A - 紙基材を用いたｒｆｉｄタグ基材およびｒｆｉｄタグ - Google Patents

Abstract

【課題】紙基材表面にアンテナ回路を形成したＲＦＩＤタグの耐候性を改善する。【解決手段】表面にＵＶメジウム層を有する紙基材１のＵＶメジウム層上に銀導電膜からなる導電回路２を設けたＲＦＩＤタグ基材３と、貴金属めっき被覆層８を設けた金属製バンプ４を持つＩＣチップ５とを有し、導電回路２と金属製バンプ４が電気的に接続している。【選択図】図２

Description

本発明は、紙基材の表面にアンテナ回路を形成したＲＦＩＤタグ用の基材、およびそれを用いたＲＦＩＤタグに関する。

ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は物流や製造管理などの用途で幅広く利用されている。物品に取り付けられるＲＦＩＤタグは、アンテナ回路を有する基材と、その基材に実装されたＩＣチップにより構成される。ＩＣチップは、バンプと呼ばれる突起状の金属部材を介して基材上のアンテナ回路との導通をとるタイプのものが多用されている。

図１に、ＩＣチップを実装したＲＦＩＤタグの断面構造を模式的に例示する。基材１の表面に導電回路２が形成されてＲＦＩＤタグ基材３を構成している。導電回路２はアンテナとして機能する回路パターンにデザインされている。最近では例えば銀ナノ粒子を用いた低温焼成タイプの導電ペーストにより、屈曲性と導電性の良好な所望パターンのアンテナ回路が比較的容易に描画できるようになっている（特許文献１）。基材１には金属製のバンプ４を持つＩＣチップ５が導電性接着剤６により接合されている。バンプ４が導電回路２の一部分に接触し、ＩＣチップ５内部の電子回路とアンテナである導電回路２とが電気的に接続している。バンプ４は、従来、金などの貴金属で構成することが一般的であった。しかし近年ではコスト低減の観点から、ニッケルなどの比較的安価な金属の表面に金などの貴金属めっきを施した「貴金属めっきタイプ」のバンプを採用する例が増大する傾向にある。

図２に、貴金属めっきタイプのバンプを持つＩＣチップを実装したＲＦＩＤタグの断面構造を模式的に例示する。バンプ４は、内部金属部材７の表面に貴金属めっき層８を有している。図中、貴金属めっき層８の厚さは誇張して描いてある。内部金属部材７は貴金属よりも標準電極電位が卑である金属（例えばニッケル）で構成される。バンプ４の表面が貴金属であるため導電回路２との間の導電性は良好である。バンプのめっき処理コストが十分に低減できれば、バンプ全体を貴金属で構成する場合よりも貴金属の使用量が少ない分、ＲＦＩＤタグの製品コストを下げることが可能となる。

特開２０１３−１２７９１３号公報

ＲＦＩＤタグのアンテナ回路を配置するための基材（図１、図２の符号１に相当するもの）には従来一般的に樹脂シートが多用されている。この基材にはある程度の可撓性が要求されるが、過度に変形するとアンテナ回路が損傷し、アンテナとして機能しなくなる。従って、基材の素材としては適度な強度を有する絶縁性の樹脂が選択されることが多い。

一方、衣料品、パルプ製品などの物流管理および製造管理や、酒などの真贋判定の用途においては、紙を基材としたＲＦＩＤタグの要求がある。紙は易破壊性であるという特質も有しており、今後は易破壊性を重視する用途で紙基材を用いたＲＦＩＤタグの需要増大が見込まれる。上述のように最近では銀ナノ粒子を配合する低温焼成タイプの導電塗料が開発されている。例えばそのような導電塗料を用いた印刷技術を利用すると紙基材の表面に耐屈曲性の良好なアンテナ回路を描画することができ、紙基材を用いた易破壊性のＲＦＩＤタグの工業的量産が可能である。

ところが、紙基材にアンテナ回路を形成したＲＦＩＤタグの普及を図るうえで、新たな問題が生じた。すなわち、図２に示したような貴金属めっきタイプのバンプを有するＩＣタグを用いると、使用環境によってはバンプに腐食が生じやすく、早期に通信距離の急激な低下が起きる場合があることが明らかとなった。本発明はこのような事情に鑑み、紙基材表面にアンテナ回路を形成したＲＦＩＤタグの耐候性不良に起因する性能低下を安定して改善するための技術を提供することを目的とする。

上記目的は、表面にＵＶメジウムが塗布された紙基材と、紙基材のＵＶメジウムが塗布された表面に、銀導電膜からなる導電回路を有する、ＲＦＩＤタグ基材によって達成される。

ここで、「紙」とは、ＪＩＳ Ｐ０００１：１９９８「紙・板紙及びパルプ用語」の番号４００４に定義されている通り、植物繊維その他の繊維をこう着させて製造したものを意味し、素材として合成高分子物質を用いて製造した合成紙や、繊維状無機材料を配合したものも含む。

上記のＲＦＩＤタグ基材には、貴金属めっき被覆された金属製バンプを持つＩＣチップが実装される。ここで、貴金属とは、金、銀、および白金属元素（白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム）である。上記の貴金属めっき被覆された金属、すなわちバンプを構成する内部金属は、めっき層の貴金属よりも標準電極電位が卑な金属であり、例えばニッケルが挙げられる。上記の紙基材の表面の導電回路は印刷されたものであり、例えば銀導電膜からなるものが好適である。

また本発明では、表面にＵＶメジウムが塗布された紙基材と、紙基材のＵＶメジウムが塗布された表面に、銀導電膜からなる導電回路を有する、ＲＦＩＤタグ基材と、貴金属めっき被覆された金属製バンプを持つＩＣチップが接合され、導電回路とＩＣチップの金属製バンプが電気的に接続しているＲＦＩＤタグが提供される。

本発明によれば、紙基材表面にアンテナ回路を形成したＲＦＩＤタグにおいて、貴金属めっきタイプのバンプを持つＩＣチップを実装した場合の耐候性を安定して改善することが可能となった。従って本発明は、紙基材の易破壊性を活かした低コストのＲＦＩＤタグの普及に寄与するものである。

バンプを持つＩＣチップを実装したＲＦＩＤタグの断面構造を模式的に例示した図。 貴金属めっきタイプのバンプを持つＩＣチップを実装したＲＦＩＤタグの断面構造を模式的に例示した図。 ＲＦＩＤタグのアンテナ回路パターンの一例を示す図。

上述のように、物流管理や真贋判定などの用途で利用される、紙基材表面にアンテナ回路を形成したＲＦＩＤタグにおいて図２に示したような貴金属めっきタイプのバンプを有するＩＣタグを用いると、使用環境によってはバンプに腐食が生じやすく、早期に通信距離の急激な低下が起きる場合がある。発明者らの調査によれば、この種のバンプ腐食は、貴金属めっき層と、それより卑な金属からなる内部金属部材との間に局部電池が形成されて、卑な金属である内部金属が溶解する異種金属接触腐食（ガルバニック腐食）によるものであることがわかった。バンプが腐食するとアンテナ回路との間の電気抵抗が増大し、アンテナの性能が低下する。貴金属めっき層にはめっき欠陥であるピンホールの存在が不可避であり、そのピンホールを通じて、貴金属めっき層と内部金属部材が、物品に付着している水分や空気中の湿分に起因する水膜で繋がり、局部電池が形成されるものと考えられる。

樹脂製基材のＲＦＩＤタグで問題を生じなかったＩＣチップであっても、それを紙基材のＲＦＩＤタグに転用すると上記の異種金属接触腐食が起こることが多い。そのことから、紙基材は樹脂基材と比べ水分を含みやすいことがバンプの異種金属接触腐食を招く要因となっていると考えられる。一方、異種金属接触腐食の進行には、両金属と接触している水溶液中に腐食の進行を助長するイオン種（電解質）がどの程度含まれているかという、腐食環境側の要因も大きく影響する。そのようなイオン種は水分を含んだ紙基材から供給される可能性が高い。

発明者らは、紙基材に含まれるイオン源物質の種類・量と、バンプ腐食の関係を突き止めるべく研究を重ねてきた。その結果、紙基材から供給される塩化物イオン（Ｃｌ⁻）が供給されることを防ぐことで、バンプの異種金属接触腐食に大きな影響を及ぼすことがわかった。そこで塩化物イオン（Ｃｌ⁻）が供給されるのを防ぐため、紙基材表面に保護層を形成することが有効であることを知見した。保護層は、紙基材からの塩化物イオン（Ｃｌ⁻）の供給を防げれば、いかなる物でも構わないが、入手容易性などの観点からメジウムであることが好ましい。メジウムは、メジウムの溶剤成分として水またはアルコールを含まないものが好ましい。メジウムは、基材に塗布した後の硬化時間を短くできるため、紫外線で瞬間硬化する光硬化性材料であるＵＶメジウムが好ましい。
具体的には、紙基材表面に揮発成分として水またはアルコールを含まないＵＶメジウムを塗布し、硬化させることで、ＵＶメジウム層を紙基材表面に形成している。なお、ＵＶメジウム層は、紙基材の可撓性を損なわない程度の厚みを有するように紙基材上に形成しても良い。また、ＵＶメジウム層は、紙基材にＵＶメジウムを塗布し染み込ませて、硬化させて紙基材とＵＶメジウムを一体に形成するものも含む。ＵＶメジウム層の厚さは、どのような厚みでも構わないが、紙基材の可撓性を損なわない程度であれば１ｎｍ〜５００ｎｍにすることが好ましい。
その紙基材表面に貴金属めっきタイプのバンプを持つＩＣチップを実装することにより、バンプの異種金属接触腐食が顕著に防止されることがわかった。すなわち、貴金属めっきタイプのバンプを持つＩＣチップを、ＵＶメジウムを塗布した紙基材のアンテナ回路に実装したＲＦＩＤタグにおいて、その耐候性を顕著に改善することができる。
メジウムの塗布方法は、フレキソ印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、インクジェット印刷など、いかなる方法でも構わないが、塗布速度の観点からフレキソ印刷で塗布することが好ましい。
塗布したＵＶメジウムは、紫外線照射器（例えば６．４ｋＷ水銀ランプ）を用いてＵＶメジウムを硬化させた。
ＵＶメジウムの硬化は、大気雰囲気下で行っても、窒素やアルゴン雰囲気下などの不活性雰囲気下で行っても構わない。
ＵＶメジウム層が形成された紙基材上には、導電膜からなるアンテナ形状の導電回路が形成される。導電膜は、５０〜７０質量％の銀粒子を含む銀インクを紙基材に塗布した後に焼成することにより、銀導電膜を紙基材上に形成する。
銀インクの銀粒子の平均粒径が２０ｎｍ以下であるのが好ましく、５〜１５ｎｍであるのが好ましい。銀粒子の平均粒径が数ｎｍ〜十数ｎｍ程度になると、比表面積が大きくなって融点が劇的に低下するため、低温で焼成しても銀粒子同士を焼結させることができる。
銀インクの紙基板への塗布方法は、フレキソ印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、インクジェット印刷など、いかなる方法でも構わないが、塗布速度の観点からフレキソ印刷で塗布することが好ましい。
銀インクの焼成は、大気雰囲気下で行っても、窒素やアルゴン雰囲気下などの不活性雰囲気下で行っても構わない。
焼成温度は１００℃〜１６０℃で行うことが好ましい。

〔実施例１〕
基材として塗工紙（三菱製紙株式会社製のＤＦカラーＧＮ１１０）を用意した。フレキソ印刷機（ＲＫ Ｐｒｉｎｔ Ｃｏａｔ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＦＬＥＸＩＰＲＯＯＦ １００）を使用して、塗工紙の表面にＵＶメジウムを塗布した。塗布されたＵＶメジウムは、溶剤成分として水またはアルコールを含まないＵＶフレキソメジウムＤ（Ｔ＆Ｋ ＴＯＫＡ製）を用いた。フレキソ印刷機とフレキソ印刷版を用いて、アニロックス容量８ｃｍ^３／ｍ^２の条件で塗布した。その後、紫外線照射器（６．４ｋＷ水銀ランプを使用）にて紫外線を照射し、塗布したＵＶメジウムを硬化させた。

〔ＲＦＩＤタグ基材の作製〕
導電塗料として、平均一次粒子径１５ｎｍ、平均二次粒子径３４０ｎｍの銀粒子を６０質量％、塩化ビニルコポリマーラテックスを３.０質量％、ポリウレタンシックナーを２.０質量％、プロピレングリコールを２.５質量％含有する銀インク（ピーケム アソシエイツ インク社製、ＰＦＩ−７００型）を用意した。枚葉式フレキソ印刷機（日本電子精機社製）とフレキソ印刷版を用いて、上記の銀インクをアニロックス容量８ｃｍ^３／ｍ^２の条件で、上記ＵＶメジウムを硬化して形成した基材表面に印刷することにより、図３に示す回路パターンのアンテナを描画した。この回路パターンは後述のＩＣチップに適合するようにデザインされたものである。アンテナの描画領域は８ｍｍ×９４ｍｍ、線幅は約０.６ｍｍである。アンテナを描画した後、ホットプレート上で１５５℃で３０秒間熱処理する手法により焼成し、平均厚さ０.５〜１.０μｍの銀導電膜からなるアンテナ形状の導電回路を形成し、ＲＦＩＤタグ基材を得た。

〔ＲＦＩＤタグの作製〕
ＩＣチップとして、Ｉｍｐｉｎｇ社製のＭｏｎｚａ４を用意した。このＩＣチップはニッケルの表面に金めっきを施した「貴金属めっきタイプ」のバンプを有している。ＲＦＩＤタグ基材上のＩＣチップを接合する箇所（バンプ位置の周辺領域）に、Ａｕ／Ｎｉコートポリマー粒子を含有する異方性導電接着剤（ＡＣＰ）（京セラケミカル社製、ＴＡＰ０６０４Ｃ）を薄く塗布し、このＡＣＰ上に前記ＩＣチップを配置した後、熱圧着装置（ミュールバウワー社製、ＴＴＳ３００）により１６０℃で１.０Ｎの荷重を加えて１０秒間密着させることによりＩＣチップをＲＦＩＤタグ基材上に実装し、ＲＦＩＤタグを得た。

〔通信距離および電気抵抗の測定〕
上記のようにして作製した各ＲＦＩＤタグについて、通信距離測定器（Ｖｏｙａｎｔｉｃ社製、ｔａｇｆｏｒｍａｎｃｅ）を用いて、電波暗箱（マイクロニクス社製、ＭＹ１５３０）中での８００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚの周波数領域（ＩＳＯ／ＩＥＣ １８０００−６Ｃ規格に準拠）における通信距離（Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅａｄ ｒａｎｇｅ ｆｏｒｗａｒｄ）を測定した。この測定に先立って、この条件における環境設定（ｔａｇｆｏｒｍａｎｃｅ付属のリファレンスタグによる設定）を行った。
また、得られたＲＦＩＤタグのアンテナ形状の導電回路（ライン長１４６ｍｍ）における電気抵抗をテスター（ＣＵＳＴＯＭ社製、ＣＤＭ−０３Ｄ）により測定した。
次に、上記各ＲＦＩＤタグを恒温恒湿装置内で８５℃×８５％ＲＨの条件で１６８ｈ保持する促進耐候性試験に供し、その後、上記と同様に通信距離および電気抵抗を測定した。

促進耐候性試験前の通信距離を「初期通信距離」、促進耐候性試験後の通信距離を「耐候性試験後通信距離」と呼ぶ。ここでは、９２０ＭＨｚでの測定値を各ＲＦＩＤタグの「初期通信距離」および「耐候性試験後通信距離」として採用し、これらを下記（１）式に代入して促進耐候性試験前後での通信距離維持率を求めた。
通信距離維持率（％）＝耐候性試験後通信距離（ｍ）／初期通信距離（ｍ）×１００ …（１）
以上の結果を表１に示す。

〔比較例１〕
基材として塗工紙（三菱製紙株式会社製のＤＦカラーＧＮ１３５）を用意し、塗工紙の表面にＵＶメジウムを塗布しなかった。この基材を使用して、実施例１と同様の方法により、ＲＦＩＤタグ基材およびＲＦＩＤタグを作製し、その通信距離および電気抵抗を測定した。

〔比較例２〕
基材としてコピー紙（カウネット社製）を用意した以外は比較例１と同様の方法により、ＲＦＩＤタグ基材およびＲＦＩＤタグを作製し、その通信距離および電気抵抗を測定した。

〔比較例３〕
基材としてミラコート紙（王子製紙社製）を用意した以外は比較例１と同様の方法により、ＲＦＩＤタグ基材およびＲＦＩＤタグを作製し、その通信距離および電気抵抗を測定した。

〔比較例４〕
比較例４として、溶剤成分としては水が主体である水性メジウムであるＡＱＵＥＳ ＡＣ クリアー紙用Ｄ（Ｔ＆Ｋ ＴＯＫＡ製）を用意し、基材表面に塗布し、硬化させ、水性メジウム層を形成した以外は実施例１と同様の方法により、ＲＦＩＤタグ基材およびＲＦＩＤタグを作製し、その通信距離および電気抵抗を測定し、ＵＶメジウム層を形成したものとの比較を行った。その結果、ＵＶメジウム層を形成したものよりも通信距離維持率が低くなった。

〔比較例５〕
溶剤成分としては水が主体である水性メジウムであるＡＱＵＥＳ ＡＣ クリアー紙用Ｄ−８（Ｔ＆Ｋ ＴＯＫＡ製）を用意し、基材表面に塗布し、乾燥させ、水性メジウム層を形成した以外は実施例１と同様の方法により、ＲＦＩＤタグ基材およびＲＦＩＤタグを作製し、その通信距離および電気抵抗を測定し、ＵＶメジウム層を形成したものとの比較を行った。その結果、ＵＶメジウム層を形成したものよりも通信距離維持率が低くなった。

〔比較例６〕
溶剤成分としては水が主体である水性メジウムであるＡＱＵＥＳ ＡＣ クリアー紙用Ｄ−９（Ｔ＆Ｋ ＴＯＫＡ製）を用意し、基材表面に塗布し、乾燥させ、水性メジウム層を形成した以外は実施例１と同様の方法により、ＲＦＩＤタグ基材およびＲＦＩＤタグを作製し、その通信距離および電気抵抗を測定し、ＵＶメジウム層を形成したものとの比較を行った。その結果、ＵＶメジウム層を形成したものよりも通信距離維持率が低くなった。

これらの実施例および比較例のＲＦＩＤタグ基材の製造条件と、そのＲＦＩＤタグ基材を使用して作製したＲＦＩＤタグの電気抵抗、通信距離、通信距離維持率を表１に示す。

表１からわかるように、上述のＵＶメジウムを塗布した紙基材を用いると、貴金属めっきタイプのバンプを持つＩＣチップを実装したときの耐候性が顕著に向上する。

１ 基材
２ 導電回路
３ ＲＦＩＤタグ基材
４ バンプ
５ ＩＣチップ
６ 導電性接着剤
７ 内部金属部材
８ 貴金属めっき層

Claims (5)

1. 表面にＵＶメジウム層を有する紙基材と、
   前記ＵＶメジウム層上に、銀導電膜からなる導電回路を有する、ＲＦＩＤタグ基材。
2. 表面にＵＶメジウム層を有する紙基材と、
   前記ＵＶメジウム層上に、銀導電膜からなる導電回路を有する、ＲＦＩＤタグ基材と、
   前記ＲＦＩＤタグ基材の前記導電回路と電気的に接続している貴金属めっき被覆された金属製バンプを有するＩＣチップを有するＲＦＩＤタグ。
3. 前記ＩＣチップの金属製バンプが、ニッケル製バンプである請求項２に記載のＲＦＩＤタグ。
4. 紙基材表面にＵＶメジウムを塗布し、硬化する工程と、
   前記紙基材表面に、銀導電膜からなる導電回路を形成する工程と、を有する
   ＲＦＩＤタグ基材の製造方法。
5. 紙基材表面にＵＶメジウムを塗布し、硬化する工程と、、
   前記紙基材表面に、銀導電膜からなる導電回路を形成する工程と、
   前記導電回路上に、貴金属めっき被覆された金属製バンプを持つＩＣチップを接合する工程を有するＲＦＩＤタグの製造方法。