На правах рукописи

ВИШНИЦКИЙ АЛЕКСАНДР ФЕДОРОВИЧ

Исследование и разработка технологии создания микромодулей

бесконтактной идентификации для электронных документов

Специальность 05.27.06 – Технология и оборудование для производства

полупроводников, материалов и приборов электронной техники.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.М. Грушевский доктор технических наук, профессор Г.А. Блинов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент В.Н. Тикменов кандидат технических наук, доцент С.В. Корнеев

Ведущая организация:

ОАО «Ангстрем»

Защита состоится «_» 200 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д 212.134.03 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан «» 2009г.

Соискатель А.Ф. Вишницкий

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н., профессор В.Б. Яковлев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Работа посвящена весьма актуальной теме – конструированию и технологии производства электронных бесконтактных идентификаторов таких как: идентификационная радиочастотная карта, электронный вкладыш к паспорту, электронное водительское удостоверение, миграционная карта и т.д. Поскольку технология бесконтактной радиочастотной маркировки и идентификации (RFID) является относительно новой для мировой практики задачей, то область научно-технических исследований явлений, возникающих в конструкциях изделий RFID ещ незначительна. Большинство технологических процессов и конструктивных решений при производстве RFID идентификаторов (карт или меток) основываются в большей степени на эмпирических исследованиях и в меньшей степени на выводах, вытекающих из теоретических расчтов параметров конструкции радиочастотного идентификатора.

В этой связи моделирование и теоретический расчт напряженно– деформированных состояний (НДС) для различных конструкций пластиковых идентификационных карт явно актуальны, так как позволяют получить научную базу для понимания процессов, происходящих в изделиях при их эксплуатации, а на стадии разработки создать максимально наджную конструкцию. Исследование причин возникновения НДС на стадии изготовления идентификационных карт позволяет выбрать такие их конструктивно – технологические параметры, которые в наименьшей степени будут приводить к формированию в изделиях зон с высоким значением механических напряжений, т.е. зон потенциальных дефектов, создающих высокую вероятность нарушения электрического контакта. В результате становится возможным разработать конструкции и выбрать технологии, которые будут способствовать изготовлению современных электронных паспортно-визовых документов с длительным сроком использования в реальных условиях эксплуатации (срок использования – 10 лет), при механических воздействиях в виде скручивания и изгибов, в диапазоне рабочих температур от -10°С до +50°С.

До сих пор работ по расчту и моделированию термомеханических напряжений в идентификационных картах не проводилось. В диссертационной работе такой расчт выполнен. Это дало возможность спроектировать и испытать оптимальную конструкцию идентификационной карты.

В последствии по методологии, изложенной в настоящей работе, может осуществляться расчт для конструкций других типов RFID идентификаторов.

Именно поэтому, тема диссертации, посвященная исследованию и разработке технологии создания микромодулей бесконтактной идентификации для электронных документов является весьма актуальной.

Предмет и объект исследования диссертации Объектом исследования являются микромодули бесконтактной идентификации для электронных документов.

Предметом исследования является конструкция и технология изготовления радиочастотного микромодуля и пластиковой идентификационной радиочастотной карты, которая является вкладышем к электронному паспорту. Особое значение в исследовании отведено конструированию, моделированию и испытаниям сборочного узла идентификационной RFID карты, состоящего из бескорпусной микросхемы и примопередающей антенны, помещнных в слой пластикового материала.

Целью работы является исследование и разработка новой технологии изготовления идентификационных микромодулей на полимерном основании для бесконтактной идентификации электронных документов.

Для реализации цели диссертации автором определены и сформулированы следующие основные задачи:

- обоснование нового конструктивно-технологического решения создание идентификационных микромодулей на полимерном основании, наиболее полно отвечающих требованиям бесконтактной идентификации для электронных документов;

- исследование и разработка физико-технологических принципов создания полимерных плат-антенн с монтажными выводами, обеспечивающими возможность микроконтактирования с контактными площадками идентификационной микросхемы, при одновременном обеспечении формирования антенного контура;

- моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов микросоединения вывода платы-антенны к контактной площадке идентификационной микросхемы для обеспечения повышенной устойчивости к термическим воздействиям (дестабилизирующим факторам);

- разработка новой технологии изготовления микромодулей бесконтактной идентификации для электронных документов.

Научная новизна работы Разработана технология создания микромодулей бесконтактной идентификации для микромонтажа антенны и идентификационной микросхемы, основанная на новом конструктивно-технологическом решении, обеспечивающим повышение их стойкости к многократным перегибам и скручиванию в различных плоскостях по сравнению с известными техническими решениями.

Установлены оптимальные технологические параметры процесса сварки выводов микромодулей при совмещенном монтаже идентификационных микросхем.

Выявлена зависимость и экспериментально подтверждены новые конструктивно-технологические ограничения на сварное соединение микромодуля бесконтактной идентификации. Показано, что наличие компенсирующей петли от сварной точки до антенны является критическим для прочности и определяется конструктивно-технологическими параметрами и материалами микросоединения.

Установлено влияние конструктивно-технологических параметров:

марки используемого термопласта, расположением подложки с микросхемой и антенной между слоями пластиковой карты, длиной компенсирующей петли провода антенны, расположением места приварки медного провода к плоскости вывода микросхемы на величину остаточных термомеханических напряжений микросварного соединения. Выявлено, что использование термопласта ПК (поликарбоната) вместо ПВХ (поливинилхлорида) позволяет снизить напряжения в кремнии в 1, раза, в термопласте в 1,37 раза, в медной проволоке в 1,46 раза.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований:

- предложено для внедрения в массовое производство конструктивно-технологическое решение создания RFID-микромодуля для паспортно-визовых документов, имеющее достаточный запас механической прочности;

- предложена и внедрена технология изготовления микромодулей радиочастотных бесконтактных идентификаторов предназначенных для встраивания в электронные документы.

Практическое использование результатов работы определено тем, что технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод «Компонент»

(г. Зеленоград) при разработке технологического процесса изготовления бесконтактных радиочастотных карт для электронных документов:

электронных читательских билетов и пропусков сотрудников для Государственной публичной научно- технической библиотеки (ГПНТБ) Российской Федерации, а так же ФГУП «НТЦ «Атлас» (г. Москва) при изготовлении бланков документов в виде пластиковых карт размером ID- и ID-2 (социальные карты, транспортные документы, пропуска, удостоверения и т.п.) и производстве изделий МПМ-АМ (заготовок пластиковых страниц Российского загранпаспорта нового образца).

На защиту выносятся Технология создания микромодулей бесконтактной идентификации для электронных документов, основанная на новом конструктивнотехнологическом решении.

Результаты исследований процесса микросварки выводов антенны к контактным площадкам микросхемы.

Результаты исследований процесса горячего прессования микромодулей бесконтактной идентификации при сборке карт.

Установленные зависимости прочности микросварного соединения от конструктивно-технологических факторов: глубины залегания антенны, формы ее свободновисящего участка и марки используемых материалов.

Результаты моделирования влияния конструктивнотехнологических параметров на напряженно-деформированное состояние, величину остаточных термомеханических напряжений и прочностную надежность микросварного соединения элементов микромодуля бесконтактной идентификации.

Методики исследований и достоверность результатов Методики исследований базируются на теоретических физикохимических основах материаловедения и механики твердых тел, математическом моделировании, в экспериментах использована современная исследовательская аппаратура.

Достоверность основных результатов подтверждается большим объемом проведенных исследований, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными испытаниями промышленных образцов, обсуждениями на научнотехнических конференциях. Последующий серийный выпуск этих изделий (в течение полутора лет выпущено более 2 миллионов RFIDвкладышей к паспорту), основанный на результатах данной работы, также подтвердил тот факт, что конструкция и технологические режимы были выбраны правильно.

Апробация работы Апробация результатов работы проводилась в ходе производства и примочных испытаний опытной партии пластиковых бесконтактных радиочастотных вкладышей к паспорту.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 5 научно-технических конференциях:

1. Микроэлектроника и информатика – 2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2007г.

2. VIII ВНТК «Современные промышленные технологии», Всероссийская научно- техническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2007г.

3. Микроэлектроника и информатика – 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2008г.

4. XII ВНТК «Современные промышленные технологии». Всероссийская научно- техническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2008 г.

5. Микроэлектроника и наноинженерия – 2008. Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 2008г.

Публикации Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах, в том числе: в 3 статьях, в том числе в издании, рекомендованном ВАК РФ, 6 тезисах докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, содержащих 77 рисунков и 29 таблиц, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы – 128 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературных источников по теме диссертации для обоснования и выработки конкретных задач исследований. Рассмотрены конструктивно-технологические основы изготовления бесконтактных идентификаторов. Проанализированы особенности и современные проблемы технологии микромодулей планарных бесконтактных идентификаторов.

Показано, что определяющее значение в технологии идентификаторов приобретают сборочно-монтажные процессы, включая монтаж микросхем с антенной на плоский полимерный носитель.

Показано, что наиболее перспективными для RFID с длительным сроком эксплуатации (до 10 лет) являются методы сборки с использованием идентификационных микросхем с приваренной проволочной антенной и их сборка на гибком полимерном основании.

Показано, что для решения основных технических проблем современных микромодулей бесконтактной идентификации требуется разработка новой технологии. Она должна обеспечивать плоскостность микромодулей, когда толщина микромодуля сопоставима с толщиной микросхемы, гибкость конструкции, допускающей перегибы при эксплуатации, унифицированность используемых материалов для контактирования, снижение количества электрических микроконтактов для реализации одного сигнального канала и обеспечивающей минимизацию напряженно-деформированного состояния материалов прибора для повышения ресурса эксплуатации. При этом новая технология должна характеризоваться невысокой трудоемкостью за счет возможного совмещения техпроцессов установки микросхем и монтажа антенного контура.

На основании проведенного анализа состояния дел в области разработки, изготовления и применения микромодулей для приборов бесконтактной идентификации сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты исследования по установлению оптимальных режимов сборки идентификационной пластиковой карты. Разработана технология создания микромодулей бесконтактной идентификации для микромонтажа антенны и идентификационной микросхемы.

Приведены параметры технологического процесса создания микромодуля бесконтактной идентификационной карты, разработанные в настоящей работе.

Под микромодулем здесь понимается структура, состоящая из сборки антенны и микросхемы к которой припрессовывается несколько слов тонкого пластика. Микромодуль является полуфабрикатом для последующего процесса создания карты.

Карта создается на следующем этапе, когда микромодуль запрессовывается с двух сторон листами пластика, на которые предварительно нанесен полиграфический рисунок.

Был произведен подбор оптимальных параметров горячего прессования, при котором обеспечивается хорошее качество внешней поверхности пластикового материала, не происходит разрушение микросхемы и сварного соединения микросхемы с антенной. Выбранный в ходе экспериментальных работ график параметров технологического процесса от времени прессования приведен на рис 1.

Режимы термокомпрессионной сварки являются важным фактором прочности сварного соединения витков медной проволочной антенны с выводами микросхемы.

Исследованы прочностные характеристики сварных соединений медной проволоки диаметром 0,1 мм и контактной площадки идентификационной микросхемы в зависимости от режимов термокомпрессионной сварки.

Исследование закономерностей микроконтактирования предварительно проводилось на специализированной установке для микросварки марки ПБЛ 7700-4001, предназначенной для односторонней микросварки сдвоенным электродом и сварки косвенным импульсным нагревом (СКИН) проводников диаметром от 0,3 мм до 0,1 мм с тонкоплночной металлизацией.

Сварка проводилась различными сварочными головками, с тарированным давлением как V-образным так и сдвоенным электродом от источника импульсного или конденсаторного типа.

Рис. 1. Параметры технологического процесса создания микромодуля идентификационной карты методом горячего прессования.

Для СКИН использовался цилиндрический V-образный электрод диаметром 0,3 мм. Установка обеспечивала следующие режимы:

диапазон регулирования первичного напряжения сварочного трансформатора - 0220 В;

диапазон регулирования длительности сварочного импульса тока – 0,051,2 с;

диапазон изменения мкости конденсаторного источника – мкФ.

диапазон давления электродов на свариваемые детали – 0,32,5 Н;

вертикальное перемещение каретки с механизмом давления – не менее 5 мм.

Исследования включали в себя испытания на прочность микросоединений медных и медных лужных проволочных выводов на основе алюминиевых подложек размерами 6048 и 7895 мм, изолированных полиамидным лаком. Толщина металлизации Cr-Cu на алюминиевой подложке составляла 0,0070,008 мм, толщина гальванического покрытия SnBi – 0,0080,009 мм. Качество сварных соединений оценивали по характеру разрушения и усилию отрыва. Критериями качества сварки служили механическая прочность, степень деформации проволочных выводов, отсутствие отслоений, вздутий, выплесков и прожогов контактных площадок, а для пайки – механическая прочность, форма соединений, состояние поверхности припоя.

Результаты исследований свидетельствуют, что функциональные зависимости изменения прочности микросоединений от основных параметров режима сварки или пайки и степени деформации проволочных выводов носят характер функции с экстремумом (максимум усилия отрыва). Результаты исследований представлены на рис. 2.

Методика предварительных исследований прочности микросварного соединения, выполненная на установке ПБЛ 7700-4001, была использована при подборе режимов микросварки для промышленной установки марки IA-1600 при приварке выводов проволочных антенн к выводам микросхемы электронных бесконтактных вкладышей.

Усилие отрыва, Н Рис. 2. Прочность микросварных соединений проволочных выводов с контактной площадкой (Cr-Cu-SnBi), в зависимости от напряжения сварки: 1-3 – проволока из меди ММ (0,05 мм, и=0,05с); Рсж=1,5 Н (1), 1,2 Н (2), 0,75 Н (3).

Режимы были выбраны с таким расчтом, чтобы в процессе сварки было сохранено 2/3 диаметра материала медной проволоки, а прочность одного соединения антенна – вывод микросхемы на отрыв составляла не менее 0,1 Н. Сварочный V-образный инструмент установки IA- устроен таким образом, что в его центре имеется сплав из материалов с незначительным омическим сопротивлением (порядка 0,1 Ом). Поэтому метод сварки, применяемый на установке марки IA-1600, следует одновременно отнести как к сварке косвенным импульсным нагревом, так и к методу сварки расщепленным электродом. Комбинация двух этих методов в одном процессе обеспечивает большую прочность сварного соединения и меньшую величину деформации медной проволоки в месте сварного соединения при установленных режимах (табл. 1).

Выбранные технологические режимы сварки на установке IA- Начальная мощность, Вт время нарастания, мс Рабочий диапазон, Вт 350-330 время удержания, мс Рабочий диапазон, Н 7- Проведенные экспериментальные работы позволили подобрать такие технологические режимы работы оборудования (установок "Smartlam" и IA-1600), которые обеспечивают формирование требуемой формы проволочной антенны, е качественную микросварку (усилие отрыва не менее 0,1 Н /вывод) и требуемое качество пластикового вкладыша после выполнения процесса горячего прессования.

Третья глава посвящена исследованию влияния конструктивнотехнологических факторов на величину механической прочности микромодуля бесконтактной идентификации и напряженнодеформированное состояние материалов микромодуля.

Показано, что надежность электронного вкладыша определяется не только надежностью и прочностью его компонент, но и надежностью всей конструкции в целом.

Опыт работы по изготовлению микромодулей радиочастотных пластиковых карт показал, что устойчивость карты к внешним механическим и температурным воздействиям в значительной степени зависит не только от хорошей прочности сварного контакта антенны и микросхемы, но также от ряда е конструктивных особенностей: наличия компенсационной петли на концах проволочной антенны, глубины «залегания» микромодуля (микросхемы и антенны) в толще пластикового материала карты, места расположения сварных соединений (выше или ниже плоскости выводов микросхемы).

Разработаны теоретические модели конструкции идентификационных карт (ИК), а по методу конечных элементов выполнен расчт термомеханических напряжений, возникающих в ИК при е нагреве. Расчетная схема идентификационных карт представлена на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная схема узла идентификационной карты (ИК). а) вид с верху, б) сечение В-В, в)сечение А-А, г) изометрия узла ИК.

Выбрана модель бескорпусного кремниевого кристалла и для такой модели рассчитаны прочностные параметры. После горячего прессования карта представляет собой соединение кремниевой микросхемы с двумя медными выводами в виде медных пластин с медными проводами антенны, которые закреплены и герметизированы внутри карты при помощи термопластичных полимерных материалов.

В качестве термопласта использовали поливинилхлорид (ПВХ) и поликарбонат (ПК). Размеры кристалла кремния 5,1х5,1х0,33 мм, диаметр медного провода 0,1 мм, толщина медных выводов 0,06 мм, размеры расчетного узла сборки ИК 22х22х0,84мм.

Исследовали влияние на термопрочность идентификационных карт следующих конструктивно- технологических факторов: марка используемого термопласта (ПВХ или ПК); различное расположение подложки с микросхемой и антенной между слоями пластиковой карты (на рис. толщины слоев термопласта вокруг плоскости антенного контура обозначены снизу как h1 и сверху как h2), наличие компенсирующей петли разной длины из медного провода антенны, расположение места приварки медного провода сверху или снизу плоскости медной пластины (вывода микросхемы).

Моделировалась область конструкции, окружнная пластиковым материалом. Исследуемый узел разбивался на элементарные трхмерные зоны (рис. 4), что дало возможность построить и рассчитать теоретическую модель прочности узла «антенна – микросхема» в зависимости от физико-механических свойств материалов и его конструкции.

Моделирование и термопрочностной анализ ИК проводили с помощью программного комплекса, основанного на методе конечных элементов. Разработали восемь конечно-элементных моделей.

При разработке конечно-элементных моделей использовали следующие принципы и допущения: деформации в материалах линейноупругие, граничные условия не изменяются в процессе нагружения; используются достоверные данные о физико-механических свойствах материалов и конструкций, используется неравномерная сетка конечных элементов (КЭ) для областей, в которых возможны высокие градиенты напряжений; на основе компонентов напряженно-деформированного состояния материалов идентификационной карты и с использованием гипотезы энергии изменения формы определяются эквивалентные напряжения э в каждом конечном элементе КЭ; используются обоснованные и общепризнанные критерии прочностной надежности материалов и соединений; учитываются все значимые конструктивнотехнологические особенности исследуемого объекта; выявляются факторы, оказывающие наибольшее влияние на прочность и жесткость элементов идентификационных карт (ИК), устанавливаются закономерности влияния, осуществляется оптимизация конструкции по критерию прочности. В модели учитываются как линейные упругие деформации так и деформации сдвига.

Рис.4. Конечно-элементная модель узла идентификационной карты.

Анализ прочностной надежности узла идентификационной карты, состоящего из разнородных материалов при температурных воздействиях, проводили в два этапа. На первом этапе определяли эквивалентные напряжения в КЭ модели. На втором этапе из множества полученных значений определяли величину максимальных напряжений max в материалах изделия и сопоставляли их с допускаемыми напряжениями.

В этой модели (рис.5) наглядно изображена деформация элементов конструкции узла, состоящего из кремниевой микросхемы, контактной площадки и медного провода при их нагреве на 30°С. Изгиб конструкции и величина напряжений увеличиваются при несимметричном расположении слов термопласта сверху и снизу кристалла кремниевой микросхемы (плоскостей расположения антенны с «посаженным» на не кристаллом). Напряжения в кремнии повысились в 1,55, а в термопласте в 1,32 раза по сравнению с базовой моделью.

При исследованиях влияния компенсационной петли на распределение напряжений в конструкции установлено, что в петле возникают напряжения значительно большей величины чем напряжения в сварном шве. Этим достигается «разгрузка» сварного соединения (рис. 6).

Рис. 5. Конечно-элементная модель. Распределение термомеханических напряжений в сборочном узле идентификационной карты.

Рис. 6. Конечно-элементная модель. Распределение термомеханических напряжений в сборочном узле идентификационной карты.

На рис. 7 показано изменение формы медной проволоки и величины напряжений () при нагреве сборочного узла ИК на 30°С.

Рис. 7 Конечно-элементная модель (базовая). Распределение термомеханических напряжений в сборочном узле идентификационной карты.

Анализируя, напряжения м для различных моделей в сечении А–А (рис 3) следует, что самый низкий коэффициента концентрации напряжений в медной проволоке kм=2,22 при использовании термопласта ПК.

Самый высокий kм=3,51, в месте, где медная проволока меняет форму перед соединением с пластиной и где сформирована компенсационная петля длинной 5 мм.

Физическая совместимость термопласта ПК с кремнием и медью выше чем у термопласта ПВХ. Формирование узла в материале ПК приводит к самым низким значениям и max, для всех типов применяемых здесь материалов. Использование термопласта ПК позволяет снизить напряжения в кремнии в 1,1 раза, в термопласте в 1,37 раза, в медной проволоке в 1,46 раза при прочих равных параметрах узла.

Расположение медного провода снизу медной пластины обусловило повышение максимальных напряжений в кремнии в 1,35 раза, в медной проволоке концентрация напряжений возросла с 2,63 до 3,41.

Использование петли в медной проволоке, как компенсатора напряжений в термопласте, наиболее эффективно при ее длине не более мм. При l=5 мм напряжения в пластике уменьшаются с 92 МПа (67 МПа в ПК) до 64 МПа (в 1,44 раза). Использование петли с длинной более мм положительного эффекта не дает.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния эксплуатационных факторов на параметры микромодулей идентификационных карт.

Карты размещали в испытательной машине в соответствии со стандартом, как показано выше и выполнялось последовательно по 1000 циклов скручивания и 1000 циклов на изгиб. Проверяли работоспособность карт до и после испытания. Прекращали испытания после того цикла, когда считыватель информации, фиксировал факт отсутствия функционирования идентификационной микросхемы. Этот факт свидетельствовал о том, что произошло физическое разрушение соединения микросхемы с антенной внутри микромодуля бесконтактной идентификационной карты.

В начале испытания проводили на трх различных конструкциях микромодуля карты, отличающихся друг от друга различным расположением микромодуля внутри карты (рис. 8). Результаты испытаний проведены в таблицах ниже. Запас прочности показывает во сколько раз положительные результаты испытаний данного варианта превышают требование стандарта ISO по механической нагрузке на скручивание и изгиб.

Рис. 8. Конструктивные варианты, отличающихся расположением микромодуля.

Результаты исследований прочности бесконтактных идентификационных карт при испытаниях на скручивание и изгиб Конструктивный Глубина залегания Толщина идентификаци- «Запас Примечание. *Запас прочности показывает во сколько раз данный вариант изделия превышает стандарты ISO по механической нагрузке на скручивание и изгиб Как следует из табл. 2, лучшим результатом по прочности на скручивание и изгиб (17000 циклов до разрушения) обладают изделия варианта 2, в котором микромодуль располагается в зоне близкой к средине карты (по ее поперечному сечению).

Далее испытания проводили на двух различных вариантах конструкции микромодуля карты, отличающихся друг от друга различным расположением сварного соединения в толще пластиковой карты (рис. 9). Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Рис. 9. Конструктивные варианты, отличающихся расположением сварного соединения.

Результаты исследований прочности бесконтактных идентификационных карт при испытаниях на скручивание и изгиб Конструктивный Глубина залегания Толщина идентификацион- «Запас Как следует из табл. 3, лучшим результатом по прочности на скручивание и изгиб (17000 циклов до разрушения) обладают изделия варианта 2, в котором сварное соединение располагается сверху вывода микросхемы.

А так же испытания проводили на семи различных конструкциях микромодуля бесконтактной идентификационной карты, отличающихся друг от друга различными длинами компенсационной петли (рис. 10). Результаты испытаний проведены в табл. 4 ниже.

Рис. 10. Конструктивный вариант микромодуля идентификационной карты, где L – длина компенсационной петли.

Как следует из табл. 4, лучшим результатом по прочности на скручивание и изгиб (17000 циклов до разрушения) обладают изделия варианта 5, в котором размер компенсационной петли составляет длину 5 мм.

Результаты исследований прочности бесконтактных идентификационных карт при испытаниях на скручивание и изгиб Длина компенсационной петли (L), мм Испытания так же проводили на трх различных конструкциях микромодуля карты, отличающихся друг от друга различными высотами компенсационной петли (рис. 11). Как следует из табл. 5, лучшим результатом испытаний по прочности обладают изделия варианта 2, в котором высота компенсационной петли составляет величину 0,2 мм.

Рис. 11. Конструктивные варианты микромодуля идентификационной карты, отличающиеся различными высотами компенсационной петли.

Результаты исследований прочности бесконтактных идентификационных карт при испытаниях на скручивание и изгиб Проведение испытаний на устойчивость изделий к механическим нагрузкам по методике стандарта ГОСТ Р ИСО/МЭК 10373-1- «Карты идентификационные, методы испытаний, часть I» подтвердило, что микромодуль радиочастотного пластикового вкладыша к электронному паспорту максимально устойчив к внешним воздействиям по сравнению с другими конструкциями. Изготовленные идентификационные карты на основе нового конструктивно-технологического решения создания микромодуля показали 17 кратный «запас прочности» по отношению к требованиям стандарта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа посвящена рассмотрению технологических, конструктивных и теоретических аспектов проектирования и производства пластиковых бесконтактных радиочастотных идентификационных карт.

Основное внимание в работе уделено проектированию и технологии производства электронного радиочастотного вкладыша к паспорту – электронного документа.

Проанализированы различные методы сборки электронных компонентов бесконтактных RFID карт, так называемых микромодулей. Рассмотрены варианты изготовления микромодулей с использованием бескорпусных идентификационных микросхем.

Значительное место в работе уделено рассмотрению вопросов возникновения потенциальных дефектов, влияющих на долговременную наджность электронного радиочастотного документа.

Для изучения эффектов, влияющих на разрушение компонентов идентификационной карты из-за возникновения внутренних термомеханических напряжений, был использован метод конечных элементов (МКЭ), который позволил наглядно смоделировать структуру распределения механических напряжений в идентификационной карте и их изменение при смене основных параметров ИК, таких как: тип материала ИК, форма элементов конструкции, место их расположения внутри карты.

Проведенные исследования позволили установить закономерности влияния конструктивно-технологических факторов на прочность материалов и соединений ИК, а также сделать следующие выводы.

Основные результаты и выводы 1. Проведены научные и технические исследования, на основе которых разработана технология создания микромодулей бесконтактной идентификации для микромонтажа антенны и идентификационной микросхемы, основанная на новом конструктивно-технологическом решении, обеспечивающим повышение их стойкости к многократным перегибам и скручиванию в различных плоскостях по сравнению с известными техническими решениями.

2. На основе физико-технологических исследований определены оптимальные технологические параметры процесса микросварки выводов антенны к контактным площадкам микросхемы при формировании антенного контура в едином технологическом цикле. Стабильная прочность сварных микросоединений обеспечивается при следующих параметрах микросварки: длительность импульса (набор мощности 26 мс, удержание 46 мс, спад 1 мс); максимальная мощность 400 Вт при силе тока 200 А; усилие прижима термода 10 Н.

3. Получены результаты исследований влияния конструктивнотехнологических параметров (марки используемого термопласта, расположением подложки с микросхемой и антенной между слоями пластиковой карты, длиной компенсирующей петли провода антенны, расположением места приварки медного провода к плоскости вывода микросхемы) на величину остаточных термомеханических напряжений материалов сварного соединения. Выявлено, что использование термопласта ПК (поликарбоната) вместо ПВХ (поливинилхлорида) позволяет снизить напряжения в кремнии в 1,1 раза, в термопласте в 1,37 раза, в медной проволоке в 1,46 раза.

4. Расчетным путем получены и экспериментально подтверждены новые конструктивно-технологические ограничения на сварное соединение микромодуля бесконтактной идентификации. Показано, что наличие компенсирующей петли от сварной точки до антенны является критическим для прочности и определяется конструктивнотехнологическими параметрами и материалами микросоединения.

5. Использование компенсационной петли из медной проволоки как компенсатора напряжений эффективно при длине петли l=35 мм высотой 0,2 мм, что значительно снижает термомеханические напряжения в сварном соединении. При этом радиочастотный антенный контур идентификационной карты необходимо располагать в средней части толщины пластикового материала.

6. На основе физико-технологических исследований определены оптимальные технологические параметры процесса горячего прессования микромодулей идентификационных карт. Во избежание влияния эффекта вакуумирования должны быть сведены к минимуму геометрические размеры микрополостей в идентификационных картах.

7. На основе разработанной технологии изготовлены и испытаны действующие образцы модулей идентификационных карт. Проведенные испытания на механическую прочность (изгиб и скручивание) по методике стандарта ISO ГОСТ Р ИСО/МЭК 10373-1-2002 «Карты идентификационные, методы испытаний» показали, что микромодули характеризуются высокой стабильностью. Наилучший результат, полученный в ходе испытаний, показал 17-кратное превышение прочности изготовленных образцов по сравнению с требованиями стандарта ISO ГОСТ Р ИСО/МЭК 10373-1-2002. Это явилось реальным подтверждением того, что проектирование конструкции ИК с параметрами, выбранными по методике, изложенной в настоящей работе, представляет собой совершенно правильный подход к проектированию идентификационных радиочастотных пластиковых карт. Основные технические показатели таких идентификационных микромодулей:

- диапазон рабочих частот (ISO 14443), МГц - 13,56;

- максимальная дальности считывания, мм - 150;

- габаритный размер ID-1, мм · мм - 85,6 х 53,98;

- габаритный размер ID-2, мм · мм - 105 х 74;

- габаритный размер ID-3, мм · мм - 125 х 88;

- толщина карты, мм – 0,76.

8. Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод «Компонент»

(г. Зеленоград) при разработке технологического процесса изготовления бесконтактных радиочастотных карт для электронных документов:

электронных читательских билетов и пропусков сотрудников для Государственной публичной научно- технической библиотеки (ГПНТБ) Российской Федерации, а так же ФГУП «НТЦ «Атлас» (г. Москва) при изготовлении бланков документов в виде пластиковых карт размером ID- и ID-2 (социальные карты, транспортные документы, пропуска, удостоверения и т.п.) и производстве изделий МПМ-АМ (заготовок пластиковых страниц Российского загранпаспорта нового образца).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Балабанов В.Т., Погалов А.И., Грушевский А.М., Вишницкий А.Ф. Анализ напряженно-деформированного состояния при монтаже плоских идентификационных модулей бесконтактной идентификации.

Элементы микросистемной техники, оборудование и технология их производства: Сборник научных трудов. – М.: МИЭТ, 2006. с. 64-69.

2. Балабанов В.Т., Вишницкий А.Ф. Конструктивнотехнологические особенности формирования микроконтактного соединения для минимизации напряженного состояния. Микроэлектроника и информатика – 2007. 14-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2007, с. 87.

3. Вишницкий А.Ф., Резник А.Ю., Балабанов В.Т. Анализ конструкций пленочных индуктивных антенн для различных типов бесконтактных радиочастотных идентификаторов. VIII ВНТК «Современные промышленные технологии», Всероссийская научно- техническая конференция. Тезисы докладов. – Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2007, с. 24.

4. Вишницкий А.Ф. Физические процессы влияющие на качество пластиковых бесконтактных карт при их изготовлении методом горячего прессования. VIII ВНТК «Современные промышленные технологии», Всероссийская научно- техническая конференция. Тезисы докладов. – Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационнометодический центр «Диалог», 2007, с. 26.

5. Балабанов В.Т., Вишницкий А.Ф., Грушевский А.М., Ларионов Н.М. Конструктивно-технологические особенности микроконтактирования микросхем в производстве плоских электронных модулей бесконтактной идентификации. Микросистемная техника. Моделирование, технология, контроль: Сборник научных трудов. – М.: МИЭТ, 2007, с.

97-105.

6. Вишницкий А.Ф., Грушевский А.М., Ларионов Н.М., Погалов А.И., Резник А.Ю. Исследование и моделирование термопрочности пластиковых бесконтактных идентификационных карт. Известия высших учебных заведений. Электроника. Научно-технический журнал № 2008. С. 18-24.

7. Вишницкий А.Ф. Исследование режимов термокомпрессионной сварки при сборке микромодулей электронных документов. XII ВНТК «Современные промышленные технологии». Всероссийская научнотехническая конференция. Тезисы докладов. – Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2008, с. 29-30.

8. Вишницкий А.Ф., Резник А.Ю., Балабанов В.Т. Исследование и моделирование термопрочности радиочастотных, бесконтактных пластиковых идентификационных карт. Микроэлектроника и информатика – 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2008, с.88.

9. Балабанов В.Т., Грушевский А.М., Вишницкий А.Ф. Технология плоских микромодулей бесконтактной идентификации. Микроэлектроника и наноинженерия – 2008. Международная научно-техническая конференция: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2008, с. 127-128.

Подписано в печать:

Заказ №. Тираж _ экз. Уч.-изд.л. _. Формат 60х84 1/ Отпечатано в типографии МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ (ТУ).