无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，具有识别距离远、识别速度快、抗干扰能力强以及多目标同时识别等优点，在制造、物流、医疗、交通等领域具有大规模应用的前景。RFID标签制造装备是光、机、电一体化的高端装备，是实现高性能RFID标签制造的关键装备。
在国家自然科学基金、973、863等项目持续资助下，数字制造装备与技术国家重点实验室尹周平、熊有伦、王瑜辉、陶波、陈建魁等对高性能RFID标签制造工艺与装备展开了深入研究。针对高性能RFID标签制造装备研发的重大需求，研究了超薄芯片倒装键合界面形成机理、微薄芯片无损拾取、多自由度高效高精贴片等关键理论和技术，自主研制了我国第一台高性能RFID标签封装设备，实现了抗金属、长寿命的高性能RFID标签高效高精制造。主要研究工作包括：
1、研究了超薄芯片倒装键合界面形成机理。发现了导电胶倒装键合中接触电阻“弯曲效应”，建立了接触点电阻精确计算模型，解决了接触电阻失稳导致键合性能难以精确控制的难题。研究了各向异性导电胶倒装键合过程中导电粒子变形、弹性模量、焊盘几何特征等对导电胶倒装键合界面接触电阻的影响机理，揭示了粒子变形、接触斑点产生不可忽视的附加电阻（见图1），进而发现了导电粒子变形导致的接触电阻“弯曲效应”（见图2），在此基础上提出了键合界面接触电阻精确建模与计算方法，解决了接触电阻失稳导致键合性能难以精确控制的难题。研究了键合温度、压力、时间等对键合性能的影响规律，在此基础上提出了新的键合性能表征参数—加热因子Qη，建立了基于Qη的键合性能定量评价方法，解决了传统评价指标难以测量导致键合性能无法在线调控的难题，提出了键合压力、键合温度、基板张力等工艺参数精确协同控制方法及装置。研究成果用于微薄RFID芯片倒装键合工艺过程控制，实现了RFID标签高性能倒装键合，保证金属环境下标签读写成功率>99.8%。
图1粒子变形、接触斑点产生附加电阻
图2接触电阻“弯曲效应”
2、研究了倒装贴片过程中超薄芯片的剥离拾取问题。揭示了微薄芯片拾取过程中剥离与碎裂的竞争行为及其影响机理，发现了微薄芯片拾取过程中芯片剥离与碎裂的竞争行为（见图3），从理论上解释了芯片尺寸、厚度等对拾取工艺与成功率的影响，为微薄芯片高可靠无损剥离提供了理论依据。提出了微薄芯片-柔性蓝膜复合结构的界面剥离能量释放率精确计算方法，揭示了芯片几何尺寸（长度、厚度等）、材料属性（芯片、蓝膜弹性模量等）以及工艺参数（顶针分布、顶起高度等）对芯片可剥离性的影响规律，为剥离装置工艺参数优化设计提供理论依据。研制了柔性顶针微薄芯片高可靠剥离装置（见图4）与直线驱动的芯片翻转装置（见图5），利用压杆屈曲原理实现对最大顶起载荷和位移的控制，解决了传统刚性顶针剥离装置无法设定最大剥离载荷所导致芯片断裂与冲击穿孔等问题。研制的柔性顶针剥离装置和气动驱动翻转装置成功应用于该项目研制的RFID标签倒装键合装备，实现了100mm 的RFID芯片高效高可靠拾取，剥离成功率 > 99.9%。
图3 基于竞争指数的芯片剥离定量判定准则
图4 柔性顶针剥离方法及装置 图5气动直线驱动翻转装置
3、研究了精密视觉引导下的微小芯片高效高精贴片方法。提出了基于多反射镜的飞行视觉定位装置（见图6），用一套视觉系统在贴片装置运动过程中分别获取芯片和基板图像，突破了原有方法采用两套视觉系统对芯片和基板位置分别检测所产生的图像采集时间长、坐标系不统一等局限性。
针对运动过程中图像动态获取存在的混合噪声干扰、运动及离焦模糊、图像缺失等问题，提出了数学形态学混合滤波、快速图像盲恢复、多尺度图像匹配等图像处理新方法，解决了混合噪声干扰、运动/离焦模糊、图像缺失等难题，实现了高速运动工况下快速精确定位（图像匹配时间<10ms、定位精度±1mm）。提出了基于串并联混合机构的四自由度贴片装置及其力/位控制方法（见图7、8），实现了飞行视觉引导下，微薄RFID芯片高效高精贴片（贴片精度±20mm，贴片效率>5000UPH）。
4、研制了基于各向异性导电胶倒装键合先进工艺的全自动RFID标签封装设备（如图9），集成了点胶、翻转贴片、热压键合、在线检测、基板输送等功能单元，主要技术指标（贴片精度±20mm、成品率>99.7%等）达到国际同类设备先进水平。基于所研发的倒装键合生产线，在国产天线基板、芯片、导电胶材料上实现了多种高性能RFID标签高效、高精、高可靠制造。
5、针对制造现场存在的切削液、切屑、油污、电磁干扰等问题，研究了电磁环境、金属、液体等强干扰环境对RFID射频性能影响机理，建立了尺寸约束条件下高宽带RFID小天线设计方法，克服了金属反射、屏蔽与液体吸收环境下RFID应用局限性。研制了特种RFID标签及读写装置（如图10）。设计了抗金属、抗液体、抗振动、抗电磁干扰的智能感知RFID标签，开发出低频、高频、超高频、激光全息等系列化RFID 标签，研制了满足制造车间恶劣工况的刀具、配送设备、制造设备、在制品、制造过程等管控所需要的小体积、轻重量、大容量、长寿命特种RFID 标签以及配套使用的RFID读写器、数据采集装置，实现了高温高压、金属、液体环境下RFID高可靠应用。
6、针对RFID技术在制造领域的应用，提出了基于RFID的多源制造信息按需自动获取技术、在制品跟踪与定位技术、刀具全过程跟踪与磨损管理技术、加工与配送设备跟踪和定位技术。在此基础上，建立了基于RFID的数字化车间应用解决方案，涵盖制造过程智能监控、制造物流智能管控、刀辅具全生命周期管控（如图11）。通过与DNC/MDC 配合，实现了刀具加工工艺参数、刀具补偿量、刀具寿命参数、刀具磨/破损等在线监控，以及刀具借用、归还、配置、检验、报废、采购的全面管理。建立了刀具从“刀库→对刀仪→机床→维修”电子档案，实现刀具信息无纸化、参数输入电子化，提高了刀具利用率，提高了机床使用效率。将RFID技术用于制造过程管控，实现了物料/在制品从“仓库→配送→加工→检测”全过程可视化管理，提高了车间生产效率。研究成果在沈飞、三一重工、上汽通用五菱、美的、西高开等国内龙头企业的制造过程监控与物流管理中得到应用。
相关研究成果获国家发明专利20余项，发表SCI/EI收录论文30余篇，获2013年国家技术发明二等奖。
（供稿：尹周平、陶波）
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