Исследование и разработка технологии создания микромодулей бесконтактной идентификации для электронных документов

Настоящая диссертационная работа выполнена под руководством профессора кафедры «Микроэлектроника» МИЭТ, доктора технических наук Грушевского A.M.

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 (ЕРШ) является относительно новой для мировой практики задачей, то область научно-технических исследований явлений, возникающих в конструкциях изделий ЮШ) ещё незначительна. Большинство технологических процессов и конструктивных решений при производстве ИРГО идентификаторов (карт или меток) основываются в большей степени на эмпирических исследованиях и в меньшей степепи на выводах, вытекающих из теоретических расчётов параметров конструкции радиочастотного идентификатора.

В этой связи моделирование и теоретический расчёт 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 надёжную конструкцию. Исследование причин возникновения НДС на стадии изготовления идентификационных карт позволяет выбрать такие их конструктивнотехнологические 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 расчёту и моделированию термомеханических напряжений в идентификационных картах не проводилось. В диссертационной работе такой расчёт выполнен. Это дало возможность спроектировать и испытать оптимальную конструкцию идентификационной карты.

В последствии по методологии, изложенной в настоящей работе, может осуществляться расчёт для конструкций других типов Б^РГО 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 КГШ карты, состоящего из бескорпусной микросхемы и приёмопередающей антенны, помещённых 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 создания 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 конструктивнотехнологическом 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, расположения подложки с микросхемой и антенной между слоями пластиковой карты, длины компенсирующей петли провода антенны, расположения 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 1,1 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 ИРГО-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 ГО-1 и ГО-2 (социальные карты, транспортные документы, пропуска, удостоверения и т. п.) и производстве изделий МПМ-АМ (заготовок пластиковых страниц Российского загранпаспорта нового образца).

Методики исследований и достоверность результатов.

Методики исследований базируются на теоретических физико-химических 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 научно-технических конференциях. Последующий серийный выпуск этих изделий (в течение полутора лет выпущено более 2 миллионов RFID-вкладышей 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 приёмочных испытаний опытной партии пластиковых бесконтактных радиочастотных вкладышей к паспорту.

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

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

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

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

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, 2008 г.

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 9-ти печатных работах: в 3-х статьях, в том числе в издании, рекомендованном ВАК РФ, в 6-ти 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.

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 приформировании 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 Аусилие прижима термода 10 Н.

3. Получены результаты исследований влияния конструктивно-технологических параметров (марки используемого термопласта, расположения подложки с микросхемой и антенной между слоями пластиковой карты, длины компенсирующей петли провода антенны, расположения 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 конструктивно-технологическими параметрами и материалами микросоединения.

5. Использование компенсационной петли из медной проволоки как компенсатора напряжений эффективно при длине петли 1=3+5 мм высотой 0,2 мм, что значительно снижает термомеханические напряжения в сварном соединении. При этом радиочастотный транспондер 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 10 373−1-2002 «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 10 373−1-2002. 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 14 443), МГц — 13,56;

— максимальная дальности считывания, мм — 100;

— габаритный размер ID-1, мм • мм — 85,6×53,98;

— габаритный размер ID-2, мм • мм — 105×74;

— габаритный размер ID-3, мм • мм — 125×88;

— 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 научнотехнической библиотеки (ГПНТБ) Российской Федерации, а так же ФГУП «НТЦ «Атлас» (г. Москва) при изготовлении бланков документов в виде пластиковых карт размером ID-1 и ID-2 (социальные карты, транспортные документы, пропуска, удостоверения и т. п.) и производстве изделий МПМ-АМ (заготовок пластиковых страниц Российского загранпаспорта нового образца).

Заключение

.

Настоящая работа посвящена рассмотрению технологических, конструктивных и теоретических аспектов проектирования и производства пластиковых бесконтактных радиочастотных идентификационных карт (ИК). Основное внимание в работе уделено проектированию и технологии производства электронного радиочастотного вкладыша к паспорту — электронного документа.

Проанализированы различные методы сборки электронных компонентов бесконтактных ЯБЮ карт, так называемых транспондеров и инлаев. Рассмотрены варианты изготовления транспондеров с использованием корпусированных и бескорпусных микросхем.

Значительное место в работе уделено рассмотрению вопросов возникновения потенциальных дефектов, влияющих на долговременную надёжность 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.