In sechs Schritten zum passenden Transponder

RFID-Tags entwickelt für den Einsatz unter rausten Bedingungen

Optimal für die Transponderentwicklung ist es, Prozesse direkt beim potenziellen Kunden vor Ort anzusehen. In der Industrie kann das der entscheidende Schritt für die bestmögliche Lösung sein. Die Antworten auf Fragen sind ausschlaggebend für das Transponderdesign, Chip-Auswahl und Antennen-Tuning.

B-Id fokussiert bei der Transponderentwicklung auf Individualisierung von Standardprodukten

Bei hohen Temperaturen, starken mechanische Einwirkungen oder materialbedingter Funkwellenbeeinflussung, stoßen Standard-RFID-Transponder schnell an Grenzen der Belastbarkeit. Für herausfordernde Bedingungen sind Speziallösungen gefragt. Jeder anforderungsspezifisch entwickelte Transponder ist ein Kompromiss aus Robustheit und Lese-/Reichweitenperformance.

Das RFID-Unternehmen B-Id ist darauf spezialisiert, alle Parameter zu berücksichtigen und robuste Tags ohne Leistungseinbußen zu produzieren. Sollen Transponder entwickelt werden, die auch in anspruchsvollen, physikalischen Umgebungsbedingungen volle Performance liefern müssen, ist ein entsprechendes Antennen-Tuning unumgänglich, so Yiwen Jin, B-Id-Geschäftsführer, im Gespräch mit RFID im Blick.

„Zahlreiche Herausforderungen lassen sich durch ein gezieltes Tuning lösen. Das ist grundsätzlich keine Rocket Science. Oftmals reicht zum Beispiel eine zusätzliche Antennenwindung aus, um das gewünschte Leseergebnis zu realisieren. Dennoch ist nicht jeder Transponderhersteller bereit, diese individuellen Entwicklungsschritte zu gehen.“

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Erst Fragenstellen, dann Antwort finden

Für Yiwen Jin liegt die Erfolgsgarantie einer Transponderentwicklung im direkten Kontakt mit den Anwendern:

„Wir hinterfragen zahlreiche Parameter und Einflussfaktoren. Optimal für die Transponderentwicklung ist es, Prozesse direkt beim potenziellen Kunden vor Ort anzusehen. In der Industrie kann das der entscheidende Schritt für die bestmögliche Lösung sein. Die Antworten auf Fragen sind ausschlaggebend für das Transponderdesign, Chip-Auswahl und Antennen-Tuning. Wie ist die Umgebung, in der der Transponder zukünftig eingesetzt werden soll? Wie greifen die Prozesse vor Ort ineinander? Das ist am besten im persönliche Kundenkontakt zu klären. Wir haben Standardprodukte im Portfolio, die wir als Muster für Interessenten zur Verfügung stellen. Diese decken eine Vielzahl an Anwendungen ab. Um in allen erdenklichen Anwendungsszenarien 100 Prozent zu erreichen, muss jedoch individualisiert werden.“

Inhouse-Entwicklung und exklusive Entwicklungspartnerschaft

Die Entwicklung und Fertigung von Transpondern, Keyfobs und Smartcards finden komplett inhouse statt. Von der Materialauswahl für Gehäuse, über die Auswahl von Chip und Antennen samt des BondingProzesses bis zum Feintuning und der Produktion, liegen sämtliche Arbeitsschritte zu 100 Prozent in den Händen von B-Id.

„Wir können flexibel auf neue Anforderungen reagieren und spezielle Anfragen umsetzen. Da alle Werkzeuge zur Transponderherstellung ebenfalls speziell hergestellt werden, ist beispielsweise die Integration von Firmenlogos problemlos möglich. Wir sind in der Entwicklung nicht auf Technologiepartner und Zulieferer angewiesen“, berichtet Jin.

Mit einer Ausnahme: „Bei der Entwicklung und Produktion von Fingerprint-Smartcards arbeiten wir mit einem einzigen Partner exklusiv zusammen – dem Unternehmen Jinco. Seit 2014 besteht eine strategische Partnerschaft. Gemeinsam konnten wir in den letzten sechs Jahren zahlreiche, renommierte Security-Card-Projekte umsetzen.“

So kommen beispielsweise in Gebäuden der UN Fingerprint-ID-Karten für Zutrittskontrollen zum Einsatz. Die Woori Bank – viertgrößte Bank in Südkorea und 2020 zu den 100 größten Finanzinstituten weltweit zählend – gibt Fingerprint-gesicherte Bankkarten an Kunden aus. Zur Autorisierung von Taxifahrer in ihren Fahrzeugen wurden batterielose Fingerprint-IDKarten in Form eines biometrischen Führerscheins entwickelt.

In sechs Schritten zum passenden Transponder

Kommen Vorgespräche mit Anwendern zum Ergebnis, dass eine individuelle Transponderentwicklung zur passenden Identifikationslösung führt, startet die Produktentwicklung entlang eines sechs Punkte umfassenden Plans.

„Bei jedem Schritt stimmen wir uns mit den Kunden ab und lassen Prototypen kontinuierlich bemustern. Das stellt sicher, dass das Endprodukt zu 100 Prozent wie gewünscht funktioniert“, erläutert Jin. Die sechs Schritte:

  1. Auswahl der passenden Technologie
  2. Definition der Transponderbauform
  3. Bestimmung der geeigneten Materialien
  4. Performance-Gewinn durch professionelles Antennen-Tuning
  5. Werkzeugerstellung
  6. Serienfertigung

Wo „Spezial“ die Normalität ist 

B-Id hat für unterschiedlichste und anspruchsvolle Industrieanwendungen RFID-Tags entwickelt, die prozessoptimierend eingesetzt werden.

Dass „robust“ nicht nur ein Wort auf dem Datenblatt sein kann, wird beim Einsatz von RFID-Transpondern im Bereich des Sandstrahlens deutlich: Per Druckluft, elektromagnetischer Felder oder Schleuderräder werden Strahlmittel wie Sand oder Kugeln aus Keramik, Stahl oder Hochofenschlacke mit Geschwindigkeiten von bis zu 160 Metern pro Sekunde auf Oberflächen "geschossen", um diese zu reinigen, zu entgraten, zu entlacken oder zu veredeln.

Transponder, die in diesem Umfeld zum Einsatz kommen, müssen diesen extremen Belastungen ohne Funktionseinbußen standhalten.

Sandstrahlresistente Tags

B-Id entwickelt anwendungsbezogene Transponderlösungen für den Einsatz in rauen, industriellen Umgebungen. Eine Spezialentwicklung: Sandstrahl-resistente RFID-Transponder. Standardtransponder sind für den Einsatz bei Sandstrahlverfahren nicht geeignet. „Auch bei hohen Schutzklassen kann das Sandstrahlen das Transpondergehäuse und die Elektronik zerstören. Daher haben wir für den Kunden einen Spezialtransponder mit einer besonders widerstandsfähigen Hülle entwickelt“, erklärt Yiwen Jin.

Hochtemperatur-Tags mit glasfaserverstärktem Gehäuse

Wenn zahlreiche Anforderungen zusammenkommen, sind sowohl robuste Gehäuse als auch stabile elektrische Verbindungen der Tags eine wesentliche Voraussetzung für prozesssicheres Lesen. Aufgrund der stetig steigenden Nachfrage nach UHF-Transpondern für Anwendungen auf Metall und unter Hitzebelastungen hat B-Id eine Tag-Serie speziell für diese Einsatzbereiche entwickelt. Die Gehäuse der UHF-Hard-Tags für Hochtemperaturanwendungen bestehen aus robustem Glasfasermaterial.

Das Material FR4 ist eine Glasfaser-Epoxy-Mischung, welche auch für die Herstellung von Computerplatinen genutzt wird. FR4 zeichnet sich neben der elektrischen und mechanischen Isolationsfähigkeit durch eine hohe Flammwidrigkeit aus. Die UHF On-Metal-Tags auf FR4-Basis sind besonders stabil und hitzebeständig und erzielen eine sehr gute Performance.

Über 200 Grad Celsius? Kein Problem! 

Für die langlebige Funktionalität bei Hochtemperaturanwendungen von über 200 Grad Celsius, wie in Lackierereien, ist aber auch das Inlay entscheidend. Als Kernbaustoffe für die Inlays werden Polyimidsubstrate und Kupferantennen genutzt. In Verbindung mit der SMT (Surface-mount technology) -Fertigung haben diese Transponder einen Vorteil in der Haltbarkeit gegenüber herkömmlichen Inlays.

Durch die Verwendung von Kupfer-PolyimidInlays in Verbindung mit dem FR4-Gehäuse ist eine über zwanzigstündige Hitzebelastung von über 200 Grad Celsius möglich, wie Tests von B-Id bestätigt haben.

Löten anstatt Kleben erhöht die Stabilität 

Durch den SMT-Prozess entsteht eine stärkere und starre Verbindung zwischen dem UHF-IC und der Antenne. Im Vergleich zu herkömmlichen PET/Aluminium-Inlays, welche auf dem Flip-Chip-Prozess basieren, werden die UHFChips und die Antenne nicht durch leitende Kleber verbunden. Stattdessen besteht zwischen Antenne und Chip eine gelötete Metallverbindung. Diese hat den Vorteil, dass kein Haftverlust des Chips durch Hitze entstehen kann.

Die SMT-Lötstellen stellen durch die Verwendung eines speziellen Lötmaterials eine Konnektivität auch bei Hitze sicher, sodass die Performance nicht beeinträchtigt wird. Transponder, die keine Höchstleistung bei Hitze erbringen müssen, können im Wafer Chip Scale Package (WCSP)-Verfahren hergestellt werden. Die Möglichkeit zum Verzicht auf ein extra Packaging lässt sehr kleine und dennoch stabile Tag-Bauformen zu.

„Die Antworten auf Fragen sind ausschlaggebend für das Transponderdesign, Chip-Auswahl und Antennen-Tuning. ‚Wie ist die Umgebung, in der der Transponder zukünftig eingesetzt werden soll? Wie greifen die Prozesse vor Ort ineinander? Das ist am besten im persönliche Kundenkontakt zu klären. Wir haben Standardprodukte im Portfolio, die wir als Muster für Interessenten zur Verfügung stellen. Diese decken eine Vielzahl an Anwendungen ab. Um in allen erdenklichen Anwendungsszenarien 100 Prozent zu erreichen, muss jedoch individualisiert werden.“

Yiwen Jin, Geschäftsführer, B-Id

FR4-Hard-Tag noch kleiner und platzsparender

Sowohl das Wideband-Antennen-Design als auch die Metallanbindung kommen bei dem zweiten neu entwickelten On-Metal- Transponder zum Einsatz.

„Der FR4-Hard-Tag ist kleiner als der flexible Tag. Er ist zehn Millimeter breit sowie je nach Bedarf 40, 50, 70 oder 90 Millimeter lang und nur vier Millimeter hoch. Der Abstand der Antenne zum Untergrund beträgt 2,6 bis 2,8 Millimeter. Der Tag wird derzeit in einem taiwanesischen Unternehmen in der IC-Produktion zur Kennzeichnung von Molding-Magazinen eingesetzt. Während der Testphase wurde der Transponder an den Magazinen über drei Monate 20 Stunden am Tag Temperaturen um 200 Grad Celsius ausgesetzt – und bestand den Härtetest. Bei B-Id wurden die Tags intern sogar bei Temperaturen bis 240 Grad Celsius über vier aufeinanderfolgende 30-minütige Zyklen erfolgreich getestet, ohne dass die Transponder-Technologie Schaden nahm“, erläutert Jin.

UHF-RFID- oder Wideband-Antenne für die Reifenindustrie

„In der Reifenherstellung nimmt nicht nur Metall, sondern auch das Gummi der Reifen Einfluss auf die Transponder-Frequenz. Wird ein Standard-UHF-Tag auf einen Reifen geklebt, bricht die Sendefrequenz von 868 Mhz um über 200 MHz ein. Auch hier schafft das WidebandAntennen-Design Abhilfe. Für die Reifenindustrie liefert B-Id reine Inlays, die entweder direkt im Reifen verbaut werden oder als Teil eines Smart-Labels auf fertige Reifen geklebt werden.

Eine Alternative zum Wideband-Design sind Inlays mit speziell getunter UHF-Antenne von B-Id. Bricht die Frequenz um über 200 MHz ein, kann der Transponder bei rund 800 MHz noch immer problemlos ausgelesen werden. Kunden können die für sie beste Lösung wählen – Inlays mit Wideband-Antenne oder Inlays mit speziell getunter Antenne“, so der B-Id Geschäftsführer.

Wideband-Antennen-Design bringt Durchbruch

Erst ab fünf Millimetern Abstand zwischen Tag und Oberfläche reduziert sich der Einfluss des Metalls – bei einem On-Metal-Tag mit einem Standard-Antennendesign. Unter anderem über ein Wideband-Antennen-Design für einen flexiblen Tag, das von einem japanischen Universitätsprofessor entwickelt wurde, löste B-Id die Herausforderung, eine konstante Performanceleistung zu garantieren.

„Anstatt die Antenne wie üblich vorne auf den Transponder zu platzieren, verläuft die Antenne von B-Id von vorne über die Seite nach hinten, was zu einen Abschirmeffekt führt. Der Tag kann mit handelsüblichen Readern ausgelesen werden“, erklärt Yiwen Jin.

Flexibler On-Metal-Tag auf 0,8 Millimeter Bauhöhe verkleinert

Eingesetzt wird das zum Patent angemeldete Antennendesign in einem speziell entwickelten flexiblen On-Metal-Tag für die Automobilindustrie.

„Der Abstand von der Antenne zur Oberfläche von – bislang mindestens – fünf Millimetern wurde auf unter einem Millimeter reduziert. Der Tag ist biegsam und gleichzeitig stabil, sodass er auf unebene Flächen geklebt werden kann. Bei einer Größe von 0,8 mal 88 mal 22 Millimetern ist eine Lesereichweite von über vier Metern erreichbar. Der Aufwand, Transponder und Abstandhalter vor dem Prozess anzubringen und danach wieder abzunehmen, entfällt. Eine durchgängige Tracking-Lösung wird so möglich. Optional kann eine optisch lesbare Information beispielsweise in Form eines Barcodes aufgedruckt werden“, betont Jin.

Quelle: RFID im Blick, Spezialausgabe Wireless IoT Technologie 2020

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