如何制作带NFC的PCB名片

第1步：需要BOM，工具和技能

您将需要：

必要的工具：

烙铁

热风返修工具

焊膏

助焊剂

焊锡丝

长鼻镊子

交叉锁定镊子

异丙醇

一个Q-tip

一根牙签

带NFC的手机

Optio nal（但方便）工具：

烟雾提取器

华丽玻璃

技能：

SMD焊接技能

材料清单：

Mouser

第2步：NFC技术

什么是NFC？

NFC是近场通信的首字母缩写。它是一种短程无线电技术，可以实现紧密靠近（《10 cm）的设备之间的通信。 NFC系统基于传统的高频（HF）RFID，工作频率为13，56 MHz。

目前，NFC标准支持高达424 kbit/s的不同数据传输速率。两个设备之间NFC通信的主要机制与传统的13，56 MHz RFID相同，其中既有主设备又有从设备。主设备称为发射器或读写器，从设备是标签或卡。

它是如何工作的？

NFC总是涉及发起者和目标：发起者（发射器）主动生成可以为被动者供电的射频场两个环形天线之间使用电磁感应的目标（标签）：

发射器和标签的天线通过电磁场耦合，这个系统可以最好被视为空心变压器，其中读取器充当初级绕组，标签作为次级绕组：通过初级线圈（发射器）的交流电在空气中感应出一个场，在次级线圈中感应出电流（标签）。标签可以使用来自现场的电流为其自身供电：在这种情况下，在读取和写入模式下都不需要电池来访问它。 NFC标签芯片通过其环形天线从读取器产生的磁场中获取所需的所有功率。

NFC在哪里使用？

NFC是一项不断发展的技术，需要无线连接电子设备。 NFC已广泛集成到智能手机中，以便与NFC兼容的物理设备进行交互，并提供非接触式支付等新服务。

由于NFC标签不需要集成电源，因为它们可以通过能源供电由读者发出的，他们可以采取非常简单的形状因素，如无动力标签，贴纸，卡甚至戒指。

我真的很喜欢NFC标签没有嵌入污染按钮单元来操作，而只使用发射器的能量。

步骤3：NFC芯片

NFC IC

NFC芯片是名片的核心。

我的要求是：

一个小型SMD软件包

足够的内存用于链接到我的LinkedIn个人资料

嵌入式能源收集模块

在比较几个NFC模块后，我选择了恩智浦的NTAG NT3H1101 IC。根据其数据表：

“NTAG I2C是恩智浦NTAG系列的第一款产品，提供非接触式和接触式接口（见图1）。除了无源NFC论坛兼容的非接触式接口外，该IC具有I2C接触接口，如果NTAG I2C由外部电源供电，则可以与微控制器通信。映射到存储器的附加外部供电SRAM允许RF和I2C接口之间的快速数据传输，反之亦然，没有EEPROM存储器的写周期限制.NTAG I2C产品具有可配置的现场检测引脚，可根据RF接口的活动为外部器件提供触发.NTAG I2C产品还可为外部供电（低电平）功率设备（例如微控制器）通过嵌入式能量收集电路。“

步骤4：计算天线电感

要进行通信和供电，NFC标签必须有天线。天线设计程序从NFC芯片及其环形天线的等效模型开始：

其中：

Voc是由环形天线中的磁场引起的开路电压

Ra是环形天线的等效电阻

La是环形天线的等效电感

Rs是NFC芯片的串联等效电阻

Cs是NFC芯片的串行等效调谐电容

天线可以用电感器La具有非常小的损耗电阻Ra。当环形天线中的发射器感应出磁场时，在其中感应出电流并且在其端子处出现开路电压Voc。 NFC芯片可以通过输入电阻器Rs和内置调谐电容器Cs来描述。

串联电阻器Ra和Rs对于由NFC集成电路和由NFC集成电路组成的电路的最后等效模型求和。其环形天线：

NFC IC电阻器Rs与天线电阻器Ra和内置电容器Cs形成谐振电路RLC与电感器拉天线。有关RLC谐振电路的更多信息，请参见在线电子教程。

一系列RLC电路的谐振频率由下式给出：

其中：

f是谐振频率（Hz）

L是电路的等效电感（H）

C是电路的等效电容（F）

等式中唯一未知的参数是电感L的值。这个是如此孤立以便计算：

知道NFC工作频率为13.56 MHz且NT3H1101调谐电容为50 pF，电感L计算得出：

为了在NFC频率下产生共振，PCB名片天线的总电感必须为2，75μH。

步骤5：定义天线形状：几何计算（第一种方法）

在具有特定电感的PCB上设计环形天线是可能的，并且必须遵守几何约束。天线可以采用各种形状：矩形，方形，圆形，六边形或甚至八边形。对于每个形状，对应一个特定的公式，根据尺寸，匝数，轨道宽度，铜的厚度以及许多其他参数给出等效电感。..。..

在设计我的名片时，我选择使用矩形天线，其几何形状如下：

其中：

a0＆amp; b0是天线的总尺寸（m）

aavg＆amp; bavg是天线的平均尺寸（m）

t是轨道厚度（m）

w是轨道宽度（m）

g是轨道之间的间隙（m）

Nant是转数

d是轨道的等效直径（m）

对于这个特定的几何，等效电感Lant由下式给出：

其中：

为了简化计算，我创建了一个基于Excel的计算工具，可根据不同的几何参数自动计算天线的等效电感。这个文件为我找到了合适的天线几何形状节省了大量时间和精力。

我的等效电感Lant =2，76μH（足够接近），具有以下参数：

a0 = 50 mm

b0 = 37 mm

t =34，79μm（1oz）

w = 0.3 mm

g = 0.3 mm

Nant = 5

如果您对数学和计算过敏，则存在其他方法，详情如下脚步。通过计算来了解有关天线设计基础知识的更多信息仍然很重要;）

步骤6：定义天线形状：在线计算器（第二种方法）

在上一步中经历的长计算的替代方案是在线天线几何计算器的存在。这些计算器由个人或专业人员制造，旨在简化天线的设计。由于很难验证这些在线计算器的计算结果，因此强烈建议使用显示所用参考和公式的计算器，或专业公司开发的计算器。

STMicroelectronics在其中提供此类计算器在线应用程序eDesignSuite帮助客户将ST产品集成到他们的电路中。该计算器适用于任何采用NFC技术的应用，因此可用于恩智浦的NFC芯片。

通过先前计算的几何值，eDesignSuite应用计算得到的电感为2，88μH而不是预期值2，76μH。这种差异令人惊讶，并对先前获得的结果提出质疑。应用程序使用的公式是未知的，不可能与之前完成的计算进行比较。

那么，这两种方法中的哪一种给出了正确的结果？

没有！在线计算器和公式是用于近似结果的理论工具，但必须通过使用专门软件和实际测试的模拟来完成，以获得预期结果。

幸运的是，已经模拟和测试的NFC解决方案已经完成可供电子设计师使用，并且是下一步的主题。..。..

步骤7：定义天线形状：开源天线（第三种方法）

为了促进NFC IC的实施，一些制造商为电子设计人员提供了完整的解决方案，例如设计指南，应用说明甚至EDA文件。

这是NXP的情况，它为其提供NFC集成电路系列NTAG完整指南，包括NFC天线设计参考，基于excel的矩形和圆形天线计算工具，不同天线类别的gerber和Eagle文件。

类定义天线的形状和大小因子。班级越大，天线越小。对于NFC，恩智浦建议使用“Class 3”，“Class 4”，“Class 5”或“Class 6”天线。

我决定专注于4级矩形天线，其尺寸为似乎适用于我的名片，该名片应位于以下区域内：

外部矩形：50 x 27mm

内部矩形：35 x 13mm，居中于外部矩形，3mm角半径

对于本课程，恩智浦提供由其工程师制作并已集成的天线的Eagle文件在他们的一些产品中。这种设计的主要优点是它已经被模拟，校正和完全优化。测试方法，更正和优化也在一个文档中提供。

我决定使用这个开源设计作为模型，并创建我自己的在专用于项目的库中实现它的版本。

步骤8：创建Eagle Librairy

为了绘制Eagle上的名片电子电路，必须使用所用组件的符号和指纹。只有天线和NFC标签丢失，所以我不得不创建它们并将它们包含在项目库中。

我开始通过复制提供的矩形开源4类天线设计天线恩智浦我只改变了连接器的位置并将它们放在天线的长度上。然后，我将包与线圈的符号相关联，并添加了名称和值标签：

接下来，我使用数据设计了NFC芯片在其数据表中提供。我将组件的8个引脚命名，大小并放在一起，形成XQFN8封装的1，6 * 1，6 mm封装。最后，我将包与NTAG的符号相关联，并添加了名称和值标签：

有关Eagle库和组件创建的更多信息， Autodesk在其网站上提供了教程。

步骤9：原理图

电子模式的创建在EAGLE PCB上完成。

导入先前创建的库“PCB_BusinessCard.lbr”后，不同的电子组件将添加到原理图中。

NFC NT3H1101集成电路是电路中唯一的有源元件，它使用数据表中给出的引脚说明连接到无源元件：

2，75μH的环形天线连接到LA和LB引脚。

能量收集输出VOUT用于为NFC芯片供电，因此连接到其VCC引脚。

在VOUT和VSS之间连接一个220 nF电容，以保证RF通信期间的操作。

最后，LED及其串联电阻由VOUT供电。

LED电阻的值根据LED的参数用欧姆定律计算和供电电压：

其中：

R是电阻（Ω）

Vcc是电源电压（V）

Vled是LED正向电压（V）

Iled是LED正向电流（A）

步骤10：PCB设计：底面

对于我的名片设计，我想要实现一些清醒的东西，但这可以表明我在生活中的创造力和总是有一个新的想法。我选择了白炽灯灯泡的设计，这是一个新想法的象征，它可以照亮问题的灰色区域。我也很喜欢这样一个事实：招聘人员很容易将我的LinkedIn个人资料与他的个人资料联系起来电话给他的公司一个新的好主意。

我开始在矢量绘图软件Inkscape上设计一个辐射灯泡。绘图导出为两个BitMap文件，第一个只包含灯泡，第二个只包含光线。

回到Eagle，我使用了import-bmp ULP，用于将Inkscape生成的BitMap图像导入Eagle绘图。这个ULP生成一个SCRIPT文件，用于绘制具有相同颜色的小矩形连续像素，这些像素组合在一起，重新创建图像。

灯泡的设计导入第22层“bPlace”并将在黑色阻焊膜上方的PCB白色丝网上出现白色丝网印刷。

光线的绘制在第16层“底部”导入，并被视为由黑色阻焊膜覆盖的铜轨道。

将铜层用于图像可以使用PCB厚度，从而创建通常在PCB上无法实现的纹理和色彩效果。艺术委员会可以通过这些技巧完成，并且我受到了一些艺术项目的高度启发。

最后，我画出了电路的轮廓并添加了我的座右铭“永远是一个新想法”。在第22层“bPlace”。

步骤11：PCB设计：顶面

作为电路板的顶面没有任何组件，我可以自由地找到一种优雅的方式来标记我的经典联系信息：姓氏，名字，头衔，电子邮件和电话号码。

再一次，我玩了不同层次的PCB：我首先定义了一个部分地平面。然后，我在第29层“tStop”上导入了一个包含我的联系信息的文本，该文件控制了顶面的阻焊层。地平面和“tStop”层上的文字的叠加导致字母出现在地平面上而没有焊接掩模，使文本具有良好的闪亮金属效果。

但为什么不把地平面放在整张名片上？

PCB上的感应天线的布局需要特别注意，因为无线电波不能通过金属，必须有天线上方或下方没有铜质平面。

以下示例显示了一个很好的实现，其中能量传输和读取器与NFC标签之间的通信是合适的，因为没有铜平面与天线重叠。

以下示例显示了一个不良的实现，其中电磁通量不能流过天线。 PCB一侧的接地层阻挡了读取器和NFC标签天线之间的能量传输：

步骤12：PCB路由

我首先将所有不同的组件放在PCB的底面上。

LED放置在灯泡灯丝上，其他组件以最谨慎的方式排列在灯泡底部。

将不同无源元件相互连接的电线或为了美观原因，优选将NFC标签放置在拉动灯泡的线下。

最后，天线放置在电路的底部，围绕座右铭，并通过两条细线连接到NFC集成电路。

PCB设计现已完成！

步骤13：生成Gerber文件

Gerber文件是印刷电路使用的标准文件用于描述PCB图像的板行业软件：铜层，阻焊膜，图例等。..。..

无论您选择在家制造PCB还是将制造工艺委托给专业人士，都必须从之前在Eagle上制作的PCB生成Gerber文件。

使用内置的CAM处理器从Eagle导出Gerber文件非常简单：我使用CAM文件查看包含所有设置的Seeed Fusion 2层PCB由此制造商和许多其他人使用。有关Gerber生成的更多信息可以在Seeed的网站上找到。

CAM处理器生成一个.zip文件“NFC_BusinessCard.zip”，其中包含与NFC名片PCB的以下层对应的10个文件：

ComponentPackage参考数量供应商

NFC芯片1kbXQFN-8NT3H1101W0FHKH

黄色LED0805APT2012SYCK/J3-PRV1Mouser

47Ω电阻0603CRCW060347R0FKEAC1Mouser

220 nF电容0603GRM188R70J224KA88D1Mouser的

PCB--1Elecrow

ExtensionLayer

NFC_BusinessCard .GBL底部铜

NFC_BusinessCard.GBO底部丝网

NFC_BusinessCard.GBP底部焊膏

NFC_BusinessCard.GBS底部焊接掩模

NFC_BusinessCard.GMLMill Layer

NFC_BusinessCard.GTLTop Copper

NFC_BusinessCard.GTOTop Silkscreen

NFC_BusinessCard.GTPTop Solder Paste

NFC_BusinessCard.GTS顶级焊接掩模

NFC_ BusinessCard.TXT钻取文件

为了确保PCB看起来完全符合我的要求，我上传了Gerber文件EasyEDA的在线Gerber查看器。我将主题改为黑色，表面处理为银色，以便在制作后可视化最终设计。

我对结果非常满意并决定继续制造步骤。..。..

步骤14：订购PCB

因为我想要一个品质完成我的名片后，我将制造过程委托给专业人士。

许多PCB制造商现在提供极具竞争力的价格：SeeedStudio，Elecrow，PCBWay等等。..。..提示：比较价格和服务由不同的PCB制造商提供，我建议使用我觉得非常方便的PCB Shopper网站。

为了制作我的名片，我考虑了一个重要的细节：许多PCB制造商允许自己标记PCB丝印上的订单号。这个数字虽然很小，但是在PCB需要美观时尤其烦人。例如，我在SeeedStudio订购的1美元PCB圣诞树上给我带来了惊喜。

根据经验，我知道Elecrow没有这个坏习惯，因此我决定委托制作我的卡给这个制造商，我以4.9美元的价格订购了10张名片，其中包括以下设置：

图层：2层

尺寸：54 * 86 mm

不同的PCB设计：1

PCB厚度：0.6 mm （最薄的）

PCB颜色：黑色

表面处理：HASL

Castellated Hole：否

铜重量：1oz（在天线电感公式中选择）

两周后，我收到了完美制作的PCB，丝网上没有任何恼人的订单号。到目前为止，还有时间焊接这些电路板！

步骤15：焊接NFC芯片

NFC集成电路的手工焊接是毫无疑问，这个项目最困难的步骤之一是：1.6 * 1.6 mm的XQFN8封装使任务变得困难但并非不可能。

我首先用牙签取少量助焊剂，然后将其放在集成电路的占位面积上：助焊剂作为临时胶水，可以正确放置元件。

一旦集成电路正确放置并对准其占位面积，我就使用交叉锁定镊子将元件固定到PCB上。

然后，我拿了少量焊膏用牙签的另一端把它放在芯片的针脚上。

我用热空气返修工具熔化焊膏，并将集成电路的引脚焊接到电路轨道上。结果是由于焊膏太多，一个巨大的焊球使标签的引脚短路。为了去除多余的焊料，我使用了传统的烙铁和助焊剂。

一旦去除了过量的焊料，就可以在助焊剂沉积物下看到元件被正确焊接。

我最后取出焊剂斑点并用Q-tip和异丙醇清洗名片。

步骤16：焊接无源元件

我开始使用0603电容焊接无源元件：焊接电容器，我首先在其垫片上放置少量焊料。然后，我用精细的镊子接近电容器，同时用我的烙铁保持焊料熔化。正确放置电容器后，我取下烙铁以固化焊料。然后可以在不需要用镊子保持电容器的情况下进行第二焊盘焊接。

我对电阻器和LED重复了相同的过程。

一旦三个无源元件，我终于去掉焊剂斑点并用Q-tip和异丙基清洁了名片醇

名片快要完成了！

步骤17：编写NFC芯片

现在，名片已准备好包含要通过NFC传输的信息。对于这个的编程，我使用我的手机和一个应用程序，可以使用NFC读取和写入标签，包括这个集成电路：

NFC工具是用于读取和写入NFC标签的应用程序。适用于Android和iOS，可以免费下载：

适用于Android的NFC工具

适用于iOS的NFC工具

分步指南：

启用NFC

- 在Android上，通过单击快速设置菜单中的NFC图标或“设置”菜单中。请注意，并非所有Android手机都配备了NFC技术，尽管它通常出现在所有最近的手机上。

- 在iOS上，NFC Tools会自动启用NFC。请注意，自iPhone 6以来，所有Apple手机都有NFC技术。

启动NFC工具

在“写入”菜单中，选择“添加记录”

选择“URL”作为记录

输入您希望NFC传输的链接，然后单击“确定”。

选择“写入”以编写NFC标记

在您将名片接近手机之前会显示一个动画图标

名片的LED应亮起，图标应显示“写完成！”

成功！名片终于准备好了！

在“其他”菜单中，会出现一些有趣的功能，例如“复制到无限！”为了编写很多名片，或者“锁定标签”以防止重写卡片。

第18步：结论

这个项目不仅有趣而且具有挑战性，因为我想创造一些令我自豪的东西，这可以表明我对学习和PCB的热情设计。

我很高兴创建了一个电子电路及其PCB，它不仅教会了我很多关于NFC技术和天线设计的知识，而且在我的日常生活和职业生涯中也很有用。/p》

与此同时，我在LinkedIn个人资料中发布了我的名片的演示视频，希望得到反馈和意见。结果超出了我的期望，因为这个帖子变成了病毒式的，我收到了数十个实习建议和会议邀请。感谢我带有NFC的PCB名片，我在梦想中找到了6个月的实习经历！