CN105493108B

CN105493108B - 微电路与天线集成耦合的电子实体及其制造方法

Info

Publication number: CN105493108B
Application number: CN201480047202.XA
Authority: CN
Inventors: F·洛奈
Original assignee: Oberthur Technologies SA
Current assignee: Ai Demiyafaguo
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: US20160192485A1; MX2016001403A; BR112016002119A2; FR3009410A1; US9615457B2; BR112016002119B1; EP3028222A1; MX358322B; FR3009410B1; WO2015015121A1; EP3028222B1; CN105493108A

Abstract

一种电子实体，包括由支撑膜构成的模块30A和主体30B，支撑膜的称为内表面的一面上带有微电路31和第一耦合线圈32；主体具有空腔，在空腔中固定所述模块；支撑膜的称为外表面的一面至少大致沿着所述主体的称为上表面的一面伸展；主体还包含天线33和第二耦合线圈35，第二耦合线圈连接到该天线并用于通过与第一耦合线圈进行电磁耦合而与微电路耦合；所述第二耦合线圈(也可以适用于天线和第一耦合线圈)的厚度至多几个微米，所述第二耦合线圈所处平面距主体的上表面的距离小于其距主体上表面的对立面的距离的一半。

Description

微电路与天线集成耦合的电子实体及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微电路与天线集成耦合的电子实体，具体说是一种双接口电子实体，即实体一方面具有接触通信模块，另一方面具有容纳该模块的主体，而该主体带有非接触通信天线。这种实体可以是标准ISO7816定义的一类微电路卡。

背景技术

根据传统方式，具有这种双接口的实体包含两个电磁耦合线圈(或天线)，分别位于天线平面以及模块上；如图1，模块10A由右边的元件示意，包括微电路11和耦合线圈12(还有一些连接到外部阅读器的触点，但为了简化故此处未画出)；而主体10B由左图示意，带有天线13，通过电容14连接到第二耦合线圈15。微电路与天线之间的连接质量取决于线圈12与15之间的耦合质量。

例如，这种配置在关于微电路的文档US-6,378,774(或其欧洲版本EP-1 031 939)中有描述。根据传统方式，该文档中的模块由支撑膜构成，其第一面(称作外表面)包括触点组，第二面(称作内表面)上固定着微电路，微电路穿过支撑膜与触点组相连。该文档中卡的主体包含一个支撑片，支撑片上制作了天线和耦合线圈，耦合线圈可以在天线之外也可以在天线之内。卡的主体在支撑片两面由注模成型，其材料在实践中与支撑片相似；如此制作主体之后，再制作一个空腔用于将模块固定于其中；根据该文档，当模块固定在空腔中之后，支撑片上制作的耦合线圈的位置要靠近模块上的线圈。根据一种实施方式，支撑片位于空腔下方，模块所带的耦合线圈就制作在该第二面上；因此两个耦合线圈之间的间距与空腔的深度为同一个数量级。根据另一实施方式，模块所带的线圈环绕在微电路四周，而空腔则至少部分地穿过天线的支撑片；因此支撑片中制作的耦合线圈基本处于模块的耦合线圈的同一深度，但位于其侧面一定距离。

根据另一种配置(见文档EP-2 525 304)，天线平面上的耦合线圈可以由天线的一部分构成，其局部用恰当的方法制作。

在实践中有两种制作卡体(更一般性地说，电子实体的主体)的方式，一种方式是在支撑片上进行复制模型(实践中采用注塑)，如前述文档US-6,378,774或EP-1 031 939所提出的。另一种方式是进行多层层压(见图2所示)，即两个补偿层27A、27B，用于补偿由于在支撑片上制作天线23和耦合线圈25而形成的局部厚度变化；两个核心层28A、28B，分别位于支撑片(或者补偿层)的两侧，并带有卡所需的视觉图案；两个覆盖层29A、29B，保护其下各层。

在实践中，支撑片26的材料可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯(缩写PET)，也可以是聚氯乙烯(PVC)或聚碳酸酯(缩写PC)。这些材料通常坚硬。补偿层27A和/或27B可以用上述材料之一制作，与核心层相同；如果各层都由相同材料制作，那么各层之界面很难辨别。覆盖层的主要功能是保护其下各层，通常是透明的。

现有的各种方案实施起来都很复杂(层数多、注塑复制模型、由于采用传统的沉积-蚀刻工艺而限制选材、环绕微电路制作线圈，等等)，并且不能同时保证耦合线圈之间的近距离(即有效耦合)和耦合线圈相对配置的可复制性。

为此，可以考查一下如下各项：

-天线在支撑片上的定位公差通常为0.5mm左右；

-视觉图案的打印公差通常为0.1至0.2mm左右；

-各层的叠放公差通常为0.2至0.3mm左右；

-层压公差通常为0.1至0.2mm左右；

-冲压(使卡体轮廓成形)公差通常为0.3至0.5mm左右；

-空腔的机加工公差通常为0.05mm左右；

-将模块插入空腔中的公差通常为0.05mm左右。

因此，可以毫不夸张地得出结论：用均方表示的总公差为毫米数量级。

无论电子实体实际上是否有接触型对外通信接口，都会呈现这样的复杂性弊端以及耦合线圈间距不精确的弊端。

发明内容

本发明的目的就是克服上述弊端，提出一种电子实体，该电子实体包括由支撑膜构成的模块和主体；支撑膜的称为内表面的一面上带有微电路和第一耦合线圈；主体具有空腔，在空腔中固定所述模块；支撑膜的称为外表面的一面至少大致沿着所述主体的称为上表面的一面伸展；主体还包含天线和第二耦合线圈，第二耦合线圈连接到该天线并用于通过与第一耦合线圈进行电磁耦合而与微电路耦合；所述第二耦合线圈的厚度至多几个微米，所述第二耦合线圈所处平面距主体的上表面的距离小于其距主体上表面的对立面的距离的一半。

在本上下文中，微小厚度指的是厚度至多等于10微米，最好至多等于5微米、甚至2微米，甚至至多等于1微米。

尤其适用于微电路卡，例如符合现行标准(即ISO7816)的卡，例如1FF、2FF、3FF、或4FF格式的卡，也适用于其它格式的卡，根据需要选择。

模块可以带有触点组，以便能根据现有配置与外部阅读器的触点组进行接触；于是该实体就是双接口类型的了。

天线与第二线圈最好制作在同一平面上。

天线和/或第二线圈最好由导电墨水制作。

根据一种有益的方式，第一耦合线圈由导电墨水制作；当天线和第二线圈也由这种墨水制作时，即可大大简化制造工艺。

根据一种有益的方式，天线和第二耦合线圈制作在两个核心层之间的界面上，位于界面上面的层的厚度不超过位于界面下面的层的厚度的一半。

根据一种有益的方式，天线和第二耦合线圈制作在最接近主体上表面的核心层的上表面，并被掩膜。

根据一种有益的方式，主体只包含一个核心层。

天线和第二耦合线圈最好由不导电墨水掩膜层覆盖。

实体最好包括一个中间覆盖层，位于带天线和第二耦合线圈的表面与上覆盖层之间，该中间覆盖层上制作有装饰性图案。

根据一种有益的方式，第一耦合线圈沿主体厚度方向与第二耦合线圈相对。

根据一种有益的方式，作为对上一段落的变型，第一耦合线圈沿主体上表面的平行方向与第二耦合线圈相对。

例如，模块的支撑膜在其外表面带有触点组，以便能根据现有配置与外部设备的触点组进行接触。

为了制造上述类型的电子实体，本发明还提出一种方法，包括如下步骤：

-制作模块，该模块包括支撑膜，支撑膜在一个面(称作内表面)上带有微电路和第一耦合线圈；

-制作至少一个核心层；

-在该核心层的表面上制作第二耦合线圈，其厚度至多几个微米；

-至少将该核心层层压在两个覆盖层之间，以便形成主体，该主体具有上表面和下表面，并使得第二耦合线圈所处的平面距上表面的距离至多等于该平面距该下表面的距离的一半，该主体包含一个天线，天线连接到该第二线圈；

-在该主体上制作空腔；

-将所述模块固定在该空腔中，使得第二线圈能通过电子耦合与第一线圈配合，从而将天线与微电路耦合。

所提到的关于实体的优点可以从该方法中反映出来；尤其，制作模块可以包含制作触点组，以便形成双接口；同样也适用于主体，以便实体符合现行标准。

例如，第二线圈和天线都是通过沉积导电墨水来制作的。

附图说明

本发明的目的、特征、优点展示于下文中作为说明性、非限制性实例的描述，并参照如下附图：

-图1是双接口电子实体的原理图；

-图2是根据现有技术的电子实体的横剖面图，有7层；

-图3是根据本发明第一实施方式的电子实体的横剖面图；

-图4是根据本发明第二实施方式的另一电子实体的横剖面图；

-图5是根据本发明第二实施方式的变型的另一电子实体的横剖面图；

-图6是根据第二实施方式的另一变型的另一电子实体的横剖面图；

-图7是图3的主体的一部分的俯视图。

具体实施方式

图3表示根据本发明的双接口电子实体。

该实体由整体标号30标注，包括主体30B和模块30A。

模块30A与图2中的相似之处在于包括一个支撑膜，支撑膜的外表面(图3中向上)带有触点(图中未画出)，支撑膜的内表面(该图中向下)上固定有微电路，该微电路31埋在保护树脂块中。此外，该内表面上还制作了耦合线圈32，位于保护树脂块侧面一定距离处。

此处的主体30B包括偶数层，即两个核心层38A、38B和两个覆盖层39A、39B。

天线33和第二耦合线圈35通过丝网印刷制作，或采用喷墨打印机在核心层相对面之一上喷导电墨水制作；因此该天线33和第二线圈的厚度就很小，从而不需要设置一个或多个补偿层；甚至连中心支撑层也不需要了。正是由于这个原因，图3与图2所示的构造不同，既不包括中心支撑片，也不包括补偿层。

此外，上核心层38A的厚度明显小于下核心层38B，从而使得层压以后天线和尤其第二耦合线圈比图2所示更加靠近模块的支撑膜。在实践中，上核心层38A的厚度至多等于下核心层38B的一半。

用于固定模块的空腔采用传统方法制作，带有边缘锪孔和中心部分，中心部分更深，例如350微米左右。该空腔穿过上核心层在第二线圈的匝内，并且穿进下核心层中，而锪孔只部分穿进上核心层中。

因为第一线圈是制作在模块的支撑膜内表面的，与保护微电路的树脂块保持侧向间距，所以该第一线圈面对着锪孔，从而实际上正对将模块固定到主体的粘合材料。

因为核心层的界面比图2所示显著上移，所以线圈32与35之间的距离可以非常小，通常为100微米甚至更少，该距离就是锪孔深度与核心层之间的界面相对于上表面的深度之间的距离。

因此，天线和第二线圈被上核心层(在实践中是不透明的)覆盖。

在卡的主体中制作的耦合线圈35的几何形状最好是至少接近模块的耦合线圈32的几何形状，以便这些线圈尽可能相互正对，没有侧向偏差。

不难理解，减少层数意味着明显简化该结构的制造方法。此外，减少层数还可以减小制造公差，从而提高耦合线圈之间定位的可复制性。既然耦合线圈之间的距离可以很少，那么这些耦合线圈的尺寸尤其是厚度就可以减小了，从而更进一步促使选用打印线圈的制造工艺。实际上，模块的耦合线圈最好也如天线的耦合线圈一样通过打印来制作。

举例说明，各层用PVC材料制作，厚度分别为：60μm(层39A)，200μm(层38A)，480μm(层38B)，60μm(层39B)。

制作天线和第二耦合线圈(甚至制作第一耦合线圈)所用的印制墨水是任何现有类型的导电墨水，不过最好使用纳米粒子墨水，可以在市场上找到品牌为和的。这类墨水比传统墨水的电阻率低得多，可以采用丝网印刷或喷墨打印；因此可以轻松地制成0.25微米厚的膜，电阻率为3micro-ohms.cm(微欧姆.厘米)(作为比较，银的电阻率为1.6micro-ohms.cm)。因此完全可以认为天线和第二耦合线圈的厚度可以忽略。

图4表示根据本发明的电子实体的另一实施方式。

与上文所述一样，该实体整体标注为40，包括模块40A和主体40B。

模块40A可以与图3的模块30A相同，带有微电路41，埋在树脂块中，树脂块固定在支撑膜的内表面，支撑膜上还制作了第一耦合线圈42。

而主体40B则与图3的不同：天线43和第二耦合线圈制作在最靠近主体上表面的核心层的上表面。在图示的实例中，甚至只有一层核心层48；当然，该核心层可以由一对重叠的核心层替代，但无论核心层有多少个，天线和第二线圈都是制作在最上层的上表面上的(根据图4的方向)。

与上文所述一样，该天线和第二耦合线圈通过打印制作(通过丝网印刷、喷墨打印，或其它任何适当的技术)，以便天线和第二耦合线圈只增加很小的厚度。于是可以在该天线和第二线圈上添加一层墨水(不导电)以便掩盖该天线和第二耦合线圈；只要选用与上核心层颜色相似的墨水即可，例如白色的。因此，尽管覆盖层通常是透明的，核心层上表面上的天线和第二线圈也不会破坏主体的美观。要知道，不导电墨水层的流动性使得天线和第二耦合线圈上以及核心层其余部分上形成的层构成了一个厚度很小的补偿层；图中标注为49C。

可以发现，根据图4的配置，第二耦合线圈可以根据需要尽可能地靠近模块所带的耦合线圈42。

事实上，图4中，空腔周边的锪孔位于上覆盖层与覆盖天线和第二线圈以及核心层上表面其余部分的不导电墨水掩膜层之间的界面上；因此两耦合线圈之间的间距在此处由不导电墨水掩膜层的厚度决定。

可以发现，如前一个实例一样，减少层数有助于简化制造方法，可以使耦合线圈之间的间距很小，并且可复制性强。

举例说明，各层由PVC材料制成，厚度分别如下：200μm(层49A)，400μm(层48)，200μm(层49B)。

不导电墨水可以是现有任何合适的类型。例如传统的胶印或丝网印刷墨水；此处墨水的厚度3至5μm(层49C)，可以对其进行有效的掩膜；已经证实该墨水不与导电墨水尤其是基于纳米粒子的墨水发生反应，并随着时间保持相对稳定，并且随着时间也保持其掩蔽能力。

图5是图4的变型。图中的实体标注为50，象图4中的一样，也包括模块50A和主体50B；模块50A象图4中的一样，也包括微电路51，包含在树脂块中，树脂块固定在支撑膜的内表面，围绕树脂块制作了耦合线圈52。

主体50B象图4中的主体40B一样，也包括唯一一个核心层58，在核心层的上表面用导电墨水打印出了天线53和第二耦合线圈55，由掩膜不导电墨水59C覆盖。

与图4的配置(覆盖层49A明显比图2或3中的更厚)不同的是，主体50B的覆盖层59A的厚度与前面的图近似，并与下覆盖层的厚度近似。于是，考虑到模块的支撑膜的通常厚度，锪孔所处位置与核心层与上覆盖层的界面相平或比之略低；因此该锪孔所处位置与第二耦合线圈55相平(或比之略低)；该第二线圈为了能让空腔的中央部分及其锪孔穿过，必须比模块所带的第一线圈52更大。相反，线圈52与55之间的间距只能由这个尺寸扩大构成，没有垂直分量(这些线圈都处于相对于主体上表面的同一深度)。

举例说明，各层由PVC材料制成，其厚度分别为；60μm(层59A)，35μm(层59C)，680μm(层58A)，60μm(层59B)。

图6表示根据本发明的另一实施方式；主要差异在于具有两个覆盖层。

在实践中，主体的装饰性图案制作在上覆盖层正下方的表面上；在图3至5的实例中，意味着图案制作在掩膜墨水(不导电)层上。

因此，图6的电子实体包括模块60A(与前面各图中的模块相似，带有支撑膜，支撑膜的内表面带有微电路61，在包含微电路的树脂块周围有第一耦合线圈62)，和主体60B；主体60B包括核心层68，以及位于该核心层的上表面的天线63和耦合线圈65，采用导电墨水打印制成。

该主体还包括上覆盖层69A和下覆盖层69B；该主体在此处还包括中间覆盖层69C。装饰性图案就制作在该中间覆盖层上，而不是制作在形成有天线和第二耦合线圈的界面上。

该覆盖层可以是不透明的，掩蔽天线和第二耦合线圈；作为变型以及更好的方式，该覆盖层本身是透明的，由装饰性图案自己来掩蔽天线和第二线圈。

举例说明，透明层(覆盖层)由聚碳酸酯材料制成，其它层由PVC材料制成，厚度分别为：100μm(层69A)，100μm(层69C)，500μm(层68)，100μm(层69B)。

当然，作为图6的变型，第二线圈也可以模仿图5所示，尽可能与第一线圈处于同一水平(从深度方向看)，并环绕第一线圈。事实上，上文参照各图提到的各种不同变型可以根据设计者的需要或偏好来合并使用。

需要指出，通过打印制作天线和第二线圈的同时可以制作定位标记。图7示意性地表示卡的主体的一部分，此处表示的是图3的卡的主体的一部分；透过覆盖层不仅可以看到第二线圈35(为了简化附图，省略了天线)，而且可以看到标记100。不难理解该标记100在机加工钻空腔和锪孔时可以保证精度，从而保证了两个耦合线圈之间的相对配置的高度可复制性。

可以注意到，上文描述的各实例共同描述了一种电子实体(此处具有双接口)，例如根据现行标准即ISO7816的微电路卡类型的电子实体，该电子实体包括由支撑膜构成的模块和主体；支撑膜的一面(称为内表面)上带有微电路和第一耦合线圈，(最好同时在称为外表面的一面带有触点组，触点组用于根据现有配置与外部阅读器的触点组进行接触)；主体具有空腔，在其中固定所述模块；模块的外表面至少要大致沿着(公差可以为几百微米左右)所述主体的一面(称为上表面)伸展；主体包含天线和耦合线圈，耦合线圈连接到该天线，通过与第一耦合线圈进行电磁耦合，从而使天线与微电路耦合；该第二耦合线圈(甚至也适用于天线)的厚度至多为几个微米(通过沉积导电墨水实现)，其所处平面距主体的上表面的距离小于其距主体上表面的对立面的距离的一半。

根据一种有益的方式，第一线圈所处的平面平行于天线和第二线圈的平面，第一线圈最好也由导电墨水制成。

不难注意到，当天线和第二耦合线圈由导电墨水制成时，其厚度非常小，大约至多5微米，因而其增加的厚度不大，不需要在层间进行补偿。

总的来说，上述各实例根据如下步骤制造：

-制作至少一个核心层；

-在该核心层的表面上制作第二耦合线圈，其厚度至多几个微米(此处通过沉积导电墨水实现)；

-至少将该核心层层压在两个覆盖层之间，以便形成主体，该主体具有上表面和下表面，并使得第二耦合线圈所处的平面距上表面的距离至多等于该平面距该下表面的距离的一半，该主体包含天线，天线连接到该第二线圈；

-在该主体上制作一个空腔；

-将所述模块固定在该空腔中，使得第二线圈能通过电磁耦合与第一线圈配合，从而将天线与微电路耦合。

很容易看出，本发明尤其适用于现有的ID-1或1FF类型的标准微电路卡，也适用于ID-000或2FF类型的、甚至更小格式的例如3FF或4FF的卡。

还可以考虑上文所述实施方式的各种变型，例如把天线和第二线圈制作在不同的深度，例如分别制作在核心层的两面并通过通孔连接起来。

Claims

1.一种电子装置，包括由支撑膜构成的模块(30A、40A、50A、60A)和主体(30B、40B、50B、60B)；支撑膜的称为内表面的一面上带有微电路(31、41、51、61)和第一耦合线圈(32、42、52、62)；主体具有空腔，在空腔中固定所述模块；支撑膜的称为外表面的一面至少大致沿着所述主体的称为上表面的一面伸展；主体还包含天线(33、43、53、63)和第二耦合线圈(35、45、55、65)，第二耦合线圈连接到该天线并用于通过与第一耦合线圈进行电磁耦合而与微电路耦合；所述第二耦合线圈的厚度至多几个微米，所述第二耦合线圈所处平面距主体的上表面的距离小于距主体上表面的对立面的距离的一半。

2.根据权利要求1所述的电子装置，其天线和第二耦合线圈制作于同一平面上。

3.根据权利要求1或2所述的电子装置，其天线和/或第二耦合线圈由导电墨水制成。

4.根据权利要求1或2所述的电子装置，其第一耦合线圈由导电墨水制成。

5.根据权利要求1或2所述的电子装置，其中天线(33)和第二耦合线圈(35)制作在两个核心层(38A、38B)之间的界面上，位于该界面上面的层(38A)的厚度不超过位于该界面下面的层(38B)的厚度的一半。

6.根据权利要求1或2所述的电子装置，其中天线(43)和第二耦合线圈(45)通过被掩膜被制作在最靠近主体的上表面的核心层(48)的上表面上。

7.根据权利要求6所述的电子装置，其主体只包含一个核心层(48)。

8.根据权利要求6所述的电子装置，其中天线和第二耦合线圈由不导电墨水掩膜层(49C)覆盖。

9.根据权利要求6所述的电子装置，包括中间覆盖层(69C)，中间覆盖层位于承载天线和第二耦合线圈的表面与上覆盖层(69A)之间，装饰性图案被制作在中间覆盖层上。

10.根据权利要求1或2所述的电子装置，其中第一耦合线圈(32、42、62)沿主体的厚度方向与第二耦合线圈(35、45、65)相对。

11.根据权利要求1或2所述的电子装置，其中第一耦合线圈(52)沿主体的上表面的平行方向与第二耦合线圈(55)相对。

12.根据权利要求1或2所述的电子装置，由1FF、2FF、3FF、或4FF类型的微电路卡构成。

13.根据权利要求1或2所述的电子装置，其模块的支撑膜在其外表面带有触点组，用于能根据现有配置与外部设备的触点组接触。

14.一种制造电子装置的方法，该电子装置由权利要求1至13中任一项定义，所述方法包括如下步骤：

-制作模块(30A、40A、50A、60A)，该模块包括支撑膜，支撑膜在称作内表面的面上带有微电路(31、41、51、61)和第一耦合线圈(32、42、52、62)；

-制作至少一个核心层；

-在该核心层的表面上制作第二耦合线圈(35、45、55、65)，第二耦合线圈的厚度至多几个微米；

-至少将该核心层层压在两个覆盖层(39A、39B、49A、49B、59A、59B、69A、69B)之间，以便形成主体，该主体具有上表面和下表面，以使得第二耦合线圈所处的平面距上表面的距离至多等于该平面距该下表面的距离的一半，该主体包含天线，天线连接到该第二耦合线圈；

-在该主体上制作空腔；

-将所述模块固定在该空腔中，使得第二耦合线圈能通过电子耦合与第一耦合线圈配合，从而将天线与微电路耦合。

15.根据权利要求14所述的方法，通过沉积导电墨水来制作第二耦合线圈和天线。