TW201601479A - 近場通訊模組 - Google Patents

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TW201601479A
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房亞鵬
林陽
李偉
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３Ｍ新設資產公司
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Abstract

本發明提供一種近場通訊模組，其包含：磁性基板，其具有相對之第一和第二表面及第一和第二通孔，該等通孔自該第一表面延伸至該第二表面；及天線，其包含：環狀線圈，其具有第一和第二端、第一和第二饋送點、以及用以將該環狀線圈之該等第一和第二端分別連接至該等第一和第二饋送點的第一和第二連接線，其中該天線經組態以使該環狀線圈經提供於該磁性基板之該第一表面上，該等第一和第二饋送點經提供於該磁性基板之該第二表面上，且該等第一和第二連接線分別延伸通過該等第一和第二通孔。該近場通訊模組具有大幅簡化的結構和明顯縮減的總厚度及顯著改善的機械特性，例如剛性。

Description

近場通訊模組
本發明係關於一種近場通訊模組。
近場通訊系統係近距離(一般範圍在20至30cm)通訊系統，其基於13.56MHz的頻率。其在各種應用中展現此種獨特的優勢，尤其在行動電話支付的應用方面。近場通訊系統的標籤或其中的讀取器/寫入器具有一天線，其在13.56MHz的頻率下可藉由發射天線和接收天線的磁場耦合效應傳送信號。天線在近場通訊技術中扮演極重要的角色，且流過天線的磁通量強度更是直接影響信號傳送品質的重要因素。天線處於諸如行動電話電池表面的金屬表面附近時，天線所發射的磁場將導致金屬表面的渦流損失，從而降低磁通量並導致天線的品質因子相應減低。
在一習知的近場通訊模組中，用於近場通訊的天線一般係經蝕刻或電鍍於聚醯亞胺基板上，然後將包含該蝕刻或電鍍天線的該聚醯亞胺基板黏貼於鐵磁體基板上。因此，習知的近場通訊模組一般依序具有保護膜、天線、聚醯亞胺層、黏接層、鐵磁體層以及PET/黏接層，其中該天線的環狀線圈和饋送點分別提供於聚醯亞胺層的兩表面上。然而，此種模組結構無助於整個模組厚度的降低，且聚醯亞 胺基板一般缺乏足夠的強度以支撐天線的饋送點。此外，隨著手持裝置進一步微型化且變得越來越薄，近場通訊模組的厚度也需要進一步降低。
因此，需要開發近場通訊模組使其具有理想的結構以滿足降低厚度及改善機械特性的要求。
為了解決先前技術的問題，本發明的一項目標為提供一種近場通訊模組，其具有大幅簡化的結構和明顯縮減的總厚度，以及顯著改善的機械特性，包括剛性。
為此目的，本發明提供了以下技術解決方案。
在第一實施例中，近場通訊模組包括磁性基板，其具有相對的第一和第二表面及自該第一表面延伸至該第二表面的第一和第二通孔；以及天線，其包含環狀線圈，該環狀線圈具有第一和第二端、第一和第二饋送點、及用於將該環狀線圈之該等第一和第二端分別連接至該等第一和第二饋送點的第一和第二連接線，其中該天線經組態使該環狀線圈經提供於該磁性基板的該第一表面上，該等第一和第二饋送點經提供於該磁性基板的該第二表面上，且該等第一和第二連接線分別延伸通過該等第一和第二通孔。
在第二實施例中，近場通訊模組包括第一實施例，其中該磁性基板包含鐵磁體基板或磁性複合薄膜基板。
在第三實施例中，近場通訊模組包括第一和第二實施例之任一者，進一步包括第一和第二黏接層，其中該第一黏接層設置於 該磁性基板的該第一表面與該環狀線圈之間，且該第二黏接層設置於該磁性基板的該第二表面與該等第一和第二饋送點之間。
在第四實施例中，近場通訊模組包括第一至第三實施例之任一者，其中該環狀線圈和該等第一及第二饋送點分別具有範圍在2至60μm的厚度。
在第五實施例中，近場通訊模組包括前述任一實施例，其中該磁性基板具有範圍在10至500μm的厚度。
在第六實施例中，近場通訊模組包括第三實施例，其中該等第一黏接層和第二黏接層之至少一者具有範圍在1至30μm的厚度。
在第七實施例中，近場通訊模組包括第三及第六實施例之任一者，其中近場通訊模組進一步包含具有黏接層之保護膜，其中該保護膜係位於該磁性基板與該第一黏接層之間，或位於該磁性基板與該第二黏接層之間，且該保護膜之該黏接層係相鄰於該磁性基板。
在第八實施例中，近場通訊模組包含第七實施例，其中具有該黏接層之該保護膜具有範圍在1至30μm的厚度。
在第九實施例中，近場通訊模組包含第七和第八實施例之任一者，其中該保護膜包含聚合物膜。
在第十實施例中，近場通訊模組包含第九實施例，其中該聚合物膜包含聚對苯二甲酸乙二酯膜、聚胺甲酸酯膜、聚氯乙烯膜和聚丙烯膜之至少一者。
依據本發明之近場通訊模組具有大幅簡化的結構和明顯縮減的總厚度，以及顯著改善的機械特性，例如剛性。
100‧‧‧近場通訊模組
101‧‧‧磁性基板
102‧‧‧天線
103‧‧‧第一黏接層
104‧‧‧第二黏接層
105‧‧‧保護膜
106‧‧‧黏接層
1011‧‧‧第一表面
1012‧‧‧第二表面
1013‧‧‧第一通孔
1014‧‧‧第二通孔
1021‧‧‧環狀線圈
1022‧‧‧第一饋送點
1023‧‧‧第二饋送點
1024‧‧‧第一連接線
1025‧‧‧第二連接線
10211‧‧‧第一端
10212‧‧‧第二端
圖1展示依據本揭露之近場通訊模組之第一實施例之環狀線圈側的示意俯視圖。
圖2展示依據本揭露之圖1中之近場通訊模組之饋送點側的示意俯視圖。
圖3為依據本揭露之圖1中所展示之近場通訊模組之示意性局部斷面放大圖。
圖4展示依據本揭露之近場通訊模組之第二實施例之環狀線圈側的示意俯視圖。
圖5展示依據本揭露之一些實施例之圖4所示之近場通訊模組之饋送點側的示意俯視圖。
圖6為依據本揭露之一些實施例之近場通訊模組的示意性局部斷面放大圖。
圖7為依據本揭露之一些實施例之近場通訊模組的示意性局部斷面放大圖。
本發明之近場通訊模組包含：磁性基板，其具有相對之第一和第二表面及自該第一表面延伸至該第二表面的第一和第二通孔；及天線，其包含：環狀線圈，具有第一和第二端、第一和第二饋 送點、以及用以將該環狀線圈之該等第一和第二端分別連接至該等第一和第二饋送點的第一和第二連接線，其中該天線經組態以使該環狀線圈經提供於該磁性基板之該第一表面上，該等第一和第二饋送點經提供於該磁性基板的該第二表面上，且該等第一和第二連接線分別延伸通過該等第一和第二通孔。
圖1展示依據本揭露之近場通訊模組之第一實施例之第一表面，且圖2展示圖1所示之近場通訊模組之第二表面。如圖1和圖2所示，近場通訊模組100包含：磁性基板101，其具有相對之第一表面1011和第二表面1012，以及具有自第一表面1011延伸至第二表面1012的第一通孔1013和第二通孔1014；以及天線102，其包含：環狀線圈1021，其具有第一端10211和第二端10212、第一饋送點1022和第二饋送點1023、以及用以將環狀線圈1021之第一端10211和第二端10212分別連接至第一饋送點1022和第二饋送點1023的第一連接線1024和第二連接線1025(未顯示於圖1和圖2中)，其中天線102經組態以使環狀線圈1021經提供於磁性基板101之第一表面1011上，第一饋送點1022和第二饋送點1023經提供於磁性基板101之該第二表面1012上，且第一連接線1024和第二連接線1025(未顯示於圖1和圖2中，見圖3)分別延伸通過第一通孔1013和第二通孔1014。
為清晰起見，圖3展示圖1所示之近場通訊模組在第二通孔1014區域的局部斷面放大圖。如圖3中所示，第二連接線1025延伸穿過第二通孔1014，連接環狀線圈1021之第二端10212至第二 饋送點1023。雖然未顯示於圖3中，在類似組態中，第一連接線1024延伸穿過第一通孔1013，連接環狀線圈1021之第一端10211至第一饋送點1022。
在依據本發明之近場通訊模組中，環狀線圈之形狀並未受限，惟其須為環狀。圖4展示依據本揭露之近場通訊模組之第二實施例的第一表面，且圖5展示圖4所示之該近場通訊模組的第二表面。圖4和圖5中元件的說明與圖1和圖2中者相同，後續將對相同元件使用相同的元件編號。
可用於本發明的磁性基板包含鐵磁體基板或磁性複合薄膜基板。鐵磁體基板可為Ni-Cu-Zn燒結鐵磁體，其含有之主成分為Fe3O4，以及Ni、Cu和Zn添加成分。鐵磁體基板為市面有售，例如，商品名稱「AB5007RF」，可購自3M Company,St.Paul,Minnesota；「FSF SERIES」之燒結鐵磁體片，包括FSF131、FSF151、FSF201和FSF501，可購自Maruwa Company,LTD.,Owariasahi-City,Aichi,Japan；以及「FLX-950-X060」，可購自Toda Company,Hiroshima,Japan。
磁性複合薄膜基板可為磁性粒子及聚合物材料之複合材料所製成的薄膜，該磁性粒子可為Fe-Si-Al、Fe-Si-Cr、Fe-Co、或Fe-Ni等合金粒子。在某些實施例中，該聚合物材料係彈性熱塑性塑膠、熱塑性彈性體、或彈性體(即橡膠製品，例如丁二烯-丙烯腈橡膠)。磁性複合薄膜基板市面有售，例如，商品名稱為「RFIC」之複合吸收體，包括RFIC15，可購自3M Company。磁性基板可具有範圍 在10至500μm之厚度，且較佳地具有範圍在10至200μm之厚度。使用磁性複合薄膜基板時，該磁性複合薄膜基板可具有範圍在100至500μm的厚度。
天線可由導電金屬製成，例如Cu、銀金、鋁、或諸如以Au包覆的Cu、以Ag包覆的Cu、以Ni包覆的Cu或以Ni-Au包覆的Cu、或Ni-Ag合金等其他材料。天線之各元件可具有相同厚度。例如，環狀線圈及第一饋送點和第二饋送點分別可具有範圍在2至60μm的厚度。
依據本發明之一較佳實施例，近場通訊模組可進一步包含第一黏接層和第二黏接層。圖6為依據本揭露之某些實施例之近場通訊模組的局部斷面放大圖。如圖6中所示，近場通訊模組100包含第一黏接層103和第二黏接層104，且第一黏接層103設置於磁性基板101之第一表面1011與環狀線圈1021之間，且第二黏接層104設置於磁性基板101之第二表面1012與第一饋送點1022之間。圖6亦展示第一連接線1024及第一通孔1013。應注意，圖6中所示之組態將會近乎完全相同於第二饋送點1023、第二通孔1014及第二連接線1025之組態。因此，圖6中將這些元件以括弧表示。該第一黏接層和該第二黏接層之至少一者可具有範圍在1至30μm的厚度。該等第一黏接層和第二黏接層之材料為習知者，例如丙烯酸黏接劑。可使用壓敏黏接劑或現場固化黏接劑。
依據本發明之另一實施例，近場通訊模組可進一步包含具有黏接層之保護膜，且該保護膜可位於該磁性基板與該第一黏接層 之間或位於該磁性基板與該第二黏接層之間，且該保護膜之該黏接層係相鄰於該磁性基板。圖7為依據本揭露之此實施例之近場通訊模組的局部斷面放大圖。如圖7中所示，近場通訊模組100進一步包含具有黏接層106之保護膜105，且保護膜105係位於磁性基板101與第一黏接層103之間。保護膜105之黏接層106係相鄰於磁性基板101。圖7亦展示環狀線圈1021及第二黏接層104。由於圖7中所示的大致組態將與第一通孔和第二通孔兩者的周圍區域相同，圖7亦展示第一或第二通孔1013(1014)；第一或第二連接線1024(1025)；以及第一或第二饋送點1022(1023)。
保護膜可包含一聚合物膜。該聚合物膜可包含聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜、聚胺甲酸酯(PU)膜、聚氯乙烯(PVC)膜及聚丙烯(PP)膜之至少一者。該保護膜之該黏接層的材料為習知者，例如丙烯酸黏接劑。具有該黏接層之該保護膜可具有範圍在1至30μm的厚度。
在以下實例中更具體地描述本發明，該等實例只意圖作為說明，因為在本發明範圍內的許多修改和變化對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將是顯而易見的。
實例 材料
測試方法 電阻測試方法
近場通訊(NFC)天線之電阻係經量測於NFC天線之該二饋送點之間，方法係使用Keithley 580微歐姆計，可購自Keithley Instruments Inc.,Cleveland,Ohio。
剛性測試方法
NFC模組之剛性係由Elmendorf Tearing測試器所量測，其可購自THWING-ALBERT Instrument Co.,Philadelphia,U.S.A.。首先，將試樣裁切成63mm×80mm的小段，然後放入該撕裂測試器。用刀子在該試樣中央切出一20mm寬的槽。將該測試器之擺錘垂放於該槽上。對該鐘擺秤錘施加一負載。該擺錘撕裂該槽所需的負載接著經讀取並經記錄為其剛性，單位為公克，見表2。
近場通訊性能測試方法
使用可購自Micropross Inc.,Lille,France的Micropross無觸點式測試工作站來量測該NFC模組之讀取性能，且使用NXP PN544作為測試晶片。此測試工作站係基於EMV近場通訊標準。
實例1
一近場通訊(NFC)模組之製備程序如下。使用AB5007RF鐵磁體片作為磁性材料。此磁性材料在13.56MHz之近場通訊工作頻率下的相對導磁率約為150。用刀子在AB5007RF鐵磁體片中切出兩個通孔。該等通孔為具有1.5mm長度及0.5mm寬度之矩形形狀
使用厚度為12μm的Copper Foil來製作該NFC天線。將Copper Foil之底側層疊至87622BP膠帶(保護膜)之黏接層，並接著將Copper Foil之頂側與82600之黏接表面層疊，形成一銅箔層疊結構。
對該銅箔層疊結構執行輕觸切割工序以形成NFC天線。該輕觸切割工序使用具有25μm深度的刀片。於該輕觸切割工序中，首先切割82600 PSA膠帶，接著切割該銅箔，而不切過87622BP(保護膜)。在該輕觸切割工序後，將該87622BP PSA膠帶與所貼附的Copper Foil自經切割之疊層剝離。在該疊層中，所形成的NFC天線包含環狀線圈，其具有兩端、兩個饋送點、及用以將該環狀線圈之兩端分別連接至該兩個饋送點的兩條連接線。該環狀線圈具有4圈矩形導線，其具有1-mm線寬及0.5-mm線間距離。該環狀線圈之大小或面積為35mm×55mm。該等饋送點與該等連接線具有相同的1mm之線寬。應注意，該天線之環狀線圈的設計與該輕觸切割工序中所用的模具設計相符。
將離型襯墊自該NFC天線的82600 PSA膠帶上除下，然後將該NFC天線黏貼至經模切之AB5007RF鐵磁體的PET膜側上。將該NFC天線的該等饋送點穿過該經模切之AB5007RF鐵磁體片的該兩個通孔，然後將其翻轉再黏貼於該鐵磁體片的另一側上。該等饋送點具有約5mm的長度。製得一NFC模組，實例1。將一段82601膠帶層疊於該NFC模組之饋送點側上，以將此模組黏貼至一電子裝置。
實例2
一近場通訊(NFC)模組之製備程序如下。使用一片RFIC Composite Absorber作為磁性材料。此磁性材料在13.56MHz 之近場通訊工作頻率下的相對導磁率約為45。用刀子在該RFIC Composite Absorber中切出兩個通孔。該等通孔為具有1.5mm長度及0.5mm寬度之矩形形狀。
如實例1所述製備銅箔層疊結構與NFC天線。
將離型襯墊自該疊層中的該82600 PSA膠帶上除下，然後將該NFC天線之環狀線圈黏貼至該經模切之RFIC Composite Absorber片的一側上。將該NFC天線的該等饋送點穿過該經模切的RFIC Composite Absorber片之該等兩個通孔，然後將其翻轉再黏貼於該RFIC Composite Absorber片的另一側上。該等饋送點具有約5mm的長度。製得一NFC模組，實例2。將一段82601膠帶層疊至該NFC模組之饋送點側上，以將此模組黏貼至一電子裝置。
比較性實例A
一比較性近場通訊(NFC)模組之製備程序如下。首先製備一NFC天線。將6052XL聚醯亞胺膜藉由5μm環氧樹脂黏接膜層疊至一段Copper Foil。藉由5μm環氧樹脂黏接膜將第二段Copper Foil層疊至該6052XL聚醯亞胺膜之另一側以形成層疊結構。藉由以220g/l之過氧二硫酸銨(NH4)2S2O8溶液蝕刻該疊層以製成NFC天線。在蝕刻前，以一段7412B單一塗層膠帶保護用以形成該NFC天線之環狀線圈圖案的銅箔區域以及用以形成該NFC天線之饋送點的銅箔區域。在蝕刻後，移除該7412B膠帶，且接著使用去離子水沖洗以清洗分別在該聚醯亞胺膜兩側被形成的該環狀線圈圖案與該等饋送 點。所形成的環狀線圈具有4圈矩形導線，其具有1mm的線寬及0.5mm的線間距離。該環狀線圈之大小或面積為35mm×55mm。該等饋送點具有約1mm的線寬及約5mm的長度。
在該聚醯亞胺膜中對應於該環狀線圈之兩端與該等饋送點的位置鑽出兩個通孔。接著藉由電鍍使該等饋送點與該環狀銅線圈經由該聚醯亞胺膜中的兩個通孔而電性連接。使用硫酸銅(CuSO4．5H2O)與硫酸作為電鍍溶液。鍍銅的電壓在陰極處低至0.2V且陽極之電流密度為1.6至2.2A dm-1。在電鍍後，製得NFC天線，其包含環狀線圈、兩個饋送點、及用於連接該環狀線圈兩端至該兩饋送點的兩條連接線。
隨後，使用一片AB5007RF鐵磁體作為該NFC模組的磁性材料。將具有該聚醯亞胺膜的該NFC天線之環狀線圈層疊至該AB5007RF鐵磁體片的黏接側。製得NFC模組(比較性實例A)。將一段82601膠帶層疊於該NFC模組之饋送點側上，以將此模組黏貼至一電子裝置。
比較性實例B
如比較性實例A所述製備一NFC天線。
隨後，使用一片RFIC Composite Absorber作為磁性材料。藉由一段82601膠帶，將具有該聚醯亞胺膜的該NFC天線之環狀線圈層疊至RFIC Composite Absorber的一側。製得NFC模組(比較 性實例B)。將一段82601膠帶層疊於該NFC模組之饋送點側上，以將此模組黏貼至一電子裝置。
依據前述測試方法量測實例1和實例2及比較性實例A和比較性實例B中所產生之該等近場通訊(NFC)模組的電阻、剛性及近場通訊性能。
表1總結實例1和實例2及比較性實例A和比較性實例B之該等近場通訊(NFC)模組的結構及總體厚度。
如表1中所示，與比較性實例A相比，實例1的近場通訊模組具有大幅簡化的結構和明顯縮減的總厚度，且與比較性實例B相比，實例2的近場通訊模組具有大幅簡化的結構和明顯縮減的總厚度。此種結構的簡化和總體厚度的明顯縮減對於電子裝置的最小化和厚度縮減尤其重要。
表2總結實例1和實例2及比較性實例A和比較性實例B產生的近場通訊(NFC)模組內用於支撐饋送點之層的厚度及剛性。
如表2中所示，與比較性實例A相比，實例1之近場通訊模組用於支撐饋送點的層具有較大厚度及剛性。同樣地，與比較性實例B相比，實例2之近場通訊模組用於支撐饋送點的層具有較大厚度及剛性。此證明實例1和實例2的近場通訊模組較諸比較性實例A和實例B具有明顯改善的機械特性。
表3總結實例1和實例2及比較性實例A和比較性實例B中產生之近場通訊(NFC)模組的電阻及在13.56MHz時的Q因子。
如表3中所示，實例1和實例2中產生之近場通訊(NFC)模組的電阻及在13.56MHz時的Q因子類似於比較性實例A和比較性實例B者。
表4展示實例1之近場通訊模組的讀取性能，其中「PICC位置」意指該近場通訊模組之位置相對於一接收天線的座標，「需求最小值(mV)」意指該近場通訊模組在PICC位置需要的電壓最小值，且「Vpp,A(mV)」意指該近場通訊模組在該PICC位置之電壓的峰值與谷值間的差。
如表4中所示，在(0,0,0)的PICC位置，實例1的近場通訊模組之電壓值達到或超過在此位置所需的8.8mV，因此實例1之近場通訊模組的判定為「通過」，且實例1之近場通訊模組在其他PICC位置的判定亦為「通過」。因此，基於表4的結果，可斷定依據本發明實例1之近場通訊模組滿足EMV標準。
同樣地，實例2以及比較性實例A和比較性實例B的NFC模組亦針對讀取性能經量測，並判定在所有PICC位置皆「通過」EMV標準。
應理解，本文中所述的範例性實施例應僅限於說明層面考量而非用於限制之目的。各實施例中對其特徵或態樣的說明一般應視為適用於其他實施例中之類似特徵或態樣。
雖然已參考各圖示以說明本發明之一或多個實施例，所屬技術領域中具有通常知識者應理解，在不偏離本發明之精神及申請專利範圍中所界定的範疇的前提下可進行形式及細節上的各種變更。
100‧‧‧近場通訊模組
101‧‧‧磁性基板
1011‧‧‧第一表面
1013‧‧‧第一通孔
1014‧‧‧第二通孔
102‧‧‧天線
1021‧‧‧環狀線圈
10211‧‧‧第一端
10212‧‧‧第二端

Claims (10)

  1. 一種近場通訊模組，其包含：一磁性基板，其具有相對之第一和第二表面及第一和第二通孔，該等通孔自該第一表面延伸至該第二表面；以及一天線，其包含：具有第一和第二端的一環狀線圈，第一和第二饋送點，及用以將該環狀線圈之該等第一和第二端分別連接至該等第一和第二饋送點的第一和第二連接線，其中該天線經組態以使該環狀線圈經提供於該磁性基板之該第一表面上，該等第一和第二饋送點經提供於該磁性基板之該第二表面上，且該等第一和第二連接線分別延伸通過該等第一和第二通孔。
  2. 如請求項1之近場通訊模組，其中該磁性基板包含一鐵磁體基板或一磁性複合薄膜基板。
  3. 如請求項1或2之近場通訊模組，其進一步包含第一和第二黏接層，其中該第一黏接層設置於該磁性基板之該第一表面與該環狀線圈之間，且該第二黏接層設置於該磁性基板之該第二表面與該等第一和第二饋送點之間。
  4. 如請求項1或2之近場通訊模組，其中該環狀線圈及該等第一和第二饋送點分別具有範圍在2至60μm的一厚度。
  5. 如請求項1或2之近場通訊模組，其中該磁性基板具有範圍在10至500μm的一厚度。
  6. 如請求項3之近場通訊模組，其中該第一黏接層與該第二黏接層之至少一者具有範圍在1至30μm的一厚度。
  7. 如請求項3之近場通訊模組，其中該近場通訊模組進一步包含具有一 黏接層之一保護膜，其中該保護膜係位於該磁性基板與該第一黏接層之間或位於該磁性基板與該第二黏接層之間，且該保護膜之該黏接層係相鄰於該磁性基板。
  8. 如請求項7之近場通訊模組，其中具有該黏接層之該保護膜具有範圍在1至30μm的一厚度。
  9. 如請求項7之近場通訊模組，其中該保護膜包含一聚合物膜。
  10. 如請求項9之近場通訊模組，其中該聚合物膜包含一聚對苯二甲酸乙二酯膜、一聚胺甲酸酯膜、一聚氯乙烯膜與一聚丙烯膜之至少一者。
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