薄型非接触IC卡的结构分析及其在AFC系统中的应用

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：卡市场   人气： 发表时间：2011年09月17日

一、简介 
  
随着我国地铁等轨道交通的迅速发展，以AFC方式收费的模式已被广泛接受和采纳。但是随着电子技术的发展和非接触IC卡的兴起，使得以磁卡方式收费的AFC系统存在的缺点也日益突出了。其主要表现有：磁卡保密性差、容量小、进出站检票机结构复杂等，以致使整个AFC系统投资昂贵且维护费用比较高。为此，运营商深感窘迫，急切需要一种新的产品能够替代现有的磁卡。这种新产品要求具有：存储容量大、保密性高、相应的读写机具结构简单、维护方便等优点；同时还要保持像磁卡一样的厚度、并能满足柔性传输等优点。根据这些要求，我们认为标准的非接触IC卡是能够满足其中的一些要求的，但是由于其厚度在0.8mm左右，且仅适用于不需要弯折的场合下使用，例如公交一卡通等场合。所以要想使标准非接触IC卡满足柔性传输的要求，则其必须要在保持非接触IC卡优点的同时，还要努力降低卡体的厚度。薄型非接触IC卡正是在这种需求下出现的一种新产品。 
  
二、薄型非接触IC卡中的组成部分分析和选择 
  
薄型非接触IC卡的组成和标准非接触IC卡的组成一样，都是由芯片、卡基材料、天线等部分组成，但是根据具体使用情况的不同，也各有区别。现分别讨论如下： 
  
1. 芯片封装形式的选择 
传统的非接触IC卡生产在采用芯片封装时形式上都是用模塑封装后的模块来生产的。如果要生产薄型非接触IC卡，在采用外形尺寸为4.8mm×5.1mm×0.30mm的模块尺寸时，困难就比较大。因此需要采用更小尺寸的没有封装的裸芯片，如飞利浦公司ultralight裸芯片的外形尺寸约为0.55 mm×0.55 mm×0.13 mm，由于其厚度仅为0.13 mm，这就为生产薄型非接触IC卡创造了一个有利的条件。 
  
（1）模块封装的主要生产工艺（如图1所示）：其生产过程一般是由模块封装厂来完成的。由于过程中增加了下述这些生产环节，这就使得用模块封装和采用裸芯片封装的方式相比，其生产成本明显要高，同时模块的厚度也比裸芯片要厚很多，其中仅封胶的厚度就达0.3mm左右。 
  
（2）为了更详细地分析这两种形式的不同，下面通过结构示意图来简单介绍。图2a、2b是模块封装和倒装连接(FLIP CHIP)的结构对比，从图中可以看到：模块封装结构比倒装连接要复杂。在图2a中，和金线相连的基材一般是芯片的引脚，在生产中需要把封装好的模块从载带上冲切下来，然后和绕线天线的两个触点进行碰焊，来完成非接触IC卡的电路部分。而采用倒装连接技术时，如图2b所示，其基材可以是蚀刻天线（或者印刷天线）的触点，这样既省去了图1的模块封装工艺，也不需要从载带冲切模块和碰焊等生产工序。而且还能够实现焊区与焊区直接导连，减小了其互连产生的杂散电容、互连电阻及互连电感。简化了生产过程，提高了非接触IC卡的可靠性。同时由于采用芯片直连技术，就使得生产出的天线层（inlay）在厚度上一般能够控制在0.26mm以内，为生产厚度0.5mm的非接触IC卡奠定了较好的基础。 
  
在图2b中如果基材不是蚀刻天线（或者印刷天线），而是载带的话，这样的结构形式就是FCP形式，采用这种结构，同样可以生产厚度在0.26mm的天线层。 
  
（3）倒装连接是一种新的内连(interconnect)技术，目前在半导体行业中有着比较广泛的应用。虽然在生产非接触IC卡中采用的倒装技术（图2b中基材是天线触点的情况）是来自半导体行业，但还是有一些比较大的区别。表1中简单列举了在非接触IC卡和半导体行业生产中应用倒装技术的一些区别。从表中可以看到，针对非接触IC卡的具体情况，倒装连接工艺具有自己的特点，它是根据采用基材的特性和芯片的种类来考虑的。 
  
根据上面的分析可知，模塑封装的模块在外形尺寸上比较大，其不适宜生产厚度在0.5mm及以下的非接触IC卡中，而倒装工艺是一种非常成熟的技术，采用这种技术可以生产更薄的非接触IC卡（厚度甚至能够达到0.4mm或者更薄）。同时采用倒装工艺也是IC卡行业今后的发展方向之一。 
  
2. 卡基材料的选择 
  
目前，在生产非接触IC卡时采用的卡基材料一般有PVC 、PET、纸等几种，下面分别对这几种材料的特性和应用做一简单介绍： 
  
（1）PVC（学名聚氯乙稀），是目前生产非接触IC卡中常用的材料，它的软化点（Vicat）点一般在50~700℃之间，PVC的热温定性稍差，当它加热到1300℃以上时即开始分解放出有毒的氯化氢，在2000℃左右就会急剧分解而炭化。所以在常规生产的工艺参数中，温度一般都控制在1700℃以内。由于这种材料在适当的加热、加压情况下，能够把几层PVC完全融合为一个整体。所以，这种材料在非接触IC卡的行业中得到了广泛的应用。采用这种材料来生产单程票也是可行的。但是由于PVC的强度、耐磨性等方面不如PET，所以在卡片的厚度上不能生产出像磁卡（PET材料）那样薄，一般PVC卡片的厚度要大于0.3mm以上，最理想在0.4mm以上，才能够保证有足够的强度和耐磨性。 
  
（2）PET（学名聚对苯二甲酸乙二醇酯），软化范围在230～240℃，熔点在255～260℃，具有比较好的抗弯性、耐磨性等特点。但是在目前的技术条件下，还达不到像PVC卡一样通过加热、加压的方式把几层PET卡片融合为一个整体 。因此，大多数情况下是采用双面胶作为粘结的材料来解决这个问题。也有生产厂家采用价格比较高的热固性胶来作为粘结材料，但是这样就会增加产品的成本。同时，如果采用PET生产单程票的话，在层压工序时采用生产非接触IC卡的工艺参数时，就不能像PVC在加热时会软化延伸来填补空隙。所以，即使其层压后卡基的厚度能够达到0.4mm以下，而其中芯片位置的厚度仍然远远大于这个数值。 
  
（3）纸作为一种生产非接触IC卡的材料，价格相对便宜，一般是用来生产电子标签，如果作为单程票，就需要解决防潮及卡基强度等问题。 
  
根据目前使用的卡基材料，通过上述分析可知，PET和纸虽然各自具有一定的优点，但是生产单程票比较理想的材料还是PVC。 
  
3. 天线种类的选择 
  
非接触IC卡（含电子标签）中使用的天线种类一般有绕线天线、蚀刻天线、印刷天线等几种。传统的非接触IC卡中大多数都采用绕线天线，少数采用蚀刻天线，通过使用实验证明，这种蚀刻天线性能稳定，技术上比较成熟。而印刷天线则是采用导电银浆通过丝网印刷来制作的，这种天线存在着弯折时其线圈电阻值会改变的缺点，用这种天线生产的单程票在发卡时一般会发生信号不稳定的情况（通常100张中有差不多2~4张有问题，比例占2~4％）。这类丝网印刷的天线一般是用在电子标签中。另外，绕线天线也只能在PVC基材上绕制；蚀刻天线则可以在PVC和PET两种材料上制作；而印刷天线则都能够在这三种材料上印刷。 
  
二、目前乘客在使用票卡时的习惯动作 
  
以上对非接触IC卡的主要组成做了简单的分析，仅供研发和生产薄型非接触IC卡的厂商参考。考虑到这种新型薄型非接触IC卡在轨道交通中的具体使用环境，即乘客在乘车时使用票卡的情况也应该有所了解。经过观察统计发现： 
  
乘客在乘车的时候，多数都会把票卡放进口袋等地方保存好，以便在出站时使用。但是，也有不少人在乘车时一直把票卡拿在手中，这样就有意无意的对票卡做一些动作，这些动作一般可以归纳为以下几点： 
  
a. 刮汗。这种情况在夏天的时候尤其明显，他们把票卡当作除去脸上和手上等部分汗液的工具，这就要求票卡本身一定要具有防潮的能力，纸制的票卡就很难满足这一要求。 
  
b. 剔指甲。有些人会有留长指甲的习惯，在乘车时可能会用票卡来剔指甲，如果票卡的各层之间是采用粘结方式的话，剔指甲就会很容易把票卡的各层剥离开来，造成废卡。 
  
c. 弯扭票卡。由于在乘车时一般都没有什么事情做，当手里拿着票卡的时候，就有可能暂时把票卡当作消磨时间的工具，对它做一些弯扭的动作。目前在使用磁卡的情况下，会把它拨弹出声响来，此时假如票卡强度不够高的话，就可能会损坏票卡造成报废。如果采用模块封装的薄型非接触IC卡来做票卡，则会由于模块位置的PVC层很薄，更容易损伤到模块而使卡产生报废。 
  
以上几点是人们在乘车时可能会出现的情况，其中有些动作对票卡造成的损伤情况可能远比正常使用时大得多，甚至造成票卡报废的直接原因之一。因此对票卡的生产厂家提出了更高的要求，即既要能满足票卡在正常使用时的各种技术要求，又要考虑到人们在乘车时的种种不良习惯动作。只有这样，才能够保证产品票卡具有良好的性价比。 
  
结   论 
  
通过对非接触IC卡组成部分的分析可知：目前能够替代轨道交通自动收费系统AFC中使用的磁性票卡，较理想的应该是采用倒装技术、PVC层压工艺、天线采用绕线天线或者蚀刻天线生产的薄型非接触IC卡。随着轨道交通的进一步发展，可以相信这种新产品一定会得到更大的发展和应用。