制造智能卡的方法与流程
本发明涉及智能卡及其制造方法，具体来说，涉及在制造期间将待从智能卡暴露的部件安装到智能卡的嵌入式电路板的方式。
背景技术
术语智能卡通常指具有其中嵌有一个或多个集成电路的任何口袋大小的卡。常见智能卡应用的示例包括支付卡、门禁卡等。
接触垫是智能卡的允许与外部设备进行电接触的指定表面区域。在智能卡包含敏感数据的情况下(例如在支付卡等的情况下)，使用安全元件来存储数据。安全元件是防篡改芯片，其提供可以安全地存储和管理应用程序代码和应用程序数据的安全的存储器和执行环境。安全元件确保仅在被授权时提供对存储在卡上的数据的访问。在传统的智能卡中，安全元件安装在接触垫的背面，使得接触垫和安全元件形成单独的单元。包括接触垫和安全元件两者的组合单元通常被称为接触模块。
智能卡技术的最新发展允许将生物识别传感器(如指纹传感器)合并到智能卡中以提高安全性。生物识别传感器读取检测到的生物识别数据并将其提供给微控制器以用于用户验证，并且一旦由微控制器验证则指示或允许安全元件通过接触垫与支付终端等通信。这要求生物识别模块直接与安全元件通信。然而，传统接触模块中的安全元件是完全封闭的，并且没有简单的交互方式。
因此，在智能卡包括诸如上述生物识别认证的附加安全措施的情况下，发现在智能卡内分别配置接触垫和安全元件是有利的，即，使得每个部件在智能卡的电路板上占据其自己的“基板面”。这种布置允许通过生物识别认证模块更简单地控制安全元件。例如，在低安全性应用中，可以在安全元件和接触垫之间提供由生物识别认证模块控制的简单开关，以允许或禁用通信。然而，这种配置也引发制造困难。
技术实现要素：
本发明提供一种智能卡，包括：封闭柔性电路的卡体，其中，导电延伸构件延伸离开柔性电路，并且其中形成延伸构件的材料的熔化温度高于形成卡体的材料的熔化温度；腔体，其形成在卡体中并暴露延伸构件；以及接触垫，其容纳在所述腔体中且通过电连接与延伸构件连接，其中电连接在低于形成卡体的材料的熔化温度的温度下形成。
在该智能卡中，接触垫高于柔性电路，以使其在正确的高度处从卡体露出，同时仍通过延伸构件将接触垫电连接到电路。这种配置允许安全元件位于接触垫正后方的其他位置。
为了确保卡的足够寿命，有必要了解不允许进行传统焊接的、通常用于智能卡的材料的温度灵敏性。例如，大多数典型的焊料必须被加热到超过约240℃的温度才能熔化，而用于生产层压卡的最常见的材料聚氯乙烯(pvc)的熔化温度仅为160℃(玻璃化转变温度仅为80℃)。聚氨酯(pu)也常用作层压卡的填料，其也会因暴露在240℃附近的温度下而受损。
为了避免卡体材料过热，上述智能卡使用高熔点材料在柔性电路上形成延伸构件，所述高熔点材料将经受层压工艺等，再通过低温连接将接触垫电连接到延伸构件。使用低温电连接避免了卡材料的任何物理变形。
虽然上述实施例涉及安全元件，但是应当理解的是，相同的配置也可用于需要连接到所述柔性电路的、并从智能卡的卡体中暴露的其他元件。
可以使用各种形式的电连接。例如，电连接可以是机械连接，导电粘合连接和金属焊接连接中的任何一种。如上所述，电连接的形成温度(例如，固化温度、或熔化温度、或回流温度)低于卡体材料的熔化温度。因此，形成电连接不会引起卡的变形。在一个实施例中，所述电连接可具有低于150℃、优选低于140℃的形成温度。
在电连接包括导电粘合剂的情形下，所述导电粘合剂优选地具有低于形成卡体的材料的熔化温度的固化温度。示例性导电粘合剂包括导电环氧树脂，并且在一个优选实施例中，电连接包括异方性导电膜(acf)。然而，其他粘合剂，如导电树脂，也可用于提供电连接。
机械连接通常不需要加热。其优点是不需要热处理或物理-化学处理，并且能够在没有准备或等待时间的情况下进行室温制造。一种示例性机械连接是弹性连接器(有时称为zebra
在电连接包括焊接连接的情况下，形成焊接连接的焊接材料优选地具有低于形成卡体的材料的熔化温度的回流温度，并且在各实施例中，焊接材料的熔化温度也可以低于形成卡体的材料的熔化温度。
如果使用焊接材料，则该焊接材料可以是锡-铋焊料。这种焊料的典型熔化温度约为139℃。这低于上面讨论的典型层压温度，特别是低于pvc的160℃熔化温度。
优选地，形成延伸构件的材料的熔化温度比形成卡体的材料的熔化温度高至少10℃。这允许卡体可以在其中被热层压的清晰的范围，即通过熔化和组合材料层以在电路周围形成卡体，而不会损坏延伸构件。优选地，形成延伸构件的材料的熔化温度高于200℃，优选高于210℃。
延伸构件可以由任何合适的材料形成，但是优选地由金属材料形成。金属材料的使用允许卡在接触垫和柔性电路之间采用金属-金属连接，这提供了高耐久性以为智能卡提供最大寿命——例如，典型的支付卡必须具有三年的最短寿命为。
在一个实施例中，形成导电延伸构件的材料是焊接材料。该焊料材料可以包括任何合适的导电焊料，并且优选地使用符合“关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令”(rohs)标准的无铅焊料，例如锡基焊料或铜基焊料。在优选实施例中，焊接材料是sn-ag-cu焊料，其具有三元共晶行为(217℃)，其低于221℃的sn-3.5ag(重量％)共晶和227℃的sn-0.7cu共晶。
在各种配置中，延伸构件可具有至少200μm的高度，并且优选地具有至少300μm的高度。延伸构件优选地具有小于762μm的高度，即iso7816智能卡的厚度，并且优选地小于500μm。
除了接触垫之外的一个或多个部件也可以连接到柔性电路。这些部件可以嵌入卡体内(例如在层压工艺之前附接)或者可以从卡体暴露。
例如，安全元件可以连接到柔性电路。所述安全元件优选地嵌入卡体内。所述柔性电路可以布置成允许经由延伸构件在安全元件和接触垫之间进行通信。所述电路优选地布置成使得安全元件不与连接到延伸构件的接触垫重叠(即，从垂直于智能卡表面的方向上观察)。
在另一示例中，无论是否具有安全元件，生物识别认证模块都可以连接到柔性电路。生物识别认证模块可以被配置为检测持卡人的生物识别特征，并基于存储的生物识别特征数据来认证他们的身份。生物识别认证模块可以被配置为命令智能卡的安全元件(如果存在)以响应于对持卡人的认证而传输数据。在一个特定实施例中，所述生物识别特征是指纹。
生物识别认证模块可以在层压之前或层压之后附接，或者为这两者的结合。例如，生物识别认证模块可以包括处理单元和生物识别传感器。生物识别认证模块的处理单元可以嵌入在卡体内(即，在层压等工艺之前将其连接到电路)，并且生物识别认证模块的传感器可以从卡体暴露。这种布置防止了由于在层压或其他制造技术期间经历的高压和高温造成的对传感器内的敏感部件的损坏。
所述电路优选地被布置为允许生物识别认证模块(尤其是其处理单元)与安全元件和/或接触垫之间的通信。在另一个实施例中，电路可以包括开关以允许或阻止安全元件和外部设备之间的通信(例如，开关可以位于安全元件和接触垫之间)。然后，优选地将电路布置成允许生物识别认证模块(尤其是其处理单元)控制开关。
除了接触垫之外，智能卡还可以包括天线。所述天线优选被配置为与安全元件进行通信。因此，智能卡可以允许接触交易和非接触交易。
智能卡可以包括连接到天线的近场通信(nfc)应答器，例如与相同或不同的读取器进行附加/二次通信。智能卡应答器可以包括能量收集电路，该能量收集电路被配置为使用智能卡内的能量存储部件来整流所接收的射频(rf)信号并存储能量。
优选地，腔体不暴露所述柔性电路。因此，柔性电路保持完全被封闭，并且电路和接触垫之间的卡体的材料也将为接触垫提供进一步地支撑。
卡体可以由塑料材料形成，并且优选地由pvc和/或pu形成。例如，所述卡体可以包括在柔性电路的任一侧上的pvc层，在pvc层之间具有中间层。所述中间层可以包括塑料材料，例如pvc或pu。在各实施例中，所述柔性电路是柔性印刷电路板，其优选地被印刷在塑料材料上。塑料材料优选地具有高于层压温度的温度和/或不会被层压所损坏。示例性塑料材料包括聚酰亚胺，聚酯和聚醚醚酮(peek)。
智能卡可以是门禁卡，信用卡，借记卡，预付卡，会员卡，身份证，加密卡等中的任何一种。
从第二个方面来看，本发明提供了一种制造智能卡的方法，包括：提供封闭柔性电路的卡体，其中，导电延伸构件延伸离开柔性电路，其中，形成延伸构件的材料的熔化温度高于形成卡体的材料的熔化温度，并且其中，在暴露延伸构件的卡体中形成腔体；将接触垫插入所述腔体；以及使用低于形成卡体的材料的熔化温度的温度将接触垫电连接到延伸构件。
在各个实施例中，所述智能卡是如第一方面中所述的智能卡，并且该智能卡中的任何一个或多个或所有的优选特征都可以应用本方法。
如上所述，可以使用各种形式的电连接。例如，所述电连接可以是机械连接、导电粘合剂连接和金属焊接连接中的任何一种。在一个实施例中，将接触垫电连接到延伸构件的步骤可以在低于150℃的温度下进行，并且优选地低于140℃。
在电连接使用导电粘合剂的情形下，该方法可以包括将导电粘合剂施加到接触垫和/或延伸构件。该步骤优选地在将接触垫插入腔体之前进行。该方法还优选地包括在低于形成卡体的材料的熔化温度的温度下固化导电粘合剂。所述导电粘合剂可以包括导电环氧树脂，并且在一个实施例中所述电连接包括异方性导电膜(acf)。
在电连接使用机械连接的情形下，优选地为延伸构件和/或接触垫提供机械连接。因此，电连接步骤优选地包括将接触垫机械地电连接到延伸构件。该步骤优选地在约环境温度下进行。
在电连接包括焊接连接的情况下，所述电连接优选地包括加热焊接材料以使其回流并形成延伸构件和接触垫之间的电连接。所述加热优选地达到低于形成卡体的材料的熔化温度的温度。将接触垫电连接到延伸构件可以使用超声波焊接，即在其中使用超声能量来熔化焊接材料。使用超声波加热工艺会导致比仅进行加热而言焊料在更低的温度下回流。
提供卡体可以包括从卡体中移除材料以形成腔体并暴露所述延伸构件。优选地，移除材料的步骤包括充分移除，以使得接触垫被容纳在卡体中时不会突出超过卡体的表面。
移除材料的步骤可以包括从延伸构件移除材料以形成用于与接触垫连接的平整的接触表面。当在延伸构件和接触垫之间待进行焊接或粘合剂连接时，这对于确保良好的电连接是特别有用的。
去除材料的步骤优选地不暴露柔性电路。因此，卡体的剩余材料将为接触垫提供进一步的支撑。
材料的去除可以通过任何合适的工艺进行，例如铣削。
去除材料的步骤可以在卡片已经被层压之后或在被层压之前进行，例如，在部件已经到位的情形下。在替代实施例中，卡体可以以不需要去除材料来形成腔体的方式形成。例如，所述腔体可以在卡的层压之前被切割，或者可以在层压工艺中被模制。例如，层压板可以在层压之前进行模切，以避免更长的铣削工艺。
提供卡体可以包括形成卡体。在一个实施例中，卡体通过热层压工艺形成。所述热层压工艺可以在高于约150℃的温度下进行。典型的层压温度通常低于200℃。例如，在一个实施例中，层压可以在160℃至190℃之间的温度下进行。
形成延伸构件的材料的熔化温度优选高于热层压的温度。在一些实施例中，层压可包括在不同温度下的两个或更多个阶段。在这种情况下，所提及的“热层压的温度”应被理解为是指在层压工艺中所维持的峰值温度。因此，延伸构件不会由于层压工艺中施加的加热而变形。
卡体可以由适于热层压的塑料材料形成。例如，所述卡体可包括一层或多层pvc和/或pu。在一个实施例中，卡体包括在柔性电路的任一侧上的外层(例如pvc层)，在外层之间具有中间层。所述中间层可包括塑料材料(例如pvc或pu)，或其他材料(例如硅树脂)。所述中间层可包括液体或半固体/粒状材料。
虽然可以提供已经包括延伸构件的柔性电路，但是在一些实施例中必须添加这些延伸构件。因此，所述方法可包括通过熔化导电金属材料并将该熔融的导电金属材料沉积到柔性电路上来形成延伸构件。
在一些实施例中，安全元件可以连接到柔性电路。在这种情况下，所述安全元件优选地在层压工艺之前连接，即，将该安全元件封闭在卡体内。
在一些实施例中，生物识别认证模块可以连接到柔性电路。所述生物识别认证模块可以在层压工艺之前或之后附接，或者为这两者的结合。。例如，生物识别认证模块可以包括处理单元和生物识别传感器。生物识别认证模块的处理单元可以在层压之前连接到电路，并且可以在层压之后安装传感器。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图更详细地描述本发明的某些优选实施例，其中：
图1至5示出了将接触垫安装到智能卡的柔性印刷电路板组件的方法的步骤；以及
图6示出了通过该方法制造的智能卡。
具体实施方式
应该注意的是，为了清楚起见，图1至图5中所示的各个部件的厚度被显著放大。在图中所示类型的智能卡的实现中，卡的宽度可以是7cm，而卡的厚度小于1mm。外表面之间的总厚度通常为762μm。
图1示出了用于智能卡的柔性印刷电路板组件(fpcba)10。电路板组件10包括柔性印刷电路板12，在所述柔性印刷电路板12上安装有待嵌入智能卡内的各种部件。这些部件每个应该都能承受在热层压工艺中产生的温度和压力，如下文所述。
图1中示出的是安全元件14和指纹处理单元16，它们都连接到柔性电路板12。然而，在各种实施例中，这些中的一个或另一个可能不存在，和/或也可能出现其他组件。
当指纹处理单元16连接到指纹传感器130(如图6中所示的区域指纹读取器130)时，指纹处理单元16将形成指纹认证模块的一部分。处理单元16包括被选择为具有非常低的功率和高速率的微处理器，以便能够在合理的时间内进行生物识别匹配。
指纹认证引擎被设置为扫描呈现给指纹读取器130的手指或拇指，并使用处理单元16将手指或拇指的扫描指纹与预先存储的指纹数据进行比较。然后确定扫描指纹是否与预先存储的指纹数据匹配。
如果确定匹配，则指纹认证引擎将授权安全元件14，以经由接触垫20(在图1中以虚线示出)从智能卡发送数据。在fpcba10上形成接触垫将连接到的多个导电延伸构件18。所述延伸构件18在大致垂直于智能卡表面的方向上延伸离开柔性电路板12。所述延伸构件18形成为用于连接到接触垫20，以便允许接触垫20与电路板12通信。
延伸构件18由能够经受层压工艺的金属焊接材料形成。示例性焊接材料包括锡基或铜基焊料，其熔化温度超过约200℃(以便经受层压)，但低于300℃(以便易于焊接)。延伸构件18在柔性电路板12的合适的触点上形成焊料团，以便在基本垂直于电路板12的表面的方向上延伸。所述延伸构件具有约300μm至400μm的高度并且不需要完全均匀，因为它们在层压后将被铣削成平整的表面。
为了形成智能卡的主体22，fpcba10被装在聚氨酯(pu)填料24中并被夹在两个聚氯乙烯(pvc)板26和28之间。两个pvc板26和28各自具有约80μm的厚度，并且由fpcba10和pu填料24形成的中间层具有约540μm的厚度。然后，将预层压的卡体压缩并加热至160℃至190℃之间的温度，以形成单个的层压卡体22。图2中示出了所述层压卡体22。
接下来，将腔体30铣削到层压卡体22中。将腔体30铣削至足以容纳接触垫20的深度，使得接触垫20的表面将与卡体22的表面齐平。铣削还切入延伸构件18，使得焊料团变平，以形成均匀、平整的表面32，接触垫20可附接到该表面32。腔体30在图3中示出。
为了将接触垫20安装到智能卡中，使用锡-铋焊料以在接触垫20的背面触点上形成焊料团34。然后将接触垫20插入腔体30中，使得接触垫的触点与延伸构件18的表面32对准，如图4所示。
为了在接触垫20和延伸构件18之间形成永久连接，使用超声能量将锡-铋焊料团34加热到超过其熔化温度(约139℃)。使用锡-铋焊料允许部件在较低的温度下回流，这不会损坏卡体22的材料。锡-铋焊料充分地有利于提供接触垫20与fpcba10的安全元件16和其他部件14的连通所需的连接。
图5和6示出了组装的卡102，其中接触垫20经由锡-铋焊料34和延伸构件18永久地连接到柔性电路板12。
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