专利名称：芯片卡及制造芯片卡的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电信号非接触地传输至一个终端的芯片卡，该卡具有一个卡体，在该卡体中，以集成方式装配一个具有带状导线和接触接头的耦合元件，以及一个具有配属于该耦合元件的电子电路的半导体芯片，其中半导体芯片在其表面上提供接触元件，用于芯片上的电子电路和耦合元件的接触接头的电学连接。此外，本发明涉及一种用于制造这种芯片卡的方法。
芯片卡通常以支票卡的规格构成，因为高功能灵活性使其可能的应用性已变得极为广泛，并且正随着计算能力和可提供的集成电路存储容量的提高而进一步增加。除了这种芯片卡目前典型的应用领域，如以健康保险卡、自定时间上班登记卡、电话卡的形式应用外，未来将提供如电子支付交易、计算机辅助存取控制、保护数据存储器等诸如此类的特殊应用。按照与终端或读出器耦合的类型，可区分为含有触点的芯片卡与所谓的非接触芯片卡。含有触点的芯片卡的接触是借助含有接触元件的金属接触区形成的，接触元件通常按照ISO标准进行标准化。虽然，由于制造商生产经验的增加，在过去的几年里含有触点的芯片卡的可靠性已得到不断的改进，其结果是，例如，目前寿命为一年的电话卡的故障率显著低于千分之一，但是触点仍然是机电系统中最频繁的故障源之一。例如，干扰可由触点的污染或磨损而产生。在移动装置中使用时，振动可导致短期的接触中断。由于芯片卡表面上的触点是直接与集成电路的输入端相连接，因此，此外存在着静电放电可能消弱或甚至毁坏卡内部的集成电路的危险。采用非接触芯片卡可以防止这些技术问题的发生。除了这些技术上的优点之外，非接触芯片卡此外还为卡的发行人和卡的用户提供了一系列有益的新的应用可能性。因而，例如，非接触芯片卡不需要必须插入卡读出器中，相反，存在可在直到一米的距离内工作的系统。一个广泛的应用领域，例如在公共场合人员的近距离交佳，在此处应尽可能短的时间内必须登记尽可能多的人员。还有更为有利的是，非接触芯片卡提供了在卡表面上看不到技术元件的优点，其结果是卡表面的可见外型不受磁条或接触区域的限制。目前现有的非接触芯片卡的缺点主要在于必须集成在卡中的附加元件，例如，传输线圈或电容器片。这导致了这样的事实，直到现在非接触芯片卡的制造要比类似的含有触点的卡昂贵许多。此外，用于电信号非接触传输至终端机的、非接触芯片卡中所必须的电子线路也更为昂贵。原则上，适用于此的电路是那些使信号借助微波、光信号、电容或电感耦合传输的电路，其中由于芯片卡的扁平结构形状，则电容和电感耦合最为适用。目前，对于大多数非接触卡，传输是以感应的方式实现的，通过感应可以实现数据和能量二者的传输。因此，一个或多个感应线圈以集成的方式构造在卡体中作为耦合元件。电信号的传输是依据松耦合变压器的原理实现的，载波频率位于，例如100和300kHz之间的范围内，或位于几个MHz，特别是13.56MHz的工业频率。为此目的，感应线圈需要具有的线圈面积，典型的约为30至40cm2，该面积显著大于数量级约为10mm2的半导体芯片的基底面积，感应线圈必须以适当的方式与位于半导体芯片上的电路接触。这里，半导体元件以预制模块的形式或直接作为芯片组装在已刻蚀的线圈上。随后，该当时作为单独组件的芯片模块，与通常只有几匝并具有扁平结构的感应线圈一同被层压入卡体中以制成芯片卡，在层压时，为了体积调整必要时放入具有冲孔的中间薄膜作为插入薄膜。
本发明的任务在于，提出一种非接触芯片卡以及一种用于制造该种非接触芯片卡的方法，这种方法保证耦合元件与半导体芯片较为简单的组装，同时保证该非接触芯片卡的高可靠性和长寿命。
借助按照权利要求1所述的芯片卡和按照权利要求12所述的芯片卡制造的方法该任务得以解决。
按照本发明，规定所提供的载体是由电学上绝缘的材料制成的，它支撑至少部分耦合元件的带状导线和接触接头，并且在耦合元件接触接头的范围内，提供一个用于安装半导体芯片的开孔。
按照本发明所述的制造非接触芯片卡的方法以如下步骤为特征-至少部分耦合元件的带状导线和接触接头构造和排列在电学上绝缘材料的载体上，-在载体中耦合元件接触接头的范围内制作一个开孔，一在载体的开孔中以这种方式插入半导体芯片，使得半导体芯片的接触元件面向接触接头，以及-将半导体芯片的接触元件和耦合元件的接触接头连接。
本发明使得比以前已知的非接触芯片卡的一系列优点成为可能。一方面给出一个低的调准要求，由于带状导线和耦合元件的接触接头可以支撑在载体上，耦合元件可以更为简单地与半导体芯片组装在一起。此外，借助在载体的开孔中安装半导体芯片，包含半导体芯片和耦合元件的芯片卡模件可获得最小的总高度。与以前已知的装置相比，该装置在半导体组件以模块的形式或直接作为一个芯片组装在耦合元件上之后，高度保持不变，该高度可能受到机械损害和在芯片卡的进一步构造中起干扰作用，为此，需要使用具有冲孔的中间薄膜用于在后面芯片卡的层压过程中调整体积，在按照本发明所述的装置的情况下，主要因为载体上支撑的带状导线非常薄，则存在在任何情况下都可以忽略的高度，其结果是在不使用体积调整的中间薄膜和中间压层的情况下，可以实现芯片卡卡体的进一步制造。
在本发明优选的实施例中，可以有利地作出这种规定，在面向耦合元件的半导体芯片表面上，在半导体芯片连接元件间的区域中，提供一个电学上绝缘材料的绝缘层，并且至少部分耦合元件的带状导线被支撑或自由导向在半导体芯片的绝缘层上。这样，通常总要提供在半导体芯片上的绝缘层，该绝缘层例如用聚酰亚胺材料制成，同时可以用于耦合元件的带状导线的电绝缘，其中，通常具有条形结构并且对机械应力非常敏感的带状导线，可以被至少部分地支撑在半导体芯片的绝缘层上。在此，发明有利地设置，半导体芯片面向耦合元件的表面，以及载体面向耦合元件的表面，至少近似地相互调整在同一平面内。此外，设置载体的厚度和/或安装半导体芯片的开孔的深度，与半导体芯片的总高度一致。为了提高机械稳定性和增大处理安全性，可以使用比较厚的载体材料，其厚度例如与半导体芯片厚度相一致，约为500μm，使得半导体芯片本身不需要减薄，同时卡体中芯片断裂敏感性降低。安装半导体芯片的开孔制成为一个通过载体整个厚度的穿孔是有利的，该穿孔优选采用化学刻蚀或热分解的方法制得。
在本发明一个特别优选的实施例中设置，配属于半导体芯片电子电路的耦合元件含有一个或者多个，特别是螺旋形的，具有只有几匝的扁平结构的感应线圈，耦合元件的线圈边缘或线圈直径远大于半导体芯片的外部尺寸。假设半导体芯片典型的基底面积约为10mm2，所用感应线圈的基底面积在约30至约40cm2的范围内。这里，感应线圈在高频范围内具有高线圈Q值，典型地，在C=8pF和L=4.2μH时Q＞25。这样，耦合元件的电学上有效面积大致与芯片卡的总面积一致是有利的，使得感应线圈的大小能够利用卡的最大面积。为了使感应线圈的线匝得到全部机械支撑的目的，载体具有的外部边缘与感应线圈相一致，也就再次说明与最大可能的卡面积相一致。
用于支撑耦合元件的载体可以有利地用柔性材料制成，例如用高温稳定的塑性材料，例如聚酰亚胺制成。此外，聚乙烯或聚氯乙烯(PVC)也可用作载体材料。此外，为了简化半导体芯片和耦合元件的调整，载体也可特别地用一种透明的或至少半透明的塑性材料，例如ABS或PC/PBT制成，以使光出入，例如用于双像照相机，成为可能。
在本发明一个更为优选的实施例中设置，耦合元件的带状导线构成了感应线圈的线匝，带状导线采用刻蚀工艺制成。采用本身已知的光刻工艺，耦合元件的带状导线和接触接头可以采用化学刻蚀工艺在由铜制成的线圈薄膜上印制而成。这样，感应线圈具有条形结构的带状导线的线匝相互并排平放且不交叉地排列在由铜制成的线圈薄膜上，感应线圈的接触接头在线圈的端部构成。
用于安装半导体芯片的开孔有利地安置在芯片的边缘区域，在此只存在最低的弯曲应力，并且提供了所需要加工的最大的卡内表面。
为了增加半导体芯片的机械保护，一个保护环或一种具有以形状稳定方式固化的和具有适当硬度的物质(例如所谓的Glob Top)，加在载体上。
在芯片卡的制造过程中，在本发明的一个有利的实施例中，载体中用于安装半导体芯片的开孔或穿孔可以在载体和耦合元件的组装完成之后进行。在将铜层压感应线圈加在载体上之后，可将光刻胶层加在载体背向耦合元件的表面上，遍布整个表面，该层被结构化用于在将要制作开孔的地方构造一个刻蚀掩膜。在制造开孔或穿孔的载体的化学刻蚀之后，半导体芯片被插入开孔中，并进行半导体芯片的接触元件和耦合元件的接触接头之间的电学接触。在此，对用于在载体中制作开孔的刻蚀剂的一种防护措施，耦合元件可以预先在其下侧，也就是面向载体的一侧，提供一层抗刻蚀物质的漆。另一种可采用的方法，在将耦合元件安装在载体上之后，开孔可以用化学溶解载体材料的方法或用载体材料热分解的方法制造。
此外，在按照本发明方法的一个更为有利的实施例中可以设置，载体中用于安装半导体芯片的开孔在载体和耦合元件的组装之前制出，并且采用一种可用机械的、化学的、或热可除去的封闭材料暂时封闭。在此，载体中的开孔可以预先用冲压或用化学或热的方法制出。此后，并且还在耦合线圈安装之前，开孔在下一步骤中用一种机械稳定的但易于除去的材料，优先为人造材料例如聚合物封闭。在耦合元件安装以及耦合元件的带状导线和接触接头制造后，优选采用铜层压线圈薄膜结构化刻蚀的方法，用一种例如机械、化学或热的方法除去封闭，并且半导体芯片被安装上。封闭材料也可以特别地指定一种适合的蜡材料，它可以在感应线圈的层压和刻蚀之后通过热熔的方法以简单的方式除去，然后半导体芯片可被插入载体内空的开孔中，并与耦合元件装配。
下面借助附图，通过对下述实施例的说明得出本发明的特征，优点和要点。其中，
图1按照本发明的一个实施例，一个插入芯片卡中的由半导体芯片耦合元件和载体组成的芯片模块的剖面简图；和图2按照图1中的组件简图的部分平面图。
图1和图2中所示本发明的实施例包括一个用于电信号非接触传输至终端(未更详细地示出，且为静态的)的芯片卡1，也就是一个所谓的非接触芯片卡，它含有一个感应线圈2作为具有带状导线3的耦合元件，该带状导线3具有条形结构，互相并排设置并具有螺旋形状，它代表线圈的线匝，并且具有接触接头4，接触接头形成在线圈的每一端部，其尺寸相对于带状导线3的宽度大很多。为更明了起见，图1和图2中只较详细地示出了带状导线3的局部，实际上感应线圈2利用了芯片卡1的最大卡面积，具有非常大的，大致与芯片卡外部尺寸相一致的外部尺寸。线圈2可以作为一个独立元件采用冲压或刻蚀铜层压线圈载体薄膜的方法制出。以实际上已知的方式，铜层压线圈载体薄膜(图中未更详细地示出)覆盖有与带状导线3和接触接头4的结构一致的刻蚀掩膜，掩膜例如用光刻胶材料制成，并用一种适当的化学刻蚀剂进行处理。由铜组成的感应线圈2与集成在半导体芯片5中的电子电路电学接触，其作用原理是专业人员所熟知的，因此同样没有在图中更为详细地表示。半导体芯片5在其表面上提供有电学上导电的接触元件6(所谓的芯片焊点)，它与感应线圈2的接触接头4电学地并且机械地连接。为了感应线圈2，特别是感应线圈2的机械上极为敏感的带状导线3的机械支撑的目的，提供一片由聚酰亚胺材料制成并且具有用于安装半导体芯片5的开孔8的载体7。开孔8的尺寸基本上与半导体芯片5的尺寸一致，使得后者能够被完全安装于开孔中。考虑到组装容差，开孔的宽度应该稍大于半导体芯片5的宽度，使得在半导体芯片的侧区留有剩余空隙9，但这并无干扰。载体7的厚度d与半导体芯片5和接触元件6的总厚度精确地一致，其结果是半导体芯片面向耦合元件的表面和载体7面向耦合元件的表面基本上相互调整在同一平面内。对于通常可得的芯片厚度，载体的厚度为约400至约500μm，使得需要进行的半导体芯片厚度的附加的减薄可以免除。载体的外部边缘几乎与感应线圈2的外部边缘一致，并且因此基本上与芯片卡本身的尺寸一致，使得感应线圈2被完全支撑在载体7上。在接触元件6之间提供的是一种电学上绝缘的材料，例如聚酰亚胺的薄绝缘层10，该绝缘层通常总要排列在单独制造的半导体芯片上，并且在按照本发明的装置中，用作电学绝缘支撑层，支撑在半导体芯片5上通过的感应线圈2的部分带状导线。因此半导体芯片5平着放置在开孔8中，其上通过有感应线圈的带状导线3。采用一种实际上已知的直接连接技术，例如，采用热压或所谓的倒装组装技术，在相对宽的接触元件6和接触焊点处，将感应线圈2与半导体芯片5建立接触并固定在一起。本发明芯片模块的总体装置，包括半导体芯片5，载体7和感应线圈2，与以前已知的装置相比，它具有一个基本上平面型的表面，因此能够在进一步的卡的制造过程中在与卡体其它元件层压时不使用附加中间薄膜等材料。与载体7或半导体芯片5的总厚度相比，带状导线3或接触接头4的厚度，在此特别在图1中是以放大的形式示出的，可以被忽略。
符号表1．芯片卡2．感应线圈3．带状导线4．接触接头5．半导体芯片6．接触元件7．载体8．开孔9．剩余空隙10．绝缘层
权利要求
1．用于电信号非接触传输至一个终端的芯片卡，该卡具有一个卡体，在该卡体中，以集成方式装配一个具有带状导线(3)和接触接头(4)的耦合元件(2)，以及一个具有配属于该耦合元件的电子电路的半导体芯片(5)，其中半导体芯片(5)在其表面上提供有接触元件(6)，用于芯片上的电子电路和耦合元件(2)的接触接头(4)的电学连接，其特征在于，提供的载体(7)由电学上绝缘的材料制成，它支撑至少部分耦合元件(2)的带状导线(3)和接触接头(4)，并且，在耦合元件(2)的接触接头(4)的范围内，配备一个用于安装半导体芯片(5)的开孔(8)。
2．按照权利要求1所述的芯片卡，其特征在于，半导体芯片(5)面向耦合元件(2)的表面上，在半导体芯片(5)连接元件间的区域内，提供由电学上绝缘材料组成的绝缘层(10)，并且部分耦合元件(2)的至少部分带状导线(3)被支撑或自由导向在半导体芯片(5)的绝缘层(10)上。
3．按照权利要求1或2所述的芯片卡，其特征在于，半导体芯片(5)面向耦合元件(2)的表面，以及载体(7)面向耦合元件(2)的表面，至少近似地相互调整在同一平面内。
4．按照权利要求1至3所述的芯片卡，其特征在于，载体(7)的厚度(d)和/或安装半导体芯片(5)的开孔(8)的深度与半导体芯片(5)的总厚度一致。
5．按照权利要求1至4所述的芯片卡，其特征在于，配属于半导体芯片(5)的电子电路的耦合元件(2)有至少一个感应线圈(2)，它的线圈边缘远大于半导体芯片(5)的外部尺寸，并且载体(7)的外部边缘被设计为基本上与线圈的边缘一致。
6．按照权利要求1至5所述的芯片卡，其特征在于，耦合元件(2)的带状导线(3)构成耦合线圈(2)的线匝，线匝采用刻蚀工艺制成。
7．按照权利要求1至6所述的芯片卡，其特征在于，由电学绝缘材料制成的支撑耦合元件(2)的载体(7)，构成一个具有平整表面的薄膜。
8．按照权利要求1至7所述的芯片卡，其特征在于，载体(7)的材料是一种温度稳定、柔软塑性材料，特别是一种聚酰亚胺材料。
9．按照权利要求1至8所述的芯片卡，其特征在于，耦合元件(2)的电学上有效面积至少大致与芯片卡(1)的总面积一致。
10．按照权利要求1至9所述的芯片卡，其特征在于，用于安装半导体芯片(5)的开孔安置在芯片卡(1)的边缘区域。
11．按照权利要求5至10所述的芯片卡，其特征在于，感应线圈(2)的条形构成的带状导线(3)的线匝相互并排平放、互不交叉地安置在载体(7)上，接触接头(4)形成在感应线圈(2)的线匝的端部。
12．制造用于电信号非接触地传输至一个终端的芯片卡(1)的方法，该卡具有一个卡体，在该卡体中，以集成方式装配一个具有带状导线(3)和接触接头(4)的耦合元件(2)，以及一个具有配属于该耦合元件(2)的电子电路的半导体芯片(5)，其中半导体芯片(5)在其表面上提供有接触元件(6)，用于芯片上的电子电路和耦合元件(2)的接触接头(4)的电学连接，其特征在于，具有以下步骤-耦合元件(2)的带状导线(3)至少部分和接触接头(4)构成和排列在由电学绝缘材料制成的载体(7)上，-在载体(7)中耦合元件(2)的接触接头(4)的区域内制作一个开孔，-在载体(7)的开孔中，以这种方式插入半导体芯片(5)，使得半导体芯片(5)的接触元件(6)面向接触接头(4)，以及-使半导体芯片(5)的接触元件(6)与耦合元件(2)的接触接头(4)连接。
13．按照权利要求12所述的方法，其特征在于，载体(7)中用于安装半导体芯片(5)的开孔(8)采用化学刻蚀步骤制成。
14．按照权利要求12或13所述的方法，其特征在于，载体(7)中用于安装半导体芯片(5)的开孔在载体(7)和耦合元件(2)的组装完成之后制成。
15．按照权利要求12或13所述的方法，其特征在于，载体(7)中用于安装半导体芯片(5)的开孔在载体(7)和耦合元件(2)的组装之前制成，该开孔用可以用机械、化学或热的方法除去的封闭材料暂时封闭。
16．按照权利要求12至15所述的方法，其特征在于，耦合元件(2)的接触接头(4)采用一种直接连接技术与半导体芯片(5)的连接元件接触并固定。
17．按照权利要求12至16所述的方法，其特征在于，半导体芯片(5)面向耦合元件(2)的表面上，在半导体芯片(5)连接元件间的区域内，提供由电学绝缘材料制成的绝缘层(10)，并且耦合元件(2)的至少部分带状导线(3)被支撑或自由导向在半导体芯片(5)的绝缘层上。
18．按照权利要求12至17所述的方法，其特征在于，半导体芯片(5)面向耦合元件(2)的表面，以及载体(7)面向耦合元件(2)的表面，至少近似地相互调整在同一平面内。
19．按照权利要求12至18所述的方法，其特征在于，安装半导体芯片(5)的开孔(8)安置在芯片卡(1)的边缘区域。
全文摘要
本发明涉及一种用于电信号非接触传输至一个终端的芯片卡(1),该卡具有一个卡体,在该卡体中,以集成方式装置一个具有带状导线(3)和接触接头(4)的耦合元件(2),以及一个具有配属于该耦合元件(2)的电子电路的半导体芯片(5),其中半导体芯片(5)在其表面上提供有接触元件(6),用于芯片上的电子电路和耦合元件(2)的接触接头(4)的电学连接。提供的载体(7)由电学上绝缘的材料制成,它支撑至少部分耦合元件(2)的带状导线(3)和接触接头(4),在耦合元件(2)的接触接头(4)的范围内,设置一个用于安装半导体芯片(5)的开孔。
文档编号G06K19/077GK1213450SQ97193006
公开日1999年4月7日 申请日期1997年3月4日 优先权日1996年3月12日
发明者M·弗里斯, T·杨策克 申请人:西门子公司