DE69831592T2

DE69831592T2 - Zusammengesetzte ic-karte

Info

Publication number: DE69831592T2
Application number: DE69831592T
Authority: DE
Inventors: Susumu Taito-ku EMORI; Hidemi Taito-ku NAKAJIMA; Susumu Taito-ku IGARASHI; Kazuo Taito-ku KOBAYASHI
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: CN1278936A; EP1031939A1; US6378774B1; EP1031939B1; WO1999026195A1; CN1179295C; DE69831592D1; EP1031939A4

Description

Deutschsprachige Übersetzung der Beschreibung der Europäischen Patentanmeldung Nr. 98 953 057.1-2210 des Europäischen Patents Nr.1 031 939 Deutsches Aktenzeichen Nr. 698 31 592. 8-08
Die Erfindung bezieht sich auf eine Chipkarte in Form einer sogenannten Smartkarte, die sowohl die Funktion einer kontaktabhängigen Chipkarte, bei der die Aufnahme von Versorgungsenergie, das Senden/Empfangen von Signalen usw. über elektrische Kontakte erfolgt, als auch die Funktion einer kontaktlosen Chipkarte, bei der die Aufnahme von Versorgungsenergie, das Senden/Empfangen von Signalen usw. ohne Einbeziehung von elektrischen Kontakten erfolgt, besitzt und als Informationsträger in Form von IC-Karten usw. auf Gebieten wie der Büroautomatisierung (OA) und der Werks- bzw. Fertigungsanlagenautomatisierung (FA) oder bei Sicherheitssystemen Verwendung findet.
Durch die Entwicklung von IC-Karten mit Halbleiterspeichern usw. stehen nunmehr Informationsträger zur Verfügung, die im Vergleich zu üblichen Magnetkarten und dergleichen erheblich größere Speicherkapazitäten aufweisen. Zusätzlich zu der internen Anordnung eines integrierten Halbleiterschaltkreises wie eines Mikrocomputers besitzt eine solche IC-Karte auch selbst die Funktion eines Arithmetikprozessors, wodurch ein Informationsträger mit hoher Datensicherheit erhalten wird.
IC-Karten sind international genormt durch die ISO-Norm (Norm der International Organisation for Standardization). Im allgemeinen ist bei einer IC-Karte ein integrierter Schaltkreis wie ein Halbleiterspeicher in einen aus einem Kunststoffmaterial als Basismaterial bestehenden Kartenkörper eingebaut, wobei metallische leitende Anschlusselektroden an einer Kartenoberfläche zur Verbindung mit einem externen Lese-/Schreibgerät angeordnet sind. Zur Herbeiführung einer Datenkommunikation zwischen der IC-Karte und einem externen Lese-/Schreibgerät wird die IC-Karte in einen Kartenschlitz des externen Lese-/Schreibgeräts eingeführt, sodass die Anschlusselektroden der IC-Karte mit dem externen Lese-/Schreibgerät verbunden werden.
Dieses Verfahren eignet sich für Verwendungszwecke, die eine hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit der Datenkommunikation erfordern, wie dies bei großvolumigem Datenaustausch und im Bankwesen z.B. bei Buchungen und zur bargeldlosen Zahlung erforderlich ist.
Wenn dagegen die IC-Karte im Rahmen eines Zugangskontrollsystems zur Eingangs-/Ausgangskontrolle (Einfahrt-/Ausfahrtkontrolle) usw. Verwendung findet, besteht der Hauptzweck der Kommunikation in einer Identifizierung, wobei die Kommunikationsdatenmenge in den meisten Fällen nur gering ist. Demzufolge wird eine vereinfachte Verarbeitung angestrebt. Zur Lösung dieses Problems ist daher bereits eine kontaktlose IC-Karte entwickelt worden.
Bei dieser Art von IC-Karte wird ein räumliches Schwingungsenergiefeld in Form von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern, Ultraschallfeldern, Licht usw. erzeugt. Diese Energie wird aufgenommen und in einen Wechselstrom umgesetzt, der dann gleichgerichtet wird und als Gleichstrom zur Ansteuerung einer in der Karte vorgesehenen elektronischen Schaltungsanordnung dient. Die Frequenz einer Wechselstromkomponente in dem Feld kann hierbei in der vorliegenden Form verwendet oder zur Erzeugung eines Identifizierungssignals multipliziert oder dividiert werden. Dieses Identifizierungssignal wird in Form von Daten über ein Koppelelement wie eine Antennenspule oder ein kapazitives Element zu einer von einem Halbleiter-Baustein gebildeten Informationsverarbeitungsschaltung übertragen.
Die meisten kontaktlosen IC-Karten, die zur Durchführung einer Identifizierung oder einer einfachen numerischen Datenverarbeitung ausgestaltet sind, führen eine Hochfrequenz-Identifizierung (HF-ID bzw. RF-ID) mit Hilfe einer fest verdrahteten Logik durch, die keine Batteriezelle und keine Zentraleinheit (CPU) umfasst. Bei Verwendung der kontaktlosen IC-Karten wird im Vergleich zu Magnetkarten eine höhere Sicherheit in Bezug auf Nachahmungen, Betrugsversuche oder Fälschungen erhalten. Wenn der Besitzer einer solchen Karte eine Tür oder Einfahrt passiert, sollte ausreichen, dass die Karte in die Nähe einer Antenneneinheit des an dem Zugangskontrollgerät angebrachten Lese-/Schreibgeräts bzw. in Kontakt mit der Antenneneinheit des Lese-/Schreibgeräts verbracht wird, sodass der Träger der Karte keine zeitaufwendigen Vorgänge in Form der Herausnahme der Karte aus einer Tasche oder einem Aktenkoffer und Einführung der Karte in den Schlitz des Lese-/Schreibgeräts ausführen muss.
Um die Verwendung einer einzigen Karte für mehrere Verwendungszwecke zu ermöglichen, ist in jüngerer Zeit bereits eine Chipkarte in Form einer sogenannten Smartkarte entwickelt worden, die sowohl die erstere kontaktabhängige Funktion mit externen Anschlüssen als auch die letztere kontaktlose Funktion in Form einer Hochfrequenz-Datenkommunikation aufweist. Diese Smartkarte besitzt die Vorteile beider Funktionsarten, nämlich den bei der Kontaktausführung durch die mit Hilfe der über eine Zentraleinheit (CPU) erfolgenden Datenverarbeitung erzielbare hohe Sicherheit gegebenen Vorteil und den bei der kontaktlosen Ausführung durch die einfache Handhabung gegebenen Vorteil. Wenn sowohl bei der kontaktlosen Ausführungsform oder der kombinierten Ausführungsform in der IC-Karte eine Energieversorgung vorgesehen ist, ist die Aufnahme von Energie aus dem vorstehend beschriebenen räumlichen Schwingungsenergiefeld nicht erforderlich.
Nachstehend wird auf ein übliches Montageverfahren für eine Chipkarte in Form einer solchen Smartkarte näher eingegangen.
Eine durch Ätzen einer Metallfolie erhaltene Antennenspule für die kontaktlose Übertragung wird zwischen einem Blatt mit einer Einsetzausnehmung zur Aufnahme eines IC-Moduls und einem Substrat angeordnet. Diese Anordnung wird zur Bildung eines Kartenkörpers laminiert. Hierbei enden zwei Antennenanschlüsse für die Verbindung zwischen der Antennenspule und dem IC-Modul an einer Innenseite der Einsetzausnehmung in dem Kartenkörper.
An einer Oberfläche des IC-Moduls sind metallische Anschlusselektroden für eine Verbindung mit einem externen Gerät angeordnet, während die andere Oberfläche mit einem integrierten Schaltkreis und Anschlüssen für eine Verbindung mit der Antenne versehen ist. Auf die Anschlüsse wird ein leitender Klebstoff aufgebracht. Der IC-Modul ist in der Einsetzausnehmung in dem Kartenkörper derart angeordnet, dass die Anschlüsse mit dem leitenden Klebstoff die Antennenanschlüsse der Karte überdecken können, woraufhin die Anschlüsse des IC-Moduls mit den Antennenanschlüssen durch Erwärmung und Druckeinwirkung verbunden werden, womit die Montage abgeschlossen ist.
Dieses Montageverfahren ist zwar relativ einfach, jedoch ist die Bestimmung des Zustands des Verbindungsabschnitts zwischen dem IC-Modul und der Antenne mit Schwierigkeiten verbunden, sodass ein Problem in Bezug auf die Zuverlässigkeit der Verbindung verbleibt. Außerdem kann der Verbindungszustand im Verbindungsabschnitt leicht durch mechanische Spannungen beeinträchtigt werden. Da außerdem ein Schritt zur Aufbringung des leitenden Klebstoffs sowie ein Thermokompressionsschritt zur Herstellung der Verbindung zwischen dem IC-Modul und der Antenne erforderlich sind, ist die Verwendung eines Geräts zur Herstellung einer üblichen IC-Karte mit externen Anschlüssen mit Schwierigkeiten verbunden, sodass eine neue Fertigungsstrecke vorgesehen werden muss.
Weiterhin kann bei den meisten IC-Karten mit einer solchen kontaktlosen Übertragungseinrichtung auf Grund von Einschränkungen in bezug auf die Spulenform und dergleichen zur Gewährleistung einer ausreichenden Energieaufnahme kein Prägedruck oder kein Magnetstreifen vorgesehen werden. Um jedoch der Nachfrage in vollem Umfang gerecht zu werden, müssen ein Prägedruck sowie ein Magnetstreifen in Betracht gezogen werden. Bei Ausführungsformen, die die Einbeziehung eines Prägedrucks oder eines Magnetstreifens nicht ermöglichen, ist der Anwendungsbereich ziemlich eingeschränkt.
Eine z.B. aus der japanischen Patentoffenlegungsschrift 8-227 447 bekannte kontaktlose IC-Karte ermöglicht bereits die Einbeziehung eines Prägedrucks sowie eines Magnetstreifens, wobei diese kontaktlose IC-Karte der ISO-Norm 7811 entsprechende Außenabmessungen aufweist. Zur Ausbildung eines Magnetstreifens und eines Prägedrucks auf der Karte ist ein IC-Kommunikationsmodul derart ausgestaltet, dass ein IC-Anbringungsbereich, eine Energieaufnahmespule sowie eine Datenübertragungs/Empfangsspule in Längsrichtung in einem Bereich angeordnet sind, in dem sich der Magnetstreifenbereich und der Prägedruckbereich nicht befinden.
Die Energieaufnahmespule und die Nachrichtenübertragungsspule des IC-Kommunikationsmoduls bestehen aus durch Schmelzformung erhaltenen Einlagenwicklungsspulen, die beide in ein einziges streifenartiges Substrat eingebettet sind. Hierbei sind an jeder Spule Leiterbahnabschnitte für eine Verbindung mit Kontaktelementen des IC-Chips ausgebildet.
Der IC-Chip ist auf dem streifenartigen Substrat derart angeordnet, dass eine Schaltungsfläche des IC-Chips dem streifenartigen Substrat gegenüberliegt. Die Leiterbahnabschnitte sind durch Bonden von Kontakthöckern mit den IC-Kontaktelementen verbunden, wobei ein Spalt zwischen dem streifenartigen Substrat und dem IC-Chip zu deren Fixierung mit einer Kunstharz-Vergussmasse gefüllt wird. Ein innerer Endabschnitt der Spule und ein Endabschnitt einer internen Endleiterbahn sind durch Überbrückungsbonden eines Kupferlackdrahts miteinander verbunden. Dieses Bonden erfolgt durch kurzzeitige Thermokompression, woraufhin die Anschlussabschnitte mit Hilfe einer Kunstharz-Vergussmasse geschützt werden.
Ferner wird ein Verfahren zur integrierten Anordnung dieses IC-Kommunikationsmoduls und der Karte beschrieben. Bei diesen Verfahren werden ein erstes Blatt zur Abdeckung der oberen Oberfläche, ein zweites Blatt mit der gleichen Dicke wie das streifenartige Substrat und einem Fenster mit einer streifenartigen Außenform, ein drittes Blatt mit einem Fenster zur Hindurchführung des IC-Chips und einem Fenster zur Hindurchführung eines ersten Überbrückungsverbindungsteils, ein viertes Blatt mit lediglich einem Fenster zur Hindurchführung des IC-Chips sowie ein fünftes Blatt zur Abdeckung der unteren Oberfläche (sämtlich aus Vinylchlorid) hergestellt. Der Kommunikationsmodul wird von den jeweiligen Blättern eingeschlossen, einer Thermokompressionsbehandlung unterzogen und auf diese Weise in die Karte integriert.
Obwohl das vorstehend beschriebene Verfahren bei einer kontaktlosen IC-Karte anwendbar ist, ist dies bei einer Smartkarte mit externen Anschlüssen nicht der Fall.
Die Lage der Anschlüsse einer Karte mit externen Anschlüssen ist durch die ISO-Norm 7816 vorgeschrieben. 1 zeigt einen Magnetstreifenbereich, einen Prägungs- bzw. Prägedruckbereich sowie einen externen Anschlussbereich, wie sie durch die ISO-Norm 7816 vorgeschrieben sind. Bei einer Smartkarte wird ein IC-Modul in dem externen Anschlussbereich angebracht. In den in 1 gestrichelt dargestellten Bereichen ist die Anordnung einer Antenne zur kontaktlosen Kopplung nicht erlaubt.
Die ISO-Norm 7816 legt fest, dass die Außenabmessungen in Längsrichtung 85,47 bis 85,72 mm und die Außenabmessungen in Querrichtung 53,29 bis 54,03 mm betragen. Der Magnetstreifenbereich ist auf einen Bereich festgelegt, der 15,82 mm von der Oberseite beabstandet ist. Der Prägedruckbereich ist auf einen Bereich festgelegt, der 24 mm von der Unterseite, 6,0 mm von der linken Seite und 8,00 mm von der rechten Seite beabstandet ist. Die externen Anschlüsse sind in einem Bereich ausgebildet, der 28,55 mm von der Oberseite und 19,87 mm von der linken Seite beabstandet ist.
Aus der japanischen Patentoffenlegungsschrift 7-239 922 ist z.B. ein weiterer Stand der Technik bekannt, der sich auf eine Chipkarte in Form einer Smartkarte bezieht, bei der ein Magnetstreifen und eine Prägung bzw. ein Prägedruck realisiert sind.
Gemäß diesem Stand der Technik umfasst der IC-Modul für die IC-Karte einen IC-Chip, eine mit dem IC-Chip verbundene Übertragungseinrichtung zur Übertragung von Informationen und/oder Energie in Wirkverbindung mit einem externen Gerät, sowie ein Halterungselement zur Halterung des IC-Chips und der Übertragungseinrichtung. Die Übertragungseinrichtung umfasst eine kontaktlose Übertragungseinrichtung mit einer Spule oder Antenne sowie eine kontaktabhängige Übertragungseinrichtung mit einer Anzahl von Anschlusselektroden von Leiterbahnmustern, die auf einer Oberfläche des Halterungselements vorgesehen sind. Diese Druckschrift lehrt, dass der Magnetstreifen und eine Prägung ohne Schwierigkeiten vorgesehen werden können, da sowohl mit dem kontaktabhängigen als auch dem kontaktlosen Kartentyp kompatible Funktionen in einen Modul eingebracht und dieser IC-Modul in einen Kunststoffkartenkörper eingepasst und fixiert sind.
Aus dieser Druckschrift ist in Bezug auf die Anordnung weiterhin bekannt, dass die Antenne oder Spule für die kontaktlose Übertragung derart angeordnet ist, dass sie die Anschlusselektroden umgibt, und dass die Antenne alternativ in der Mitte und die Anschlusselektroden um die Antenne herum angeordnet werden können.
Hierbei ist die Antenne für die kontaktlose Übertragung in dem IC-Modul enthalten, sodass die Verbindung der Antennenspule mit dem IC-Modul in dem abschließenden Schritt entfällt.
Unter Berücksichtigung der in 1 dargestellten Norm wird jedoch deutlich, dass ein Aufbau mit einer um die Anschlusselektroden herum angeordneten Antennenspule wenig sinnvoll ist. Wenn nämlich gemäß dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik die Antenne für die kontaktlose Übertragung in dem IC-Modul angeordnet ist, wird keine ausreichende Antennenfläche erhalten, sodass nur ein sogenannter Nahkontaktbetrieb möglich ist, bei dem die Kommunikationsentfernung einige mm oder weniger beträgt.
Der Abstand zwischen den Anschlusselektroden und dem Prägedruckbereich beträgt nämlich maximal 1,45 mm, sodass es in der Praxis nicht möglich ist, die Antenne oder Spule derart anzuordnen, dass sie Anschlusselektroden ohne Überdeckung der Anschlusselektroden umgibt, worauf nachstehend näher eingegangen wird. Wenn die Antennenspule um die Außenanschlüsse herum angeordnet wird, beträgt der maximale Außendurchmesser der Spule ϕ 12 mm, während der minimale Innendurchmesser ϕ 9,3 mm beträgt. Wenn die Antennenspule in diesem Bereich von einem gedruckten Muster gebildet wird, bei dem die Musterbreite 0,15 mm und Musterintervalle 0,1 mm betragen, nimmt die Induktivität bei einer Anzahl von vier Windungen einen Wert von 0,4 μH und bei einer Anzahl von sechs Windungen einen Wert von 1,0 μH an (wobei mit μH Mikrohenry bezeichnet sind). Wird hierbei die Spule um die äußere Peripherie der Anschlusselektroden herum unter Beibehaltung des Prägedruckbereiches angeordnet, so werden auch bei Ausgestaltung der Spule in Form einer gedruckten Spule nur einige Windungen erhalten. Auch auf Grund der geringen Spulenfläche kann keine angemessene Leistung erhalten werden, sodass nur eine Nahkopplung in einem Kommunikationsbereich von einigen mm oder weniger möglich ist.
In diesem Fall ergibt sich nur ein geringer Vorteil durch die Hinzufügung der kontaktlosen Übertragungsfunktion, da der eigentliche Vorteil einer Hinzufügung der kontaktlosen Übertragungseinrichtung zu der kontaktgebundenen Übertragungseinrichtung erst bei einer Kommunikationsentfernung erhalten wird, die einige 10 mm bis 100 mm überschreitet und eine Kommunikation erfolgt, wenn die Karte innerhalb eines solchen Bereichs in die Nähe der Antenneneinheit des externen Lese-/Schreibgeräts verbracht wird. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Spulenfläche bzw. den Spulenbereich oder aber die Anzahl der Windungen zu vergrößern.
Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass bei Anordnung der Spule innerhalb des IC-Moduls im äußeren peripheren Bereich der Anschlusselektroden auch bei Verwendung einer gedruckten Spule nur einige Windungen erhalten werden, sodass auch unter Berücksichtigung der geringen Fläche der Spule keine adäquate Leistung erhalten werden kann. Wenn jedoch versucht wird, eine praxisnahe Anzahl von Windungen mit Hilfe eines Leiterbahnmusters zu erhalten, findet eine Überdeckung mit dem Prägedruckbereich statt.
Darüber hinaus steht im Falle der letzteren Anordnung, bei der die Anschlusselektroden um die Antenne herum angeordnet sind, offensichtlich der Prägungsbereich nicht mehr zur Verfügung, sodass die ISO-Norm 7816 für eine IC-Karte mit externen Anschlüssen in keiner Weise mehr erfüllt und damit nur eine geringe Marktakzeptanz zu erwarten ist.
Da eine solche Chipkarte in Form einer Smartkarte mit schwachen Funkwellen betrieben wird, wird ferner eine Steigerung des Wirkungsgrads der Energieübertragung angestrebt. Aus den japanischen Patentoffenlegungsschriften 2-7 838 und 63-224 635 ist z.B. ein entsprechender Stand der Technik bekannt. Bei diesem Stand der Technik wird jedoch zur Verstärkung des Wirkungsgrades der Energieübertragung lediglich die Sendeenergie in Betracht gezogen, sodass derartige Verfahren nur in Fällen effektiv sind, in denen der sendeseitige Energieabgabe-Wirkungsgrad verbessert und mehr Sendeenergie abgegeben werden kann. Wenn somit die Feldstärke eines abgestrahlten elektromagnetischen Feldes begrenzt ist, tragen diese Verfahren nicht zu einer Verbesserung des empfangsseitigen Energieaufnahme-Wirkungsgrades bei. Zur Verbesserung der Energieaufnahmeleistung einer in einem schwachen elektromagnetischen Feld befindlichen Chipkarte in Form einer Smartkarte durch die eigene kontaktlose Funktion der IC-Karte ist es daher erforderlich, die Karte mit einer Einrichtung zur Aufnahme einer höheren Strahlungsenergie auszustatten.
Da die Chipkarte einen integrierten Halbleiterschaltkreis aufweist, ist es ferner zur Entlastung der Stromversorgungsschaltung erwünscht, dass mehr Strom bei geringerer Leistung zur Verfügung steht, was beinhaltet, dass eine Verringerung der energieaufnahmeseitigen Impedanz anzustreben ist. Beim Stand der Technik wird jedoch lediglich die Sendespannung und nicht die Energieaufnahmeseite betrachtet.
Aus der FR-A-2 743 649 ist ein sowohl kontaktabhängig als auch kontaktlos arbeitendes elektronisches Hybridmodul bekannt, das insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von Hybridkarten entwickelt worden ist. Dieses Modul umfasst eine Mikroschaltung und eine Antenne, die auf einer ersten Seite eines Trägersubstrats des Moduls angeordnet sind, sowie den Kontakten von Kontaktkarten entsprechende Kontakte, die mit entsprechenden Kontaktelementen der Mikroschaltung über Leiterbahnen verbunden sind. Die Mikroschaltung kann mit dem Außenbereich unter Verwendung der Kontakte oder der Antenne kommunizieren.
Aus der DE-A-43 11 493 sind eine Fertigungseinheit und eine unter Verwendung dieser Fertigungseinheit hergestellte Identifizierungseinheit in Kartenformat z.B. in Form einer Schlüssel- bzw. Zugangskontrollkarte oder Kreditkarte bekannt. Die Fertigungseinheit umfasst ein Modulsubstrat, einen Chip und eine Spule, die eine Transpondereinheit bilden, sowie eine Kontaktfläche, die verschiedene Kontaktbereiche umfasst. Die Transpondereinheit kann zur kontaktlosen Identifizierung, d.h., für einen kontaktlosen Zugriff auf in dem Chip gespeicherte Daten verwendet werden. Die Kontaktfläche ermöglicht hierbei einen kontaktabhängigen Zugriff von außen auf die Transpondereinheit.
Aus der DE-A-195 16 227 ist weiterhin eine kontaktlose Chipkarte bekannt, bei der die Verbindung mit einem Anschluss durch induktive Kopplung erfolgt, wobei auf die Probleme eingegangen wird, die sich bei der Integration einer Antenne in die Chipkarte zur Erzielung einer kontaktlosen Verbindung mit einem Anschluss ergeben. Hierbei wird vorgeschlagen, um einen Halbleiterchip herum eine erste Spule anzuordnen, die zusammen mit dem Halbleiterchip auf einem Trägerelement angebracht sein kann. Die Chipkarte umfasst weiterhin eine zweite Spule, die von einer kleinen Leiterschleife gebildet wird. Diese kleine Leiterschleife verläuft in einem geringen Abstand zu der ersten Spule und ist mit dieser induktiv gekoppelt.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu Grunde, die vorstehend beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu überwinden und eine Chipkarte in Form einer sogenannten Smartkarte anzugeben, die ohne eine Leitungsverbindung zwischen einem IC-Modul und einer Antenne eine ausreichende Empfangsempfindlichkeit für eine adäquate Kommunikationsentfernung aufweist und in der Praxis sowohl unter Verwendung einer kontaktabhängigen als auch einer kontaktlosen Übertragungseinrichtung eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Chipkarte gemäß den Patentansprüchen gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 Dimensionen einer Chipkarte mit externen Anschlüssen, die durch die ISO-Norm 7816 vorgeschrieben sind,
2 eine Ersatzschaltung einer kontaktlosen Koppelschaltung zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips einer kontaktlosen Übertragungseinrichtung gemäß der Erfindung,
3A und 3B eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht sowie eine Querschnittsansicht eines ersten Rufbaus einer Chipkarte, der sich nicht auf die Erfindung bezieht,
4 ein erstes Beispiel für die Anordnung einer Antennenspule gemäß diesem ersten Aufbau,
5 ein zweites Beispiel für die Anordnung der Antennenspule gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 ein nicht beanspruchtes drittes Beispiel für die Anordnung der Antennenspule,
7 ein viertes Beispiel für die Anordnung der Antennenspule gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
8A und 8B eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht sowie eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer Chipkarte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 ein erstes Beispiel für die Anordnung einer Antennenspule gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
10 ein zweites Beispiel für die Anordnung der Antennenspule gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
11 ein drittes Beispiel für die Anordnung der Antennenspule gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
12A und 12B eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht sowie eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines nicht beanspruchten Ausführungsbeispiels einer Chipkarte,
13 ein erstes Beispiel für die Anordnung einer Antennenspule gemäß diesem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel,
14 ein zweites Beispiel für die Anordnung der Antennenspule gemäß dem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel,
15A und 15B ein drittes Beispiel für die Anordnung der Antennenspule gemäß dem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel,
16A und 16B ein erstes Beispiel für den Aufbau eines kapazitiven Elements,
17A und 17B ein zweites Beispiel für den Aufbau des kapazitiven Elements, und
18A und 18B ein drittes Beispiel für den Aufbau des kapazitiven Elements.
Im Rahmen der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen einer Chipkarte wird zunächst auf den grundsätzlichen Aufbau und das grundsätzliche Funktionsprinzip einer kontaktlosen Übertragungseinrichtung näher eingegangen.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer kontaktlosen Koppelschaltung, durch das sich das Funktionsprinzip der kontaktlosen Übertragungseinrichtung veranschaulichen lässt. Eine Sende-/Empfangsschaltung 101 eines externen kontaktlosen Lese-/Schreibgeräts 100 ist mit einer Sende-/Empfangsspule 102 verbunden, die ein elektromagnetisches Koppelelement zur Zuführung von Energie zu der in der Chipkarte angeordneten kontaktlosen Übertragungseinrichtung sowie zum Austauschen von Informationen mit der kontaktlosen Übertragungseinrichtung darstellt.
Die kontaktlose Übertragungseinrichtung der Chipkarte 1 umfasst eine Antennenspule 4, die zur Aufnahme von Energie und zum Informationsaustausch elektromagnetisch direkt mit der Sende-/Empfangsantenne 102 des externen Lese- /Schreibgeräts 100 gekoppelt ist, ein zur Bildung eines Parallelschwingkreises zwischen die beiden Endanschlüsse der Antennenspule 4 geschaltetes kapazitives Element 15, einen auf einem IC-Modul 2 angeordneten IC-Chip 6, eine mit dem IC-Chip 6 verbundene erste Koppelspule 8, sowie eine mit den beiden Endanschlüssen des kapazitiven Elements 15 des Parallelschwingkreises verbundene zweite Koppelspule 3, die in enger Kopplung zu der ersten Koppelspule 8 angeordnet ist, um ein von der Antennenspule 4 empfangenes Signal mit maximalem Wirkungsgrad zu der ersten Koppelspule 8 zu übertragen.
Obwohl das kapazitive Element 15 in diesem Fall der Antennenspule 4 parallel geschaltet ist, kann es auch in Reihe zwischen die Antennenspule 4 und die zweite Koppelspule 3 geschaltet werden. Wenn die parasitäre Kapazität vergrößert wird, kann das kapazitive Element 15 auch entfallen.
Nachstehend wird nun die Kopplung zwischen den jeweiligen Spulen näher beschrieben, wobei ein Fall betrachtet wird, bei dem sowohl Energie als auch Informationen von dem externen Lese-/Schreibgerät 100 zu der Chipkarte 1 übertragen werden.
Durch ein von der Sende-/Empfangsschaltung 101 des externen Lese-/Schreibgeräts 100 erzeugtes (nicht dargestelltes) Hochfrequenzsignal, das in den Raum als magnetische Energie abgestrahlt wird, wird in der Sende-/Empfangsspule 102 ein hochfrequentes Magnetfeld induziert.
Wenn die Chipkarte (Smartkarte) 1 zu diesem Zeitpunkt in dem hochfrequenten Magnetfeld angeordnet ist, wird in dem die Antennenspule 4 und das kapazitive Element 15 der Chipkarte 1 umfassenden Parallelschwingkreis auf Grund des von der Sende-/Empfangsspule 102 des externen Lese- /Schreibgeräts 100 erzeugten hochfrequenten Magnetfelds ein Strom erzeugt. Auf Grund dieses hochfrequenten Magnetfelds werden auch Ströme in der direkt mit dem IC-Chip 6 verbundenen ersten Koppelspule 8 und der mit dem die Antennenspule 4 und das kapazitive Element 15 enthaltenden Schwingkreis verbundenen zweiten Koppelspule 3 induziert, wodurch Energie zu der ersten Koppelspule 8 übertragen wird. Der Betrag der hierbei induzierten Ströme ist jedoch um eine Größenordnung kleiner als der in der Antennenspule 4 induzierte Strom, sodass die Empfangs- bzw. Aufnahmeempfindlichkeit in hohem Maße von den Kennwerten der Antennenspule 4 abhängt.
Ein von dem aus der Antennenspule 4 und dem kapazitiven Element 15 bestehenden Schwingkreis empfangenes Signal wird auf die zweite Koppelspule 3 übertragen. Da die zweite Koppelspule 3 und die erste Koppelspule 8 in enger Kopplung mit maximalem Übertragungswirkungsgrad angeordnet sind, wird das Signal durch die Transformatorkopplung der zweiten Koppelspule 3 mit der ersten Koppelspule 8 sodann zu dem IC-Chip 6 übertragen. Der maximale Übertragungswirkungsgrad der Transformatorkopplung zwischen der zweiten Koppelspule 3 und der ersten Koppelspule 8 wird hierbei durch entsprechende Auswahl der Schaltungskonstanten bestimmt.
Durch diesen Aufbau lässt sich eine gute Empfangscharakteristik erhalten, d.h., die Kennwerte bzw. Charakteristik der Antennenspule 4 bestimmen die Empfangsempfindlichkeit. Je größer somit die Fläche bzw. der Bereich der Antennenspule 4 ist, umso besser fällt das erhaltene Ergebnis aus.
Die Antennenkennwerte hängen natürlich von der Art der verwendeten kontaktlosen Übertragung wie z.B. elektromagnetischer Kopplung, elektromagnetischer Induktion usw. ab. So werden z.B. bei Anwendung eines elektromagnetischen Induktionsverfahrens im Kurzwellenbereich Antennenkennwerte in der in der nachstehenden Tabelle 1 angegebenen Weise berechnet.
Tabelle 1
In Tabelle 1 betragen allein im Falle von *1 Dicke und Windungsschritt der Spule 0,05 mm, während in den anderen Fällen die Dicke und der Windungsschritt der Spule 0,15 mm betragen.
Die Induktivität der Antennenspule einer derzeit verwendeten RF-ID-Karte für den Kurzwellenbereich beträgt z.B. ungefähr 5 μH. Diese Art von Antennenspule kann auf einen peripheren Außenbereich der Karte in Form eines Druckmusters (einer gedruckten Spule) aufgebracht werden.
Gemäß 1 nimmt im unteren Abschnitt der Karte der Abstand zwischen dem Prägungs- bzw. Prägedruckbereich und dem Kartenrand einen Minimalwert von 2,41 mm an. Wenn nun eine von einem 1 mm innerhalb des Kartenrandes gelegenen Punkt in Richtung der Kartenmitte verlaufende Spiralspule mit einer Musterbreite und Musterintervallen von 0,15 mm ausgebildet werden soll, kann eine solche Spiralspule maximal 5 Windungen umfassen. Werden die Musterbreite und die Musterintervalle auf 0,1 mm eingestellt, kann eine solche Spule maximal 7 Windungen umfassen.
Wenn dagegen – wie im Falle des Standes der Technik gemäß der japanischen Patentoffenlegungsschrift 7-239 922 – eine Antennenspule um die Außenanschlüsse des IC-Moduls herum angeordnet wird, sind 15 Windungen erforderlich, um eine Induktivität von 5 μH zu erhalten, wobei die Spule entsprechend der Norm mit einer Breite von 1,45 mm angeordnet wird. In diesem Fall müssen jedoch sowohl die Musterbreite als auch die Musterintervalle auf 0,05 mm oder weniger eingestellt werden, was unrealistisch ist.
Im Fall einer Antennenspule für ein niederfrequentes elektromagnetisches Koppelsystem können dagegen mehr als 7 Windungen erforderlich sein.
Wenn ein Aufbau in Betracht gezogen wird, der eine Antennenspule mit einer Induktivität von z.B. 20 μH erfordert, so ist Tabelle 1 zu entnehmen, dass in Abhängigkeit von dem Spulenbereich in diesem Fall Spulen mit 10 bis 30 Windungen erforderlich sein können.
Spulen mit mehr als 8 Windungen lassen sich durch eine Spiralspule in dreidimensionaler Form sowie durch eine flachere gedruckte Spule realisieren. Bei einer Spiralspule überdecken sich die Windungen, sodass die Spule in einem peripheren Außenbereich der Karte angeordnet werden kann. Eine gedruckte Spule weist dagegen im allgemeinen Windungen auf, die sich nicht überdecken. Zur Vermeidung einer Überdeckung mit dem Prägungs- bzw. Prägedruckbereich ist es daher bei einer hohen Anzahl von Windungen unzweckmäßig, die Spule im peripheren Außenbereich der Karte anzuordnen.
Wenn in einem solchen Fall die Antennenspule derart angeordnet wird, dass die von der Anbringung ausgeschlossenen Bereiche des Magnetstreifens, des Prägedruckbereichs und der externen Anschlüsse nicht innerhalb der Antennenspule liegen, lässt sich die Karte unter geringen Kosten im Rahmen eines einfachen Herstellungsverfahrens mit hoher Zuverlässigkeit fertigen.
Die 3A und 3B zeigen in schematischer Darstellung eine erste Anordnung einer Chipkarte, wobei 3A den gesamten Aufbau und 3B eine Querschnittsansicht des Anbringungsbereiches eines IC-Moduls veranschaulichen.
Bei dieser Anordnung umfasst eine Chipkarte 1 ein Kartensubstrat 10, das eine Kunststoffversiegelung für ein Antennensubstrat 5 bildet, das ein IC-Modul 2 sowie eine zweite Koppelspule 3 und eine Antennenspule 4 aufweist, die als gedruckte Spulen auf der Oberfläche eines Kunststoffblattes des Antennensubstrats 5 ausgebildet sind. Der IC-Modul 2 umfasst einen IC-Chip 6 mit einer kontaktabhängigen Schnittstelle und einer kontaktlosen Schnittstelle (die nicht dargestellt sind), ein Modulsubstrat 9 mit einen kontaktabhängigen Übertragungsabschnitt bildenden Anschlusselektroden 7 sowie eine erste Koppelspule 8 eines kontaktlosen Übertragungsabschnitts, die in Form eines Musters auf verschiedenen Oberflächen ausgebildet sind.
Anstelle einer Ausbildung der ersten Koppelspule 8 und der Antennenspule 4 als gedruckte Spulen können sie auch in Form von gewickelten und isolationsbeschichteten Leiterbahnen ausgebildet sein. Der IC-Chip 6 ist auf der Oberfläche des Modulsubstrats 9 angeordnet, auf der die erste Koppelspule 8 ausgebildet ist. Hierbei ist der IC- Chip 6 mit den Anschlusselektroden 7 des Modulsubstrats 9 über Durchgangslöcher verbunden.
Der IC-Chip 6 und das Schaltungsmuster der ersten Koppelspule 8 werden durch Drahtkontaktierung bzw. Bonden zur Bildung einer Schaltung miteinander verbunden. Dieses Bonden kann auch durch einen thermischen Schmelzvorgang unter Verwendung eines auf die Schaltungsausbildungsfläche des IC-Chips und des Substrats aufgebrachten Lötmaterials oder leitenden Klebstoffs realisiert werden.
Der IC-Chip 6 wird auf dem Modulsubstrat angebracht, woraufhin die Schaltungsverbindung erfolgt. Sodann erfolgt eine Kunststoffversiegelung des IC-Chips 6, womit die Herstellung des IC-Moduls 2 abgeschlossen ist.
Die diesen Rufbau aufweisende Chipkarte 1 wird im wesentlichen in der nachstehend näher beschriebenen Weise hergestellt.
Zunächst wird das flexible Antennensubstrat 5 mit der zweiten Koppelspule 3 und der Antennenspule 4 in Form von gedruckten Spulen sowie dem kapazitiven Element 15 auf einem Kunststoffsubstrat hergestellt. Die zweite Koppelspule 3 und die Antennenspule 4 können auch in Form von gewickelten isolationsbeschichteten Leiterbahnen ausgebildet werden. Das Kunstharzmaterial des Antennensubstrats 5 kann aus Vinylchlorid, Polyimid, Polycarbonat oder PET bestehen, wobei das Material nicht auf eine Art beschränkt ist.
Das Antennensubstrat 5 wird zur Bildung des Kartensubstrats 10 durch Spritzguss versiegelt. Bei der Ausbildung wird die zweite Koppelspule 3 derart angeordnet, dass sie die Anbringungsposition des IC-Moduls 2 überdeckt. In Verbindung mit der Herstellung des Kartensubstrats 10 durch Spritzguss wird eine Einsetzausnehmung 11 für den IC-Modul 2 ausgebildet.
Sodann wird der IC-Modul 2 in der für ihn vorgesehenen Einsetzausnehmung 11 des Kartensubstrats 10 angebracht, womit die Herstellung der Chipkarte 1 abgeschlossen ist. Das Kartensubstrat besteht zwar aus Vinylchlorid, jedoch ist auch ein anderes Material wie Polycarbonat im Rahmen der Erfindung verwendbar, wenn bestimmte Eigenschaften der Karte wie eine angemessene Stärke und Prägefähigkeit erhalten werden sollen.
In 3A ist das Kartensubstrat 10 in Form einer Aufteilung in einen oberseitigen Abschnitt und einen unterseitigen Abschnitt dargestellt. Tatsächlich ist das Kartensubstrat 10 jedoch einstückig. In der Figur ist das Kartensubstrat lediglich in modifizierter Form dargestellt, um die Relation zwischen der Koppelspule und der Einsetzausnehmung 11 des Antennensubstrats 5 hervorzuheben, das in das Kartensubstrat eingebettet ist.
Bei dieser Anordnung wird die Karte zwar durch Spritzgießen hergestellt, jedoch ist auch ein beliebiges anderes Verfahren anwendbar, wenn die Prägefähigkeit gewährleistet ist. So kann z.B. auch ein Laminierverfahren oder ein Klebstoff-Füllverfahren Anwendung finden. Bei dieser Anordnung wird die Einsetzausnehmung 11 für den IC-Modul nach der Herstellung der Karte durch Ausschneiden erhalten.
Erstes Anordnungsbeispiel
4 zeigt eine Draufsicht einer ersten Anordnung der Chipkarte mit einem Prägungs- bzw. Prägedruckbereich, durch die die Anordnungsposition der Antennenspule 4 innerhalb der Chipkarte 1 veranschaulicht wird. Die Antennenspule 4 verläuft hierbei über den gesamten Randbereich der Karte, wobei ein Prägedruckbereich 20 und ein externer Anschlussbereich 21 innerhalb der Schleife der Antennenspule 4 angeordnet sind. Die Kennwerte dieser Spule entsprechen dem Beispiel gemäß Tabelle 1.
Das Beispiel gemäß 4 erweist sich als effektiv, wenn die Antennenspule 4 eine relativ kleine Anzahl von Windungen, nämlich 3 bis 7 und vorzugsweise 4 oder 5 aufweist. In Bezug auf das Antennensubstrat 5 ist bei diesem Anordnungsbeispiel derjenige Bereich des Kunstharzblattes ausgeschnitten, der dem Prägedruckbereich 20 entspricht, womit Beeinträchtigungen der Prägungseigenschaften verhindert werden sollen.
In den 4 bis 7 sind die Außenkonturen des Antennensubstrats 5 gestrichelt dargestellt.
Zweites Anordnungsbeispiel
5 zeigt eine Draufsicht einer weiteren Chipkarte 1 mit einem Prägungs- bzw. Prägedruckbereich gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Figur zeigt die allgemeine Form der Antennenspule, in deren Außenbereich der Prägedruckbereich 20 und der externe Anschlussbereich 21 angeordnet sind (die somit nicht innerhalb der Antennenspule liegen). Die Kennwerte dieser Spule entsprechen Beispiel 3 gemäß Tabelle 1. Das Beispiel gemäß 5 erweist sich als effektiv, wenn die Antennenspule 4 zehn oder mehr Windungen aufweist.
Drittes Anordnungsbeispiel
6 zeigt eine Draufsicht eines dritten Beispiels für den Aufbau der Chipkarte 1 gemäß der ersten Anordnung, die in diesem Fall sowohl einen Magnetstreifen als auch einen Prägungs- bzw. Prägedruckbereich aufweist. Die Figur veranschaulicht die Anordnungsposition der Antennenspule 4 in der Chipkarte 1. Die Antennenspule 4 ist hierbei derart angeordnet, dass der Magnetstreifenbereich 22 nicht überdeckt wird. Mit Ausnahme des dem Magnetstreifenbereich gegenüber liegenden Abschnitts der Antennenspule verläuft die Antennenspule entlang des Außenrandes der Chipkarte 1. Die Kennwerte der Spule entsprechen hierbei Beispiel 2 gemäß Tabelle 1. In Bezug auf das Antennensubstrat 5 ist auch bei diesem Anordnungsbeispiel derjenige Bereich des Kunstharzblattes ausgeschnitten, der dem Prägedruckbereich 20 entspricht, womit Beeinträchtigungen der Prägungseigenschaften vermieden werden sollen.
Viertes Anordnungsbeispiel
7 zeigt eine Draufsicht eines vierten Anordnungsbeispiels der Chipkarte 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der sowohl ein Magnetstreifen als auch ein Prägedruckbereich vorgesehen sind. Die Figur veranschaulicht die allgemeine Form der Antennenspule 4, die derart angeordnet ist, dass sie den Prägedruckbereich 20 und den Magnetstreifenbereich 22 nicht einschließt. Die Kennwerte dieser Spule entsprechen Beispiel 4 gemäß Tabelle 1.
Die Chipkarte gemäß der ersten Anordnung besitzt Funktionen, die sowohl mit einem kontaktabhängigen System mit externen Anschlüssen als auch mit einem kontaktlosen System mit kontaktlosen Koppelelementen wie einer Antennenspule kompatibel sind. Durch Ausstattung des IC-Moduls und der Antennenspule mit Transformatorkopplungs-Bauelementen können eine Energieaufnahme sowie ein Signalsende-/Empfangsbetrieb zwischen dem IC-Modul und der Antennenspule ohne elektrische Leitungsverbindungen erfolgen.
Durch diese Anordnung wird die Fläche bzw. der Bereich der Antennenspule auf den maximal möglichen Wert vergrößert. Wenn sich die Karte in der Nähe der Antenne des externen Lese-/Schreibgeräts befindet, kann die Kommunikation mit gleichbleibenden Empfindlichkeitskennwerten erfolgen, was einen wesentlichen Vorteil der kontaktlosen Kommunikationsfunktion darstellt.
Da die Karte jedoch eine höhere Empfangsempfindlichkeit aufweist, kann die Kommunikationsentfernung vergrößert und/oder die Sendeleistung des externen Lese-/Schreibgeräts verringert werden. Dies ist für Karten sehr vorteilhaft, da die Sendeleistung durch Funkvorschriften begrenzt ist.
Darüber hinaus ist keine Verbindung zwischen dem IC-Modul und der in das Kartensubstrat eingebauten Antennenschaltung erforderlich, sodass der übliche IC-Kartenherstellungsschritt der Befestigung und Anbringung des IC-Moduls in der in dem Kartensubstrat ausgebildeten Einsetzausnehmung ohne Modifikation eingesetzt werden kann. Auch bei Einwirkung von mechanischen Spannungen wie eines Biegemoments auf die Karte besteht nur in geringem Ausmaß die Gefahr von Fehlfunktionen, da zwischen dem IC-Modul und der Antennenschaltung keine Kontaktpunkte vorhanden sind.
Da die in eine direkte kontaktlose Kopplung mit dem externen Lese-/Schreibgerät gebrachte Antennenspule derart angeordnet ist, dass sie den externen Anschlussbereich der kontaktlosen Elektroden, der auch den IC-Modul-Einsetzbereich darstellt, den Druckprägebereich und/oder den Magnetstreifenbereich nicht überdeckt, ermöglicht die Erfindung vielseitige Anwendungen und kann in vollem Umfang bei üblichen Karten eingesetzt werden.
Da ferner ein Spritzgussverfahren Anwendung findet und das Basismaterial des flexiblen Antennensubstrats nicht in dem dem Druckprägebereich zugeordneten Bereich vorhanden ist, werden die Prägungseigenschaften durch die Aufbringung von mehreren Blättern nicht beeinträchtigt.
Da weiterhin das Antennensubstrat mit der Antennenspule unter Verwendung einer flexiblen gedruckten Leiterplatte und die Spule in einer planaren Form ausgebildet werden, kann die Kartendicke der ISO-Norm 7816 in vollem Umfang entsprechen, d.h., 0,76 mm betragen.
Wie aus 2 ersichtlich ist, wird durch eine Vergrößerung der Anzahl von Windungen der ersten Koppelspule 8 der Koppelkoeffizient mit der zweiten Koppelspule 3 vergrößert, sodass eine höhere Energiemenge zu dem IC-Chip 6 übertragen werden kann. Bei der derzeitigen Herstellungstechnik zur Fertigung von gedruckten Leiterplatten beträgt der Grenzwert der Musterbreite 0,1 mm, sodass die Ausbildung von einigen 10 Windungen einer gedruckten Spule in dem Modulsubstrat der IC-Karte mit Schwierigkeiten verbunden ist. Wenn dagegen eine Spule aus einem isolationsbeschichteten Leitungsdraht gebildet wird, lässt sich ein Durchmesser von einigen 10 μm auf Grund der jüngeren Entwicklung der Magnetkopftechnologie erzielen. Bei der vorliegenden Anordnung können die Koppelspulen für den IC-Modul und die Antenne unter Einbeziehung dieser Technologie von einem isolationsbeschichteten Leitungsdraht gebildet werden.
Bei diesem Aufbau wird somit in der vorstehend beschriebenen Weise eine Chipkarte erhalten, bei der keine Verbindung bzw. Leitungsverbindung zwischen dem IC-Modul und einer eine kontaktlose Übertragung ermöglichenden Antennenspule erforderlich ist, eine Empfangsempfindlichkeit erzielt wird, die eine adäquate Kommunikationsentfernung ermöglicht, Kompatibilität mit sowohl der Prägedruckverarbeitung als auch der Magnetstreifenausbildung vorliegt und im praktischen Betrieb sowohl eine kontaktabhängige als auch eine kontaktlose Übertragungseinrichtung einsetzbar sind.
Nachstehend werden weitere Ausführungsbeispiele der Chipkarte näher beschrieben, wobei der ersten Anordnung entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind, sodass sich ihre erneute Beschreibung erübrigt.
Zweites Ausführungsbeispiel
Das Ersatzschaltbild einer kontaktlosen Koppelschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht demjenigen der ersten Anordnung gemäß 2.
Im Falle einer eisenkernlosen Lufttransformatorkopplung, wie sie in 2 dargestellt ist, lässt sich durch eine Verringerung des Spalts bzw. Abstands zwischen Spulen der Übertragungswirkungsgrad vergrößern. Anders als bei der ersten Anordnung, bei der die erste und die zweite Koppelspule vertikal angeordnet sind, ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Innendurchmesser der zweiten Koppelspule größer als die Einsetzausnehmung für den IC-Modul 2 in einem (nicht dargestellten) Kartensubstrat ausgestaltet. Die erste Koppelspule 8 wird hierbei von der zweiten Koppelspule 3 umgeben, wobei beide im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet sind. Hierbei bildet der Innenraum der zweiten Koppelspule 3 gleichzeitig auch die Einsetzausnehmung.
Im Vergleich zu der Anordnung, bei der die zweite Koppelspule 3 unterhalb der Einsetzausnehmung für den IC-Modul 2 angeordnet ist, besteht somit in diesem Fall keine Notwendigkeit, genaue Tiefenabmessungen bei der Ausbildung der Einsetzausnehmung einzuhalten. Die Geräte zur Ausbildung einer Einsetzausnehmung in einer IC-Karte mit externen Anschlüssen können weiterhin in der gleichen Form verwendet werden.
Die 8A und 8B zeigen in schematischer Darstellung den Aufbau einer Chipkarte gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 8A den Gesamtaufbau und 8B eine Querschnittsansicht des Anbringungsbereichs des IC-Moduls zeigen.
Die Chipkarte 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst den erfindungsgemäßen IC-Modul 2 sowie das Kartensubstrat 10, in dem das Antennensubstrat 5 mit der zweiten Koppelspule 3 sowie die von auf die Oberfläche eines Kunstharzblattes gedruckten Spulen gebildete Antennenspule 4 in einer Kunstharzversiegelung angeordnet sind.
Der IC-Modul 2 umfasst die aus einem Muster bestehenden Anschlusselektroden 7, die einen kontaktabhängigen Übertragungsabschnitt bilden, den IC-Chip 6, der eine kontaktabhängige Schnittstelle und eine kontaktlose Schnittstelle aufweist (die nicht dargestellt sind), die erste Koppelspule 8 eines kontaktlosen Übertragungsabschnitts, die von einem um den IC-Chip 6 oder ein Modulsubstrat 9 herumgewickelten isolationsbeschichteten Leitungsdraht gebildet wird, sowie das Modulsubstrat 9.
Der IC-Chip 6 ist auf einer Oberfläche des Modulsubstrats 9 angeordnet, die dessen mit den Anschlusselektroden 7 versehenen Oberfläche gegenüberliegt, wobei der IC-Chip 6 und die Anschlusselektroden 7 an dem Modulsubstrat 9 über Durchgangslöcher miteinander verbunden sind. Der IC-Chip 6 und ein Leiterbahnmuster auf dem Modulsubstrat 9 zur Verbindung der Anschlusselektroden 7 und der ersten Koppelspule 8 werden durch Bonden mittels eines thermischen Schmelzvorgangs unter Verwendung eines Lötmaterials oder eines leitenden Klebstoffs miteinander verbunden. Dieses Bonden lässt sich auch durch Drahtkontaktierung der Schaltungsoberfläche des IC-Chips 6 und des Modulsubstrats 9 realisieren.
Der IC-Chip 6 wird auf dem Modulsubstrat 9 angeordnet, woraufhin die Schaltungsverbindung erfolgt. Sodann wird der IC-Chip 6 in der in 8A veranschaulichten Weise durch eine Kunstharzkapselung 16 versiegelt. Anschließend wird ein isolationsbeschichteter Leitungsdraht um die Peripherie des IC-Chips 6 oder die Peripherie des Modulsubstrats 9 zur Bildung der ersten Koppelspule 8 herumgewickelt. Daraufhin werden das Schaltungsmuster auf dem Modulsubstrat 9 und die Anschlüsse der ersten Koppelspule 8 miteinander verbunden, womit der IC-Modul 2 fertiggestellt ist.
8B veranschaulicht einen Fall, bei dem die erste Koppelspule 8 um die Kunststoffkapselung 16 des IC-Chips 6 herumgewickelt ist. Zur Vorbereitung der Ausbildung der ersten Koppelspule 8 wird die Außenseite der Kunstharzkapselung 16 des IC-Moduls 2, die bis zu dem Schritt der Bildung der Kunstharzkapselung 16 geformt worden ist, durch ein Schneidwerkzeug oder dergleichen zur Erleichterung des Wickelns einer Spule vorbehandelt. Sodann wird eine Spule direkt um die Kunstharzkapselung 16 des IC-Moduls unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Wickeleinrichtung herumgewickelt.
Nachdem eine vorgegebene Anzahl von Windungen gewickelt worden ist, werden die (nicht dargestellte) Isolationsbeschichtung der Verbindungsanschlüsse der ersten Koppelspule 8 entfernt und die Verbindungsanschlüsse mit einem (ebenfalls nicht gezeigten) vorgegebenen Leiterbahnmuster auf dem Modulsubstrat 9 verbunden.
Hierbei kann der Schritt des Einschneidens der Kunstharzkapselung 16 auch entfallen, indem die Kunstharzkapselung 16 unter Verwendung einer Gussform oder dergleichen ausgebildet wird, die das Wickeln der Spule erleichtert. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst auch ein Verfahren, bei dem die Spule nicht direkt um die Außenseite des IC-Chips 6 herumgewickelt wird, sondern stattdessen eine planare Spule in einem andersartigen Schritt unter Verwendung einer Spulenwickelvorrichtung ausgebildet und an dem Modulsubstrat 9 zur Bildung der ersten Koppelspule 8 angebracht wird, woraufhin die Kunstharzkapselung 16 zur Versiegelung des IC-Chips 6 und der ersten Koppelspule 8 aufgebracht wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt die ausgebildete Spule zwar einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken, jedoch kann der Querschnitt auch kreisförmig ausgebildet sein, da die Querschnittsform keinen Beschränkungen unterliegt.
Die Chipkarte 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird im wesentlichen in der nachstehend näher beschriebenen Weise hergestellt.
Wie in den 8A und 8B veranschaulicht ist, wird zunächst das Antennensubstrat 5 hergestellt, auf dem die zweite Koppelspule 3, die Antennenspule 4 und das kapazitive Element 15 in Form von gedruckten Spulen in verschiedenen Bereichen auf dem Kunstharzsubstrat ausgebildet sind.
Wie 8B zu entnehmen ist, wird hierbei die zweite Koppelspule 3 des Antennensubstrats 5 außerhalb der Einsetzausnehmung 11 für den IC-Modul 2 ausgebildet und schließlich im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die in dem IC-Modul 2 angebrachte erste Spule 8 angeordnet. Die zweite Koppelspule 3 und die Antennenspule 4 können hierbei von isolationsbeschichtetem Draht gebildet werden.
Als Kunstharzmaterial für das Antennensubstrat 5 wird Vinylchlorid verwendet, jedoch können auch Polycarbonat, PET oder Polyimid Verwendung finden, wobei das Material nicht auf eine Art beschränkt ist. Die Dicke des Antennensubstrats 5 liegt in einem Bereich von 50 μm bis 300 μm und beträgt vorzugsweise ungefähr 100 μm.
Sodann wird durch Spritzgussversiegelung des Antennensubstrats 5 das Kartensubstrat 10 ausgebildet. Bei dieser Spritzgussversiegelung wird die zweite Koppelspule 3 derart angeordnet, dass sie die Montageposition des IC-Moduls 2 überdeckt. Nach der Spritzgussformung des Kartensubstrats 10 wird dann die Einsetzausnehmung 11 für den IC-Modul 2 ausgebildet.
Zuletzt wird der IC-Modul 2 in der in dem Kartensubstrat 10 für den IC-Modul 2 vorgesehenen Einsetzausnehmung durch Bonden angebracht bzw. verbunden, womit die Herstellung der Chipkarte 1 abgeschlossen ist. Obwohl Vinylchlorid als Material für das Kartensubstrat 10 verwendet wird, kann im Rahmen der Erfindung auch ein beliebiges anderes Material wie z.B. Polycarbonat Verwendung finden, wenn angemessene Eigenschaften der Karte erhalten werden. Obwohl das Kartensubstrat 10 in 8A in Form einer Unterteilung in einen oberseitigen Bereich und einen unterseitigen Bereich dargestellt ist, ist das Kartensubstrat 10 tatsächlich einstückig. In 8A ist das Kartensubstrat lediglich in modifizierter Form dargestellt, um die Relation zwischen der Koppelspule und der Einsetzausnehmung 11 des in dem Kartensubstrat eingeschlossenen Antennensubstrats 5 deutlich hervorzuheben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Karte zwar durch einen Spritzgussvorgang hergestellt, jedoch ist im Rahmen der Erfindung auch ein beliebiges anderes Verfahren einsetzbar, wenn gleichbleibende Eigenschaften der Karte gewährleistet sind. So kann z.B. auch ein Laminierverfahren oder ein Klebstoff-Füllverfahren Anwendung finden. Ferner findet bei diesem Ausführungsbeispiel ein Herstellungsverfahren Verwendung, bei dem die Einsetzausnehmung 11 für den IC-Modul bei der Herstellung der Karte ausgebildet wird. In diesem Fall wird der Innenraum der zweiten Koppelspule 3 auf dem Antennensubstrat 5 zum Einsetzen des IC-Moduls vorher ausgeschnitten.
Erstes Anordnungsbeispiel
9 zeigt ein Anordnungs- oder Montagebeispiel, bei dem die erste Koppelspule 8 in der Nähe des IC-Chips 6 gewickelt ist. Bei diesem Beispiel ist der IC-Chip 6 exzentrisch auf dem Modulsubstrat 9 angeordnet. Die unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Wickelvorrichtung separat ausgebildete erste Koppelspule 8 wird an dem bis zu dem Schritt der Bildung der Kunstharzkapselung 16 fertig gestellten Modulsubstrat 9 des IC-Moduls 2 angebracht. Verbindungsanschlüsse (nicht dargestellt) der ersten Koppelspule 8 werden mit einem (ebenfalls nicht dargestellten) vorgegebenen Leiterbahnmuster auf dem Modulsubstrat 9 verbunden, womit der IC-Modul 2 fertig gestellt ist. Auf diese Weise ist der Schritt der Behandlung der Peripherie der Kunstharzversiegelung zur Anbringung der ersten Spule 8 nicht erforderlich. Obwohl die ausgebildete Spule einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist, kann ihr Querschnitt auch kreisförmig oder oval ausgebildet sein, da die Querschnittsform nicht beschränkt ist.
Zweites Anordnungsbeispiel
10 zeigt ein Anordnungs- bzw. Montagebeispiel, bei dem die erste Koppelspule 8 als gedrucktes Leiterbahnmuster auf derjenigen Oberfläche des Modulsubstrats 9 ausgebildet ist, auf der der IC-Chip 6 angeordnet ist, sodass die Koppelspule 8 in der Nähe des IC-Chips 6 angeordnet ist.
Da die erste Koppelspule 8 sowie die externen Anschlüsse an der Oberseite des Modulsubstrats 9 und an der Rückseite des IC-Chips 6 gleichzeitig mit Verbindungsmustern ausgebildet werden, vereinfacht sich die Verbindung zwischen dem Modulsubstrat 9 und der ersten Koppelspule B. Obwohl die erste Koppelspule 8 bei diesem Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist, kann ihr Querschnitt auch kreisförmig oder oval ausgebildet sein, da die Querschnittsform nicht beschränkt ist. Wenn die erste Koppelspule 8z.B. in der in 11 veranschaulichten Weise in Form einer Toroidspule um die Peripherie der Kunstharzkapselung 16 des IC-Chips 6 herumgewickelt wird, vergrößert sich die Richtwirkung des elektromagnetischen Induktionsfeldes in Verbindung mit einem höheren Koppelgrad.
Der IC-Modul gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel besitzt Funktionen, die sowohl mit einem kontaktabhängigen System mit externen Anschlüssen als auch einem kontaktlosen System mit kontaktlosen Koppelelementen wie einer Antennenspule kompatibel sind. Durch Ausstattung des IC-Moduls und der Antennenspule mit Transformatorkopplungs-Bauelementen kann eine Energieaufnahme sowie ein Signalsende-/Empfangsvorgang zwischen dem IC-Modul und der Antennenspule ohne eine elektrische Leitungsverbindung erfolgen.
Bei dieser Chipkarte werden der Innendurchmesser der zweiten Koppelspule des Antennenelements für die kontaktlose Übertragung größer als der Außendurchmesser der Einsetzausnehmung für den IC-Modul gehalten, die auf dem IC-Modul angeordnete erste Koppelspule auf der Rückseite des Modulsubstrats ausgebildet und die erste und die zweite Koppelspule im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet, wodurch der Spalt bzw. Zwischenraum verringert und ein höherer Koppelkoeffizient erhalten werden.
Auf diese Weise kann die von der Antennenspule aufgenommene elektromagnetische Energie zu dem IC-Chip durch Transformatorkopplung mit einem hohen Koppelkoeffizienten übertragen werden.
Beim Verbringen der Karte in die Nähe der Antenne des externen Lese-/Schreibgeräts kann somit eine höhere Kommunikationsempfindlichkeit erhalten werden, was einen Vorteil der kontaktlosen Kommunikationsfunktion darstellt.
Da die Karte eine höhere Empfangsempfindlichkeit aufweist, lässt sich die Kommunikationsentfernung vergrößern und/oder die Sendeleistung des externen Lese-/Schreibgeräts verringern, was für die kontaktlose Übertragungsfunktion von Vorteil ist, da die Sendeleistung durch Funkvorschriften eingeschränkt ist.
Weiterhin dient der Innenraum der zweiten Koppelspule des Antennenelements für die kontaktlose Übertragung als Einsetzausnehmung für den IC-Modul. Im Vergleich zu der Anordnung der zweiten Koppelspule unter der Einsetzausnehmung für den IC-Modul besteht somit in diesem Fall nicht die Notwendigkeit, bei der Ausbildung der Einsetzausnehmung deren Tiefe genau zu dimensionieren, sodass die üblichen Geräte zur Ausbildung einer Einsetzausnehmung in einer IC-Karte mit externen Anschlüssen weiterhin verwendet werden können. Darüber hinaus ist keine Leitungsverbindung zwischen dem IC-Modul und der in das Kartensubstrat eingebauten Antennenschaltung erforderlich. Auch bei Einwirkung von mechanischen Spannungen wie eines Biegemoments auf die Karte besteht nur eine geringe Gefahr für das Auftreten von Fehlfunktionen auf Grund des Bruchs von Verbindungsanschlüssen, da zwischen dem IC-Modul und der Antennenschaltung keinerlei Kontaktpunkte vorhanden sind.
Durch die Anordnung der zweiten Koppelspule des Antennenelements für die kontaktlose Übertragung außerhalb der Antennenschleife wird weiterhin verhindert, dass die Antennenspule in den Prägedruckbereich hineinragt.
Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel somit eine Chipkarte erhalten, bei der ohne das Erfordernis einer Verbindung zwischen dem IC-Modul und einer Antennenspule für eine kontaktlose Übertragung eine Empfangsempfindlichkeit zur Überbrückung einer angemessenen Kommunikationsentfernung erhalten wird und in der Praxis sowohl eine kontaktabhängige als auch eine kontaktlose Übertragungseinrichtung weiterhin einsetzbar sind. Darüber hinaus wird ein IC-Modul erhalten, der in geeigneter Weise bei dieser Chipkarte Verwendung finden kann.
Unbeanspruchtes Ausführungsbeispiel
Das Ersatzschaltbild einer kontaktlosen Koppelschaltung gemäß einem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel entspricht demjenigen der ersten Anordnung gemäß 2.
Die 12A und 12B zeigen in schematischer Darstellung den Aufbau der Chipkarte gemäß diesem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel, wobei 12A den Gesamtaufbau und 12B eine Querschnittsansicht des Anbringungsbereichs eines IC-Moduls zeigen.
Die Chipkarte 1 gemäß diesem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel umfasst den IC-Modul 2 und das Kartensubstrat 10, in dem das Antennensubstrat 5 mit der zweiten Koppelspule 3 und der Antennenspule 4, die in Form von gedruckten Spulen auf der Oberfläche eines Kunstharzblattes ausgebildet sind, in einer Kunstharzversiegelung angeordnet ist.
Der IC-Modul 2 umfasst die musterartig ausgebildeten und einen kontaktabhängigen Übertragungsabschnitt bildenden Anschlusselektroden 7, den IC-Chip 6, der eine kontaktabhängige Schnittstelle und eine kontaktlose Schnittstelle umfasst (die nicht dargestellt sind), die erste Koppelspule 8 eines kontaktlosen Übertragungsabschnitts, die von einem um den IC-Chip 6 oder ein Modulsubstrat 9 herumgewickelten isolationsbeschichteten Leitungsdraht gebildet wird, sowie das Modulsubstrat 9.
Der IC-Chip 6 ist auf einer Oberfläche des Modulsubstrats 9 angeordnet, die dessen mit den Anschlusselektroden 7 versehenen Oberfläche gegenüberliegt. Der IC-Chip 6 und die Anschlusselektroden 7 auf dem Modulsubstrat 9 sind über Durchgangslöcher miteinander verbunden. Der IC-Chip 6 und ein Leiterbahnmuster der ersten Koppelspule 8 werden hierbei durch Bonden mittels eines thermischen Schmelzvorgangs unter Verwendung eines Lötmaterials oder eines leitenden Klebstoffs miteinander verbunden.
Dieses Bonden lässt sich auch durch Drahtkontaktierung der Schaltungsoberfläche des IC-Chips 6 und des Modulsubstrats 9 realisieren.
Der IC-Chip 6 wird auf dem Modulsubstrat 9 angeordnet, woraufhin die Schaltungsverbindung erfolgt. Sodann wird der IC-Chip 6 mit der Kunstharzkapselung 16 versiegelt. Anschließend werden ein isolationsbeschichteter Leitungsdraht um die Peripherie des IC-Chips 6 oder die Peripherie des Modulsubstrats 9 herumgewickelt und das Leiterbahnmuster des Modulsubstrats 9 mit den Anschlüssen der ersten Koppelspule 8 verbunden, womit der IC-Modul 2 fertig gestellt ist. 12B veranschaulicht hierbei einen Fall, bei dem die erste Koppelspule 8 um die Kunstharzkapselung 16 des IC-Chips 6 herumgewickelt ist.
Die Chipkarte 1 gemäß diesem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel wird im wesentlichen in der nachstehend beschriebenen Weise hergestellt.
Zunächst wird das flexible Antennensubstrat 5 hergestellt, bei dem die zweite Koppelspule 3, die Antennenspule 4 und das kapazitive Element 15 in Form von gedruckten Spulen auf einem Kunstharzsubstrat ausgebildet werden. Hierbei können die zweite Koppelspule 3 und die Antennenspule 4 auch aus einem isolationsbeschichteten Draht hergestellt werden. Als Kunstharzmaterial des Antennensubstrats 5 wird zwar Vinylchlorid verwendet, jedoch kann auch Polyimid, Polycarbonat oder PET Verwendung finden, wobei das Material nicht auf eine Art beschränkt ist.
Sodann wird das Kartensubstrat 10 durch Spritzgussversiegelung des Antennensubstrats 5 gebildet. Bei diesem Spritzgussvorgang wird die zweite Koppelspule 3 derart angeordnet, dass sie die Anbringungsposition des IC-Moduls 2 überdeckt. Die Einsetzausnehmung 11 für den IC-Modul 2 wird gleichzeitig mit der durch den Spritzgussvorgang erfolgenden Bildung des Kartensubstrats 10 ausgebildet. Schließlich wird der IC-Modul 2 in der für die Aufnahme des IC-Moduls 2 in dem Kartensubstrat 10 vorgesehenen Einsetzausnehmung 11 durch Bonden befestigt bzw. angebracht, womit die Herstellung der Chipkarte 1 abgeschlossen ist. Obwohl hierbei Vinylchlorid als Material für das Kartensubstrat 10 Verwendung findet, kann auch ein beliebiges anderes Material wie z.B. Polycarbonat im Rahmen der Erfindung verwendet werden, wenn hierdurch adäquate Eigenschaften der Karte erhalten werden.
In 12A ist das Kartensubstrat 10 zwar in Form einer Unterteilung in einen oberseitigen Abschnitt und einen unterseitigen Abschnitt dargestellt, jedoch ist das Kartensubstrat 10 tatsächlich einstückig. In 12A ist das Kartensubstrat lediglich in modifizierter Form dargestellt, um die Relation zwischen der Koppelspule und der Einsetzausnehmung 11 des in dem Kartensubstrat eingeschlossenen Antennensubstrats 5 deutlich hervorzuheben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Karte zwar durch einen Einspritzgussvorgang hergestellt, jedoch ist auch ein anderes Verfahren anwendbar, wenn sich hierdurch die Eigenschaften der Karte nicht verändern. So kann z.B. auch ein Laminierverfahren oder ein Klebstoff-Füllverfahren Anwendung finden. Ferner findet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Technik Anwendung, bei der die Einsetzausnehmung 11 für den IC-Modul durch Ausschneiden nach der Ausbildung der Karte erhalten wird.
Erstes Anordnungsbeispiel
13 zeigt ein Anordnungs- bzw. Montagebeispiel, bei dem die erste Koppelspule 8 um den IC-Chip 6 herumgewickelt ist.
Zur Vorbereitung der Ausbildung der ersten Koppelspule 8 wird die Peripherie der Kunstharzkapselung 16 des bis zum Schritt der Herstellung der Kunstharzkapselung 16 ausgebildeten IC-Moduls 2 mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs oder dergleichen zur Erleichterung des Wickelns einer Spule vorbehandelt. Sodann wird eine Spule direkt um die Kunstharzkapselung 16 des IC-Moduls unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Wickelvorrichtung herumgewickelt. Nachdem eine vorgegebene Anzahl von Windungen gewickelt worden ist, werden die (nicht dargestellte) Isolationsbeschichtung der Verbindungsanschlüsse der ersten Koppelspule 8 entfernt und die Verbindungsanschlüsse mit einem (ebenfalls nicht dargestellten) vorgegebenen Leiterbahnmuster auf dem Modulsubstrat 9 verbunden.
Hierbei kann der Schritt des Einschneidens der Kunstharzkapselung 16 auch entfallen, indem die Kunstharzkapselung 16 unter Verwendung einer Gussform usw. ausgebildet wird, die das Wickeln der Spule erleichtert. Zur Bildung der ersten Koppelspule 8 kann auch in Betracht gezogen werden, die Spule nicht durch direkte Umwicklung der Peripherie des IC-Chips 6 auszubilden, sondern in einem unterschiedlichen Schritt eine planare Spule unter Verwendung einer Spulenwickelvorrichtung auszubilden und an dem Modulsubstrat 9 anzubringen.
Bei diesem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel wird die Spule zwar mit einem rechteckigen Querschnitt und abgerundeten Ecken ausgebildet, jedoch kann der Querschnitt auch kreisförmig oder oval sein, da die Querschnittsform nicht beschränkt ist.
Wie in 11 veranschaulicht ist, kann die erste Koppelspule 8 auch in Form einer Toroidspule um die Peripherie der Kunstharzkapselung 16 des IC-Chips herumgewickelt werden.
Zweites Anordnungsbeispiel
14 zeigt ein Anordnungs- bzw. Montagebeispiel, bei dem die erste Koppelspule 8 um einen Spulenkörper 17 herumgewickelt ist, der die Kunstharzkapselung 16 des IC-Chips 6 umgibt.
Die erste Koppelspule 8 wird hierbei gleichmäßig entlang von (nicht dargestellten) Nuten des Spulenkörpers 17 gewickelt und hierbei durch Bonden zwischen dem Spulenkörper 17 und dem Modulsubstrat 9 gehalten. Sodann werden (nicht dargestellte) Verbindungsanschlüsse der ersten Koppelspule 8 mit einem (ebenfalls nicht dargestellten) vorgegebenen Leiterbahnmuster des Modulsubstrats 9 verbunden.
Der Spulenkörper 17 ist hierbei mit Anschlüssen für die Verbindung mit der Spule ausgestattet, wodurch sich die Verbindung zwischen dem Modulsubstrat 9 und der ersten Koppelspule 8 vereinfacht. Obwohl der Spulenkörper 17 bei diesem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist, kann der Querschnitt wie in den vorstehend beschriebenen Fällen auch kreisförmig usw. sein.
Drittes Anordnungsbeispiel
Die 15A und 15B zeigen ein Anordnungs- bzw. Montagebeispiel, bei dem die erste Koppelspule 8 um Endflächen des Modulsubstrats 9 herumgewickelt ist.
Die erste Koppelspule 8 kann auch ausgebildet werden, indem eine Spule auf die mit abgerundeten Ecken versehene Peripherie (in Richtung der Dicke) des Modulsubstrats 9 des IC-Moduls 2 aufgebracht wird. Das Wickeln der Spule um die Peripherie des Modulsubstrats 9 erfolgt hierbei vor der Anbringung des IC-Chips 6. Dieser Schritt kann nach der Herstellung des IC-Moduls 2 ausgeführt werden, wobei die Reihenfolge der Schritte nicht beschränkt ist.
Wenn die Spule auf die mit abgerundeten Ecken versehene Peripherie (in Richtung der Dicke) des Modulsubstrats 9 des IC-Moduls 2 aufgebracht wird, kann die Spule auch unter Berücksichtigung der Ausbildung eines Prägedrucks bei einer Dicke des Modulsubstrats 9 von 0,3 mm in einem Bereich von 1 mm von der Außenkontur des Modulsubstrats 9 gewickelt werden. Wenn der Durchmesser des Spulendrahtes 0,1 mm beträgt, können 3 × 10 = 30 Wicklungen gewickelt werden. Dieser Zahlenwert entspricht dem fünffachen Betrag des Zahlenwertes, der bei Ausbildung der Spule in Form eines gedruckten Musters erhalten wird.
Die Chipkarte gemäß diesem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel besitzt Funktionen, die sowohl mit einem kontaktabhängigen System mit externen Anschlüssen als auch mit einem kontaktlosen System mit kontaktlosen Koppelelementen wie einer Antennenspule kompatibel sind. Da bei der einen IC-Modul enthaltenden Chipkarte Transformatorkopplungs-Bauelemente zwischen dem IC-Modul und einer Antennenspule angeordnet sind, können eine Energieaufnahme sowie Signalsende-/Empfangsvorgänge zwischen dem IC-Modul und der Antennenspule ohne elektrische Leitungsverbindungen erfolgen.
Das Transformatorkoppelelement des IC-Moduls wird durch eine Spule realisiert, die direkt um die Peripherie der Kunstharzkapselung des IC-Chips herumgewickelt ist. Alternativ kann eine vorher hergestellte planare Spule durch Bonden direkt mit dem Modulsubstrat verbunden werden.
Alternativ kann eine Spule um einen Spulenkörper herumgewickelt werden, der durch Bonden mit dem Modulsubstrat verbunden wird, oder die Spule wird um Endflächen des Modulsubstrats herumgewickelt. Hierdurch lässt sich die Anzahl von Windungen der Koppelspule des Modulsubstrats im weitestgehenden Umfang vergrößern. Auf diese Weise kann bei einer einen IC-Modul enthaltenden Chipkarte die von der Antennenspule aufgenommene elektromagnetische Energie zu dem IC-Chip durch Transformatorkopplung mit einem hohen Koppelkoeffizienten übertragen werden.
Beim Verbringen der Karte in die Nähe der Antenne des externen Lese-/Schreibgeräts wird somit eine höhere Kommunikationsempfindlichkeit erhalten, was einen Vorteil der kontaktlosen Kommunikationsfunktion darstellt.
Da eine höhere Empfangsempfindlichkeit der Karte erhalten wird, lässt sich die Kommunikationsentfernung vergrößern und/oder die Sendeleistung des externen Lese-/Schreibgeräts verringern, was für IC-Karten von Vorteil ist, da die Sendeleistung für kontaktlose IC-Karten (Smartkarten) durch Funkvorschriften beschränkt ist.
Da außerdem keine Verbindung bzw. Leitungsverbindung zwischen dem IC-Modul und der in das Kartensubstrat eingebauten Antennenschaltung erforderlich ist, kann der übliche IC-Karten-Herstellungsschritt der Anbringung und Befestigung des IC-Moduls in der in dem Kartensubstrat ausgebildeten Einsetzausnehmung ohne Modifikationen übernommen werden. Darüber hinaus besteht auch bei Einwirkung von mechanischen Spannungen wie eines Biegemoments auf die Karte nur eine geringe Gefahr in Bezug auf das Auftreten von Fehlfunktionen, da zwischen dem IC-Modul und der Antennenschaltung keine Kontaktpunkte vorhanden sind.
Wie vorstehend beschrieben, wird auch bei diesem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel eine Chipkarte in Verbindung mit einem IC-Modul erhalten, bei der ohne das Erfordernis einer Verbindung zwischen dem IC-Modul und einer Antennenspule für eine kontaktlose Übertragung eine für eine adäquate Kommunikationsentfernung ausreichende Empfangsempfindlichkeit erhalten wird und im praktischen Betrieb sowohl eine kontaktabhängige als auch eine kontaktlose Übertragungseinrichtung einsetzbar sind.
Nachstehend wird nun auf ein Verfahren zur Herstellung des kapazitiven Elements näher eingegangen, das zusammen mit der Antennenspule 4 der kontaktlosen Übertragungseinrichtung den Schwingkreis bildet. Wenn ein Chipkondensator als kapazitives Element der IC-Karte verwendet wird, kann bei Einwirkung eines Biegemoments und dergleichen auf die Karte leicht ein Bruch des Chipkondensators selbst oder des Leiterbahnmusters auf dem Substrat erfolgen, auf dem die elektronischen Schaltungsanordnungen angebracht sind. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit der IC-Karte beeinträchtigt, wobei die IC-Karte zudem auf Grund der Dicke des Chipkondensator-Bauelements dicker wird. Darüber hinaus wird die Spule aus einem Leitungsdraht hergestellt, sodass die Spulenherstellung zur Vermeidung einer Deformation der Spule erhebliche Sorgfalt erfordert, was wiederum Probleme bei der Herstellung mit sich bringt. Zur Bewältigung dieser Probleme wird das kapazitive Element erfindungsgemäß daher aus Leitern gebildet, zwischen denen das Kartensubstrat angeordnet ist.
Konkretes Beispiel 1
16A zeigt eine Querschnittsansicht des gleichen Kartensubstrats wie das in den 3B, 8B und 12B dargestellte Kartensubstrat, während 16B ein Ersatzschaltbild des Kartensubstrats gemäß 16A zeigt.
Eine als Leiterbahnmuster unter Verwendung eines leitfähigen Materials realisierte Antennenspule 4 ist in einem peripheren Bereich einer Oberfläche des Substrats 5 angeordnet. Nur ein Ende der Antennenspule 4 ist mit einem Ende der zweiten Koppelspule 3 verbunden, während das andere Ende der Antennenspule 4 nicht verbunden ist.
Das andere Ende der zweiten Koppelspule 3 ist zu der anderen Oberfläche des Substrats 5 geführt und mit einem auf der anderen Oberfläche des Substrats 5 gegenüber der Antennenspule 4 aus einem leitenden Material ausgebildeten Leiter 104 verbunden.
Von dem die Antennenspule 4 auf der einen Oberfläche und den Leiter 104 auf der anderen Oberfläche bildenden Muster aus leitendem Material wird eine statische Kapazität gebildet, wodurch bei der Ersatzschaltung gemäß 16B eine Reihenkapazität 15 erhalten wird.
Wie in 16A veranschaulicht ist, sollten die Breite Wa der Antennenspule 4 und die Breite Wb des Leiters 104 nicht zwangsläufig exakt die gleichen Abmessungen aufweisen, wenn eine erforderliche statische Kapazität erhalten werden soll. Als minimales Erfordernis ist jedoch anzustreben, dass die Endflächen 108 des Leiters 104, zwischen denen die Breite Wb gemessen wird, derart verlaufen, dass sie nicht über die Endflächen 106 der Antennenspule 4 hinausragen, zwischen denen die Breite Wa gemessen wird. Hierdurch lässt sich eine Verringerung der von der Antennenspule 4 gebildeten Spulenfläche verhindern.
Gemäß 16A weist die Antennenspule 4 zwei Windungen auf, wobei die Anzahl der Windungen der Antennenspule 4 und deren Musterbreite in Abhängigkeit von der erforderlichen Induktivität und der statischen Kapazität bestimmt wird. Da das andere Ende der Antennenspule 4 an einer gewünschten Stelle offengehalten werden kann, lässt sich die Induktivität der Antennenspule 4, die eine Windung oder mehrere Windungen aufweisen kann, durch die Länge des Musters bzw. der Schleife der Antennenspule 4 einstellen. Dagegen kann der Bereich des der Antennenspule 4 gegenüberliegenden Leiters 104 natürlich zur Bildung der erforderlichen statischen Kapazität frei eingestellt werden. Im Vergleich zu einem üblichen Verfahren, bei dem die Induktivität der Spule nur über den Spulenbereich und die Anzahl der Spulenwindungen eingestellt werden kann, lassen sich hierdurch somit die Induktivität und die statische Kapazität auf einfache Weise einstellen.
Konkretes Beispiel 2
17A zeigt eine Querschnittsansicht des gleichen Kartensubstrats wie das in den 3B, 8B und 12B dargestellte Kartensubstrat, während 17B ein Ersatzschaltbild des Kartensubstrats gemäß 17A zeigt.
Eine zweite Antennenspule 4b in Form eines Leiterbahnmusters aus einem leitfähigen Material ist in einem peripheren Bereich einer Oberfläche des Substrats 5 ausgebildet. Ein Ende der zweiten Antennenspule 4b ist hierbei mit der zweiten Koppelspule 3 verbunden, während das andere Ende der zweiten Antennenspule 4b nicht verbunden ist.
Das andere Ende der zweiten Koppelspule 3 ist dagegen zu der anderen Oberfläche des Substrats 5 geführt und mit einem Ende einer ersten Antennenspule 4a verbunden, die als Leiterbahnmuster unter Verwendung eines leitfähigen Materials auf der anderen Oberfläche des Substrats 5 gegenüber der zweiten Antennenspule 4b ausgebildet ist. Das andere Ende der ersten Antennenspule 4a ist hierbei nicht verbunden.
Von den die zweite Antennenspule 4b auf der einen Oberfläche und die erste Antennenspule 4a auf der anderen Oberfläche bildenden Mustern aus leitfähigem Material wird eine statische Kapazität gebildet, durch die bei der Ersatzschaltung gemäß 17B eine Reihenkapazität 15 erhalten wird.
Wie in 17A veranschaulicht ist, sollten die Breite We der zweiten Antennenspule 4b und die Breite Wd der ersten Antennenspule 4a nicht notwendigerweise genau übereinstimmen, wenn eine erforderliche statische Kapazität erhalten werden soll. Als Minimalerfordernis ist jedoch anzustreben, dass die Endflächen 118 der ersten Antennenspule 4a, zwischen denen die Breite Wd gemessen wird, derart angeordnet sind, dass sie nicht über die Endflächen 116 der zweiten Antennenspule 4b hinausragen, zwischen denen die Breite We gemessen wird. Hierdurch kann eine Verringerung der von der zweiten Antennenspule 4b gebildeten Spulenfläche vermieden werden.
Gemäß 17A weisen die Antennenspulen 4a und 4b jeweils zwei Windungen auf, wobei die Anzahl der Windungen der zweiten Antennenspule 4b und der ersten Antennenspule 4a sowie deren Musterbreite in Abhängigkeit von der erforderlichen Induktivität und statischen Kapazität bestimmt werden. Da das andere Ende der zweiten Antennenspule 4b und das andere Ende der ersten Antennenspule 4a an gewünschten Stellen offen bleiben können, kann die Induktivität der zweiten Antennenspule 4b durch die Länge des Musters bzw. der Schleife der zweiten Antennenspule 4b eingestellt werden., während die Induktivität der ersten Antennenspule 4a durch die Länge des Musters bzw. der Schleife der ersten Antennenspule 4a eingestellt werden kann. Da die statische Kapazität in Abhängigkeit von dem Bereich ansteigt, in dem die zweite Antennenspule 4b der ersten Antennenspule 4a gegenüber liegt, ist es natürlich erforderlich, einen entsprechenden Bereich vorzusehen, in dem die zweite Antennenspule 4b der ersten Antennenspule 4a gegenüber liegt. Im Vergleich zu einem üblichen Verfahren, bei dem die Spuleninduktivität nur über den Spulenbereich und die Windungszahl eingestellt werden kann, können somit Induktivität und statische Kapazität auf einfache Weise eingestellt werden.
Konkretes Beispiel 3
18A zeigt eine Querschnittsansicht des gleichen Kartensubstrats wie das in den 3B, 8B und 12B dargestellte Kartensubstrat, während 18B ein Ersatzschaltbild des Kartensubstrats gemäß 18A zeigt. Eine unter Verwendung eines leitfähigen Materials als Leiterbahnmuster ausgebildete Antennenspule 4 ist in einem peripheren Bereich einer Oberfläche des Substrats 5 angeordnet. Ein Ende der Antennenspule 4 ist mit einem Ende der zweiten Koppelspule 3 verbunden, während das andere Ende der Antennenspule 4 mit dem anderen Ende der zweiten Koppelspule 3 verbunden ist. Ein aus einem leitfähigen Material bestehender Leiter 124 ist auf der anderen Oberfläche des Substrats 5 derart angeordnet, dass er der Antennenspule 4 gegenüberliegt.
Die statische Kapazität wird hierbei von der Kombination einer statischen Kapazität zwischen benachbarten Mustern der Antennenspule 4 und einer statischen Kapazität zwischen dem Leiter 124 und der Antennenspule 4 gebildet, wodurch bei der Ersatzschaltung gemäß 18B eine Parallelkapazität 15 erhalten wird.
Wie aus 18A ersichtlich ist, sollten die Breite We der Antennenspule 4 und die Breite Wf des Leiters 124 nicht notwendigerweise genau übereinstimmen, wenn eine erforderliche statische Kapazität erhalten werden soll. Als Minimalerfordernis ist jedoch anzustreben, dass die Endflächen 128 des Leiters 124, zwischen denen die Breite Wf gemessen wird, derart angeordnet sind, dass sie nicht über die Endflächen 126 der Antennenspule 4 hinausragen, zwischen denen die Breite We gemessen wird. Auf diese Weise lässt sich eine Verringerung des von der Antennenspule 4 gebildeten Spulenbereichs vermeiden.
Gemäß 18A weist die Antennenspule 4 zwei Windungen auf, wobei die Anzahl von Windungen der Antennenspule 4 und deren Musterbreite jedoch in Abhängigkeit von der erforderlichen Induktivität und statischen Kapazität bestimmt werden.

Claims

Chipkarte, die sowohl die Funktion einer kontaktabhängigen als auch einer kontaktlosen Chipkarte besitzt und einen IC-Modul (2) und ein Antennenelement (3, 4) aufweist, wobei der IC-Modul (2) einen IC-Chip (6), der eine kontaktabhängige Übertragungsfunktion und eine kontaktlose Übertragungsfunktion besitzt, und ein Modul-Substrat (9) mit einem als Kontakt-Übertragungselement dienenden externen Anschluss (7) und einer ersten Koppelspule (8) aufweist, das Antennenelement (3, 4) eine Antenne (4) zur Durchführung eines Energieaufnahmevorgangs und/oder eines Sende-/Empfangsvorgangs in Wirkverbindung mit einem externen Lese-/Schreibgerät und eine mit der Antenne (4) verbundene zweite Koppelspule (3) aufweist, der IC-Modul (2) in einer Ausnehmung (11) eines Kartensubstrates (10) derart angebracht ist, dass der externe Anschluss (7) außerhalb des Kartensubstrates (10) liegt und die erste Koppelspule (8) in der Ausnehmung (11) angeordnet ist, und die erste Koppelspule (8) des IC-Moduls (2) und die zweite Koppelspule (3) des Antennenelements (3, 4) zur kontaktlosen Übertragung in enger Kopplung miteinander angeordnet sind und der IC-Modul (2) und das Antennenelement (3, 4) durch induktive Kopplung über die erste und die zweite Koppelspule (8, 3) kontaktlos miteinander gekoppelt sind, wobei die Antenne (4) als geschlossene Schleife ausgebildet und die zweite Koppelspule (3) des Antennenelements (3, 4) außerhalb der Schleife der Antenne (4) angeordnet sind.
Chipkarte nach Anspruch 1, bei der das Antennenelement (4) ein kapazitives Element aufweist.
Chipkarte nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Prägungsbereich (20) vorgesehen ist, wobei der IC-Modul (2) in einem im wesentlichen mittleren Bereich einer kürzeren Seite der Karte und der Prägungsbereich (20) entlang einer längeren Seite der Karte angeordnet sind, und die Antenne (4) zur kontaktlosen Übertragung derart angeordnet ist, dass keine Beeinträchtigung eines externen Anschlussbereiches (21) des IC-Moduls (2) und des Prägungsbereiches (20) auftritt.
Chipkarte nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Prägungsbereich (20) vorgesehen ist, wobei der IC-Modul (2) in einem im wesentlichen mittleren Bereich einer kürzeren Seite der Karte und der Prägungsbereich (20) entlang einer längeren Seite der Karte angeordnet sind, und die Antenne (4) zur kontaktlosen Übertragung derart angeordnet ist, dass keine Beeinträchtigung eines externen Anschlussbereiches (21) des IC-Moduls (2) und des Prägungsbereiches (20) auftritt, wobei die Antenne (4) in einem Bereich angeordnet ist, der von einer längeren Seite der Karte, die der einen längeren Seite gegenüberliegt, entlang der der Prägungsbereich (20) vorgesehen ist, der Grenze des Prägungsbereichs (20) an einer Innenseite der Karte, der Grenze des externen Anschlussbereiches (21) des IC-Moduls (2) an der Innenseite der Karte und einer kürzeren Seite der Karte definiert wird, die der einen kürzeren Seite gegenüberliegt, an der der IC-Modul (2) vorgesehen ist.
Chipkarte nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Prägungsbereich (20) vorgesehen ist, wobei der IC-Modul (2) in einem im wesentlichen mittleren Bereich einer kürzeren Seite der Karte und der Prägungsbereich (20) entlang einer längeren Seite der Karte angeordnet sind, und zumindest ein Teil der Antenne (4) zur kontaktlosen Übertragung zwischen dem Prägungsbereich (20) und einem Rand der Karte und zwischen einem externen Anschlussbereich (21) des IC-Moduls (2) und dem Rand der Karte entlang der Peripherie der Karte derart angeordnet ist, dass keine Beeinträchtigung des externen Anschlussbereiches (21) des IC-Moduls (2) und des Prägungsbereiches (20) auftritt.
Chipkarte nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Magnetstreifenbereich und ein Prägungsbereich (20) vorgesehen sind, wobei der IC-Modul (2) in einem im wesentlichen mittleren Bereich einer kürzeren Seite der Karte, der Prägungsbereich (20) entlang einer längeren Seite der Karte und der Magnetstreifenbereich entlang der anderen längeren Seite der Karte angeordnet sind, und die Antenne (4) zur kontaktlosen Übertragung derart angeordnet ist, dass keine Beeinträchtigung eines externen Anschlussbereiches (21) des IC-Moduls (2), des Prägungsbereiches (20) und des Magnetstreifenbereiches auftritt.
Chipkarte nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Magnetstreifenbereich und ein Prägungsbereich (20) vorgesehen sind, wobei der IC-Modul (2) in einem im wesentlichen mittleren Bereich einer kürzeren Seite der Karte, der Prägungsbereich (20) entlang einer längeren Seite der Karte und der Magnetstreifenbereich entlang der anderen längeren Seite der Karte angeordnet sind, und die Antenne (4) zur kontaktlosen Übertragung in einem Bereich, der von der Grenze des Prägungsbereichs (20) an einer Innenseite der Karte, der Grenze eines externen Anschlussbereiches (21) des IC-Moduls (2) an der Innenseite der Karte, der Grenze des Magnetstreifenbereiches an der Innenseite der Karte und der der einen kürzeren Seite mit dem IC-Modul (2) gegenüberliegenden kürzeren Seite definiert wird, derart angeordnet ist, dass keine Beeinträchtigung des externen Anschlussbereiches (21) des IC-Moduls (2), des Prägungsbereiches (20) und des Magnetstreifenbereiches auftritt.