薄型非接觸IC卡的結(jié)構(gòu)分析及其在AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用

文章出處：http://bookmouse.cn 作者：卡市場   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月17日

一、簡介 
  
隨著我國地鐵等軌道交通的迅速發(fā)展，以AFC方式收費(fèi)的模式已被廣泛接受和采納。但是隨著電子技術(shù)的發(fā)展和非接觸IC卡的興起，使得以磁卡方式收費(fèi)的AFC系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)也日益突出了。其主要表現(xiàn)有：磁卡保密性差、容量小、進(jìn)出站檢票機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，以致使整個AFC系統(tǒng)投資昂貴且維護(hù)費(fèi)用比較高。為此，運(yùn)營商深感窘迫，急切需要一種新的產(chǎn)品能夠替代現(xiàn)有的磁卡。這種新產(chǎn)品要求具有：存儲容量大、保密性高、相應(yīng)的讀寫機(jī)具結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；同時還要保持像磁卡一樣的厚度、并能滿足柔性傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。根據(jù)這些要求，我們認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的非接觸IC卡是能夠滿足其中的一些要求的，但是由于其厚度在0.8mm左右，且僅適用于不需要彎折的場合下使用，例如公交一卡通等場合。所以要想使標(biāo)準(zhǔn)非接觸IC卡滿足柔性傳輸?shù)囊?，則其必須要在保持非接觸IC卡優(yōu)點(diǎn)的同時，還要努力降低卡體的厚度。薄型非接觸IC卡正是在這種需求下出現(xiàn)的一種新產(chǎn)品。 
  
二、薄型非接觸IC卡中的組成部分分析和選擇 
  
薄型非接觸IC卡的組成和標(biāo)準(zhǔn)非接觸IC卡的組成一樣，都是由芯片、卡基材料、天線等部分組成，但是根據(jù)具體使用情況的不同，也各有區(qū)別。現(xiàn)分別討論如下： 
  
1. 芯片封裝形式的選擇 
傳統(tǒng)的非接觸IC卡生產(chǎn)在采用芯片封裝時形式上都是用模塑封裝后的模塊來生產(chǎn)的。如果要生產(chǎn)薄型非接觸IC卡，在采用外形尺寸為4.8mm×5.1mm×0.30mm的模塊尺寸時，困難就比較大。因此需要采用更小尺寸的沒有封裝的裸芯片，如飛利浦公司ultralight裸芯片的外形尺寸約為0.55 mm×0.55 mm×0.13 mm，由于其厚度僅為0.13 mm，這就為生產(chǎn)薄型非接觸IC卡創(chuàng)造了一個有利的條件。 
  
（1）模塊封裝的主要生產(chǎn)工藝（如圖1所示）：其生產(chǎn)過程一般是由模塊封裝廠來完成的。由于過程中增加了下述這些生產(chǎn)環(huán)節(jié)，這就使得用模塊封裝和采用裸芯片封裝的方式相比，其生產(chǎn)成本明顯要高，同時模塊的厚度也比裸芯片要厚很多，其中僅封膠的厚度就達(dá)0.3mm左右。 
  
（2）為了更詳細(xì)地分析這兩種形式的不同，下面通過結(jié)構(gòu)示意圖來簡單介紹。圖2a、2b是模塊封裝和倒裝連接(FLIP CHIP)的結(jié)構(gòu)對比，從圖中可以看到：模塊封裝結(jié)構(gòu)比倒裝連接要復(fù)雜。在圖2a中，和金線相連的基材一般是芯片的引腳，在生產(chǎn)中需要把封裝好的模塊從載帶上沖切下來，然后和繞線天線的兩個觸點(diǎn)進(jìn)行碰焊，來完成非接觸IC卡的電路部分。而采用倒裝連接技術(shù)時，如圖2b所示，其基材可以是蝕刻天線（或者印刷天線）的觸點(diǎn)，這樣既省去了圖1的模塊封裝工藝，也不需要從載帶沖切模塊和碰焊等生產(chǎn)工序。而且還能夠?qū)崿F(xiàn)焊區(qū)與焊區(qū)直接導(dǎo)連，減小了其互連產(chǎn)生的雜散電容、互連電阻及互連電感。簡化了生產(chǎn)過程，提高了非接觸IC卡的可靠性。同時由于采用芯片直連技術(shù)，就使得生產(chǎn)出的天線層（inlay）在厚度上一般能夠控制在0.26mm以內(nèi)，為生產(chǎn)厚度0.5mm的非接觸IC卡奠定了較好的基礎(chǔ)。 
  
在圖2b中如果基材不是蝕刻天線（或者印刷天線），而是載帶的話，這樣的結(jié)構(gòu)形式就是FCP形式，采用這種結(jié)構(gòu)，同樣可以生產(chǎn)厚度在0.26mm的天線層。 
  
（3）倒裝連接是一種新的內(nèi)連(interconnect)技術(shù)，目前在半導(dǎo)體行業(yè)中有著比較廣泛的應(yīng)用。雖然在生產(chǎn)非接觸IC卡中采用的倒裝技術(shù)（圖2b中基材是天線觸點(diǎn)的情況）是來自半導(dǎo)體行業(yè)，但還是有一些比較大的區(qū)別。表1中簡單列舉了在非接觸IC卡和半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用倒裝技術(shù)的一些區(qū)別。從表中可以看到，針對非接觸IC卡的具體情況，倒裝連接工藝具有自己的特點(diǎn)，它是根據(jù)采用基材的特性和芯片的種類來考慮的。 
  
根據(jù)上面的分析可知，模塑封裝的模塊在外形尺寸上比較大，其不適宜生產(chǎn)厚度在0.5mm及以下的非接觸IC卡中，而倒裝工藝是一種非常成熟的技術(shù)，采用這種技術(shù)可以生產(chǎn)更薄的非接觸IC卡（厚度甚至能夠達(dá)到0.4mm或者更?。?。同時采用倒裝工藝也是IC卡行業(yè)今后的發(fā)展方向之一。 
  
2. 卡基材料的選擇 
  
目前，在生產(chǎn)非接觸IC卡時采用的卡基材料一般有PVC 、PET、紙等幾種，下面分別對這幾種材料的特性和應(yīng)用做一簡單介紹： 
  
（1）PVC（學(xué)名聚氯乙稀），是目前生產(chǎn)非接觸IC卡中常用的材料，它的軟化點(diǎn)（Vicat）點(diǎn)一般在50~700℃之間，PVC的熱溫定性稍差，當(dāng)它加熱到1300℃以上時即開始分解放出有毒的氯化氫，在2000℃左右就會急劇分解而炭化。所以在常規(guī)生產(chǎn)的工藝參數(shù)中，溫度一般都控制在1700℃以內(nèi)。由于這種材料在適當(dāng)?shù)募訜?、加壓情況下，能夠把幾層PVC完全融合為一個整體。所以，這種材料在非接觸IC卡的行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。采用這種材料來生產(chǎn)單程票也是可行的。但是由于PVC的強(qiáng)度、耐磨性等方面不如PET，所以在卡片的厚度上不能生產(chǎn)出像磁卡（PET材料）那樣薄，一般PVC卡片的厚度要大于0.3mm以上，最理想在0.4mm以上，才能夠保證有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。 
  
（2）PET（學(xué)名聚對苯二甲酸乙二醇酯），軟化范圍在230～240℃，熔點(diǎn)在255～260℃，具有比較好的抗彎性、耐磨性等特點(diǎn)。但是在目前的技術(shù)條件下，還達(dá)不到像PVC卡一樣通過加熱、加壓的方式把幾層PET卡片融合為一個整體 。因此，大多數(shù)情況下是采用雙面膠作為粘結(jié)的材料來解決這個問題。也有生產(chǎn)廠家采用價格比較高的熱固性膠來作為粘結(jié)材料，但是這樣就會增加產(chǎn)品的成本。同時，如果采用PET生產(chǎn)單程票的話，在層壓工序時采用生產(chǎn)非接觸IC卡的工藝參數(shù)時，就不能像PVC在加熱時會軟化延伸來填補(bǔ)空隙。所以，即使其層壓后卡基的厚度能夠達(dá)到0.4mm以下，而其中芯片位置的厚度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個數(shù)值。 
  
（3）紙作為一種生產(chǎn)非接觸IC卡的材料，價格相對便宜，一般是用來生產(chǎn)電子標(biāo)簽，如果作為單程票，就需要解決防潮及卡基強(qiáng)度等問題。 
  
根據(jù)目前使用的卡基材料，通過上述分析可知，PET和紙雖然各自具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是生產(chǎn)單程票比較理想的材料還是PVC。 
  
3. 天線種類的選擇 
  
非接觸IC卡（含電子標(biāo)簽）中使用的天線種類一般有繞線天線、蝕刻天線、印刷天線等幾種。傳統(tǒng)的非接觸IC卡中大多數(shù)都采用繞線天線，少數(shù)采用蝕刻天線，通過使用實驗證明，這種蝕刻天線性能穩(wěn)定，技術(shù)上比較成熟。而印刷天線則是采用導(dǎo)電銀漿通過絲網(wǎng)印刷來制作的，這種天線存在著彎折時其線圈電阻值會改變的缺點(diǎn)，用這種天線生產(chǎn)的單程票在發(fā)卡時一般會發(fā)生信號不穩(wěn)定的情況（通常100張中有差不多2~4張有問題，比例占2~4％）。這類絲網(wǎng)印刷的天線一般是用在電子標(biāo)簽中。另外，繞線天線也只能在PVC基材上繞制；蝕刻天線則可以在PVC和PET兩種材料上制作；而印刷天線則都能夠在這三種材料上印刷。 
  
二、目前乘客在使用票卡時的習(xí)慣動作 
  
以上對非接觸IC卡的主要組成做了簡單的分析，僅供研發(fā)和生產(chǎn)薄型非接觸IC卡的廠商參考?？紤]到這種新型薄型非接觸IC卡在軌道交通中的具體使用環(huán)境，即乘客在乘車時使用票卡的情況也應(yīng)該有所了解。經(jīng)過觀察統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)： 
  
乘客在乘車的時候，多數(shù)都會把票卡放進(jìn)口袋等地方保存好，以便在出站時使用。但是，也有不少人在乘車時一直把票卡拿在手中，這樣就有意無意的對票卡做一些動作，這些動作一般可以歸納為以下幾點(diǎn)： 
  
a. 刮汗。這種情況在夏天的時候尤其明顯，他們把票卡當(dāng)作除去臉上和手上等部分汗液的工具，這就要求票卡本身一定要具有防潮的能力，紙制的票卡就很難滿足這一要求。 
  
b. 剔指甲。有些人會有留長指甲的習(xí)慣，在乘車時可能會用票卡來剔指甲，如果票卡的各層之間是采用粘結(jié)方式的話，剔指甲就會很容易把票卡的各層剝離開來，造成廢卡。 
  
c. 彎扭票卡。由于在乘車時一般都沒有什么事情做，當(dāng)手里拿著票卡的時候，就有可能暫時把票卡當(dāng)作消磨時間的工具，對它做一些彎扭的動作。目前在使用磁卡的情況下，會把它撥彈出聲響來，此時假如票卡強(qiáng)度不夠高的話，就可能會損壞票卡造成報廢。如果采用模塊封裝的薄型非接觸IC卡來做票卡，則會由于模塊位置的PVC層很薄，更容易損傷到模塊而使卡產(chǎn)生報廢。 
  
以上幾點(diǎn)是人們在乘車時可能會出現(xiàn)的情況，其中有些動作對票卡造成的損傷情況可能遠(yuǎn)比正常使用時大得多，甚至造成票卡報廢的直接原因之一。因此對票卡的生產(chǎn)廠家提出了更高的要求，即既要能滿足票卡在正常使用時的各種技術(shù)要求，又要考慮到人們在乘車時的種種不良習(xí)慣動作。只有這樣，才能夠保證產(chǎn)品票卡具有良好的性價比。 
  
結(jié)   論 
  
通過對非接觸IC卡組成部分的分析可知：目前能夠替代軌道交通自動收費(fèi)系統(tǒng)AFC中使用的磁性票卡，較理想的應(yīng)該是采用倒裝技術(shù)、PVC層壓工藝、天線采用繞線天線或者蝕刻天線生產(chǎn)的薄型非接觸IC卡。隨著軌道交通的進(jìn)一步發(fā)展，可以相信這種新產(chǎn)品一定會得到更大的發(fā)展和應(yīng)用。