CN103218648B - 一种近场通信芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场通信芯片。本发明的近场通信芯片包括：主控模块、射频收发模块、磁信号收发模块、集成在芯片上的线圈模块；所述磁信号收发模块用于通过所述线圈模块与外界进行磁信号交互；所述主控模块用于根据所述磁信号收发模块传输的磁信号判断是否开启射频收发模块或者还用于产生磁信号传输给所述磁信号收发模块通过所述线圈模块发送给外界；所述射频收发模块用于与外界进行射频数据交互。本发明的近场通信芯片在芯片上集成了用于收发磁信号的线圈模块，减少卡的***电路，从而减少卡的尺寸。

Description

一种近场通信芯片

技术领域

本发明涉及到芯片集成领域，尤其涉及一种近场通信芯片。

背景技术

随着射频技术的发展，越来越多的射频技术被应用到人们日常生活当中，如公交卡、RF-SIM卡、智能SD卡、校园一卡通。近些年又提出了基于射频技术的移动支付***也越来也被人们所接受。移动支付，也称为手机支付，就是允许用户使用其移动终端(通常是手机)对所消费的商品或服务进行账务支付的一种服务方式。整个移动支付价值链包括移动运营商、支付服务商(比如银行，银联等)、应用提供商(公交、校园、公共事业等)、设备提供商(终端厂商，卡供应商，芯片提供商等)、***集成商、商家和终端用户。

在移动支付***中对于通信距离的控制尤为重要。在当前各种控制移动支付终端与读卡器之间通讯距离的技术方案中，低频磁场耦合是一种灵敏可靠的较优方式。低频磁场耦合通过移动终端与读卡器上各一个线圈完成磁信号的感应收发，信号的感应距离与线圈物理参数成正比。而上述的功能是通过移动终端中的智能卡来实现的；如现在的RF-SIM卡，它既有SIM卡的功能支持移动终端的远距离通信，又有射频卡的功能支持近场通信。由于移动支付的广泛应用人们对卡尺寸大小的大小要求越来越高，在较小的卡中集成大量的功能模块和器件。在运用低频磁场耦合方式中是通过位于卡中的磁线圈来收发磁信号的，该磁线圈在卡中占有一定的面积从而使卡的整体尺寸增大，难以满足人们对卡日趋小型紧凑的应用要求。另一方面用传统印刷电路工艺制作的线圈集成度低为了达到要对磁信号感应的要求，增大线圈的匝数从而使线圈的面积变大，从而使卡的面积也相应增大。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是，提供一种近场通信芯片，能够变相的减小卡的尺寸以及增加线圈感应磁信号的灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种近场通信芯片具体技术方案如下：

一种近场通信芯片，其特征在于，所述近场通信芯片包括：主控模块、射频收发模块、磁信号收发模块、集成在所述近场通信芯片上的线圈模块；所述磁信号收发模块用于通过所述线圈模块与外界进行磁信号交互；所述主控模块用于根据自身接收到的磁信号判断是否开启射频收发模块，所述主控模块还用于磁信号传输给所述磁信号收发模块通过所述线圈模块发送给外界；所述射频收发模块用于与外界进行射频数据交互。

进一步地，所述线圈模块为单层线圈。

进一步地，所述线圈模块由多个位于不同芯片层上的子线圈构成。

进一步地，所述位于相邻两芯片层上的子线圈之间相互并联。

进一步地，所述位于相邻两层上的子线圈通过多个金属化过孔相互并联。

进一步地，所述线圈模块包括多个金属化过孔，所述金属化过孔设置在相邻两个子线圈之间；所述相邻两个子线圈通过所述金属化过孔相互并联。

进一步地，所述位于相同芯片层上的多个金属化过孔构成金属化过孔层；所述位于相邻两个金属化过孔层上的金属化过孔交错布置

进一步地，所述子线圈的材料为铜、铝或者铜铝合金。

进一步地，所述线圈模块中的线圈环绕在所述近场通信芯片的四周，所述线圈的集成采用CMOS IC所采用的光刻工艺，。

进一步地，所述线圈设有引出端，用于引出所述线圈接收到的磁信号。

进一步地，所述线圈下的衬底为NT-N型。

本发明的有益效果是：

本发明的近场通信芯片中集成能接收磁信号的线圈模块可以减少芯片外的电路和元器件，从而减小卡的尺寸；不同芯片层上的子线圈并联，减小线圈的串联等效电阻，增加线圈模块感应磁信号的灵敏度；线圈模块中相邻两层上的金属化过孔交错布置，可以使子线圈并联的效果更佳，减小串联等效电阻；采用NT-N衬底减小涡流，减小能量损耗；设置引出端可以方便磁信号的引出。

附图说明

图1为本发明实施例一的一种近场通信芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例一的一种线圈模块的剖面图；

图3为本发明实施例二的另一种线圈模块的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例二的一种线圈模块的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例二的另一种线圈模块的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

请参考图1，为本实施例近场通信芯片的结构示意图。本实施方式的近场通信芯片包括：主控模块、射频收发模块、磁信号收发模块、集成在所述近场通信芯片上的线圈模块；所述磁信号收发模块用于通过所述线圈模块与外界进行磁信号交互；所述主控模块用于根据所述磁信号收发模块传输的磁信号判断是否开启射频收发模块或者还用于产生磁信号传输给所述磁信号收发模块通过所述线圈模块发送给外界；所述射频收发模块用于与外界进行射频数据交互。其中线圈的集成采用CMOS IC所采用的光刻工艺，可以实现更精系细更高的集成度，在很小的芯片面积上能集成远大于传统印刷电路工艺集成的线圈匝数，提高线圈对磁信号的感应灵敏度。如当前典型CMOS工艺可实现的金属互联线的线宽和线间距在0.1um-0.3um，因此只需在芯片4边向外延伸几百um的空间，就可在其中高密度地制作数百至数千匝的线圈。线圈匝数巨大，结构上串联后形成的螺旋线圈中产生的总磁通可以满足应用要求。整个片上线圈与磁场检测芯片集成后的IC面积远远小于电路板线圈所占面积。

本实施例中的线圈可以是由单个线圈构成，由金属导线在芯片上环绕成螺旋型的线圈。当然本实施例中的线圈可以由多个位于不同芯片层上的子线圈构成。如图2所示，片上集成线圈分为1至7层，在每一层都设置子线圈，然后位于不同层上的子线圈相连组成线圈。

本实施例中线圈模块中线圈的材质可以为铜、铝或铜铝合金。

实施例二：

本实施方式的近场通信芯片是在实施例一的基础上，通过金属化过孔将由多个位于不同层上的子线圈并联。如图3所示，在近场通信芯片的第1、3、7层设置子线圈，在芯片第2、4、6层设置金属化过孔是子线圈并联，图中位于第二层的金属化过孔a、b、c、d、e将位于第一层上的子线圈和位于第三层上的子线圈相并联；同样通过位于第四层的金属化过孔使位于芯片第三层上的子线圈与位于第五层上的子线圈相并联，通过位于第六层上的金属化过孔使位于第五层和位于第七层上的子线圈相并联。通过金属化过孔使位于相邻两层上的子线圈相并联能够减小整个线圈模块的等效电阻的大小，增加线圈模块感应磁信号的灵敏度。

本实施例中还可通过在相邻两层子线圈之间可设置大量的金属化过孔将不同层上的线圈填充成并联结构，位于相同层上的金属化过孔构成金属化过孔层，如图4所示，在图3所示的线圈模块结构的基础上，在第二层上设置大量的金属化过孔，过孔1、2、3、4、5…，有n个过孔填充在近场通信芯片的第二层使得位于与第一层和第三层上的子线圈相并联，芯片第二层包括大量的金属化过孔，所以第二层也可称之为金属化过孔层。由于过孔层通过设置大量的金属化过孔使得线圈的等效电阻进一步减小，进一步提高线圈感应磁信号的灵敏度。

同时为了达到更好的的并联效果光是有大量的过孔是不够的，还得要优化位于不同金属化过孔层上的金属化过孔的布置。本实施例采取交错布置的方案，就是使位于相邻两金属化过孔层的过孔交错布置，如图5所示，在图3所示线圈结构的基础上，将位于芯片第二层上的金属化过孔a、b、c、d与位于芯片第四层上的金属化过孔e、f、g、h交错布置，将位于第四层上的金属化过孔e、f、g、h与位于第六层上的金属化过孔i、j、k、1交错布置。在设置大量金属化过孔同样也是按照与上述图5的类似的方式进行交错布置，也就是说相邻两个金属化过孔层之间进行交错布置。通过设置金属化过孔的排列，使其交错布置，提高线圈的并联效果。

在CMOS工艺中虽然片上集成线圈可以在很小面积内通过高密度和大量匝数产生大的磁通总和，但仍有若干工艺特点会影响其性能。由于IC上金属导线线宽线距比印刷电路小2个数量级，其厚度也同样小1-2个数量级；因此片上互联线的电阻较大。在大多数模混合IC中，电路尺寸很小，片上器件间只需um级的金属互联，其电阻阻值小，对信号传输的影响容易通过一些技术手段克服。而集成片上线圈由总长度很大的互联线串联而成，最终长度与宽度比(即电阻方块数)巨大，因此总等效串联电阻远大于板上线圈。根据感应定理，磁场感应工作时，交变磁场在每一匝线圈上产生分布的感应电动势；当线圈自身串联电阻较大时，在线圈端口所得的感应电流较小，影响磁信号接收的灵敏度；因此必须设法减小线圈电阻。

对于上述的问题本实施例的近场通信芯片在集成线圈时，将通过将不同层次上的子线圈并联，用于减小线圈总电阻。

本实施例中线圈的位置可以设置在芯片的四周减小线圈，减小占用芯片的面积，从而减小芯片的尺寸。当然也可以在芯片上分出一定的面积用于集成线圈。

本实施例近场通信芯片中的线圈可以设置引出端，用于引出磁信号，可以不需要占用芯片封装的I/O接口，方便磁信号的传输。本实施例线圈下的衬底采用NT_N型，利用NT_N型衬底的高阻特性用以减小涡流。

在实际过程中在对过孔包孔时，包孔的距离会影响线宽，从而会影响线圈的总电阻，所以在包孔时，要增大沿布线方向的包孔距离，减小垂直布线方向的包括距离。如在使用array(阵列)结构的孔时，只要包孔的相对方向满足一定的距离，另外的相对两边包孔的距离就可以小一些，可以在沿布线方向包孔的距离大于等于0.06um，则垂直布线方向的包孔距离就可以包0.01um。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种近场通信芯片,其特征在于，所述近场通信芯片包括：主控模块、射频收发模块、磁信号收发模块、集成在所述近场通信芯片上的线圈模块；所述磁信号收发模块用于通过所述线圈模块与外界进行磁信号交互；所述主控模块用于根据自身接收到的磁信号判断是否开启射频收发模块，所述主控模块还用于磁信号传输给所述磁信号收发模块通过所述线圈模块发送给外界；所述射频收发模块用于与外界进行射频数据交互；所述线圈模块中的线圈环绕在所述近场通信芯片的四周；

所述线圈模块包括多个位于所述近场通信芯片的不同芯片层上的子线圈,位于相邻两芯片层上的子线圈通过设置在两个子线圈之间的多个金属化过孔相互并联；且所述多个金属化过孔沿布线方向的包孔距离大于垂直布线方向的包孔距离。

2.如权利要求1所述的近场通信芯片，其特征在于，所述位于相同芯片层上的多个金属化过孔构成金属化过孔层；所述位于相邻两个金属化过孔层上的金属化过孔交错布置。

3.如权利要求2所述的近场通信芯片，其特征在于，所述子线圈的材料为铜、铝或铜铝合金。

4.如权利要求1-3任一项所述的近场通信芯片，其特征在于，所述线圈的集成采用CMOSIC所采用的光刻工艺。

5.如权利要求4所述的近场通信芯片，其特征在于，所述线圈设有引出端，用于引出所述线圈接收到的磁信号。

6.如权利要求5所述的近场通信芯片，其特征在于，所述线圈下的衬底为NT-N型。