FR2996944A1

FR2996944A1 - Module electronique simplifie pour carte a puce a double interface de communication

Info

Publication number: FR2996944A1
Application number: FR1202740A
Authority: FR
Inventors: Bernard Calvas; Halim Bousmaha
Original assignee: Smart Packaging Solutions SAS
Current assignee: Smart Packaging Solutions SAS
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2014-04-18
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: WO2014060659A1; PH12015500827A1; FR2996944B1; US20150269476A1; EP2907084A1; CN104995642A

Abstract

L'invention concerne un module électronique (21) à double interface de communication à contact et sans contact, notamment pour carte à puce, ledit module comportant d'une part un substrat (8) présentant sur une première face un bornier de contacts électriques (35) permettant un fonctionnement par contact avec les contacts correspondants d'un lecteur de carte à puce, et comportant sur une seconde face une antenne (3) pourvue d'au moins une spire et une puce microélectronique (2) enrobée par une goutte de résine isolante (7) et pourvue d'une interface de communication sans contact, ladite antenne comportant un plot de connexion proximal (4) et un plot de connexion distal (5) destinés à être connectés aux bornes correspondantes (30,31) de ladite interface de communication sans contact de la puce (2), caractérisé en ce que les deux plots de connexion proximal (4) et distal (5) de l'antenne (3) sont disposés à l'intérieur de la zone d'encapsulation par une résine isolante (7), de façon à réaliser un pontage conducteur entre chaque plot de connexion proximal (4) ou distal (5) et la borne correspondante (32,31) de la puce, directement par l'intermédiaire de fils de connexion (12) entre lesdits plots de connexion (4,5) et les bornes correspondantes (32,31) de la puce, sans utiliser de vias.

Description

Module électronique simplifié pour carte à puce à double interface de communication L'invention concerne un module électronique à double interface de 5 communication à contact et sans contact, et une carte à puce intégrant un tel module. Etat de la technique Il existe déjà dans l'état de la technique, des cartes à puce à Io fonctionnement mixte avec contact et sans contact. La plupart présente un module microélectronique pourvu de contacts, ledit module ayant une interface de communication radiofréquence connectée aux bornes d'une antenne qui est elle-même réalisée dans le corps de carte, et non pas sur le module lui-même. Ainsi, la plupart des cartes à double interface de communication 15 conformes à l'état de la technique sont constituées : - d'un module électronique comportant une puce microélectronique, un bornier de connexion à contact destiné à être mis en contact avec les bornes correspondantes d'un lecteur de carte à puce à contact, et deux contacts situés en face arrière permettant la connexion à l'antenne. 20 - d'une carte en matière plastique, comportant une antenne - d'un matériau électriquement conducteur permettant la connexion entre le module électronique et l'antenne. Cette structure a souvent posé une série de problèmes de réalisation de la connexion mécanique entre l'antenne et le module, induisant des pertes de 25 fiabilité ou de rendement de fabrication. Les procédés d'interconnexion entre module et antenne utilisés limitent par conséquent fortement la fiabilité de la carte finale. En effet, les sollicitations mécaniques et thermiques imposées à la carte lors de son utilisation entraînent des ruptures de la connexion entre le module et l'antenne, ou des augmentations 30 fortes de la résistance électrique de cette connexion, entraînant une perte de performance de la carte au cours de l'utilisation. 2 2996944 Ainsi, ce type de cartes ne peut pas être garanti sur un temps d'utilisation très long (>5 ans par exemple), ce qui limite les applications disponibles pour ce type de cartes. Pour pallier à ces problèmes de fabrication, on a pensé dans un autre type connu de carte à puce, à intégrer l'antenne directement sur le module microélectronique, et à ensuite simplement reporter le module dans un corps de carte à puce, ce qui est aisé à réaliser avec un faible coût et une grande fiabilité avec la plupart des machines d'encartage classiques utilisées pour la fabrication des cartes à puce à contact.

Cependant, un problème résiduel est apparu, même avec les modules les plus évolués connus dans l'état de la technique, dans la mesure où les contacts électriques du bornier sont situés sur une face du substrat, et les spires de l'antenne sont situées sur la face opposée du substrat, ce qui impose la réalisation de vias métallisés entre les deux faces du substrat pour parvenir à connecter les bornes de la puce, aux contacts électriques du bornier du module, et aux bornes de l'antenne situées sur la face opposée. Ces vias permettent la réalisation d'un pont de connexion électrique, ou « strap » en terminologie anglosaxonne, constitué de deux vias reliés entre eux par une connexion électrique qui enjambe les spires de l'antenne et relie le plot de connexion d'antenne le plus excentré, ou plot distal, à un plot de connexion proximal de l'antenne, situé à proximité de la borne de l'interface de communication sans contact de la puce. Cette disposition permet d'une part de connecter les fils de connexion à la puce de façon standard en terme de hauteur de boucle et de longueur de fils, et d'autre part d'offrir une zone de collage périphérique sur le module qui soit suffisante pour son report ultérieur sur le corps de carte. Mais cette structure utilisant des straps pose également une série de problèmes de réalisation du module électronique. En effet, le fait d'utiliser un substrat doté de vias est une structure couteuse, car pour réaliser les vias il faut d'abord percer des trous dans le substrat, puis 30 nettoyer les perçages, activer les flancs des trous au carbone ou au palladium pour les rendre conducteurs afin de permettre leur métallisation dans une étape 3 2996944 ultérieure, puis terminer le via et ainsi raccorder électriquement les deux faces du substrat. On sait que la métallisation des vias va induire une augmentation de l'épaisseur du cuivre pouvant atteindre 20 microns de chaque côté du substrat, ce 5 qui est souvent critique pour les produits minces que sont les modules pour cartes à puce. En outre, les étapes de fabrication des vias introduisent des étapes supplémentaires de revues de qualité et des diminutions du rendement global de fabrication, ce qui conduit à un coût unitaire accru par rapport à un produit qui io serait dépourvu de vias. Buts de l'invention Un but général de l'invention est par conséquent de proposer un module électronique à double interface de communication à contact et sans contact, qui 15 soit dépourvu des inconvénients précités. Un autre but de l'invention est de proposer un module électronique à double interface de communication à contact et sans contact qui soit d'une fabrication plus simple et d'un coût moindre que les modules connus, sans nuire au niveau de fiabilité élevé. 20 Un but particulier de l'invention est de proposer un module électronique pour carte à puce à double interface de communication à contact et sans contact, ne nécessitant pas d'interconnexions ou de vias entre les faces du substrat. Résumé de l'invention 25 Selon l'invention, le module électronique comporte une modification de la conception d'antenne incluant une zone de décrochement des spires en direction de la puce et de sa goutte de résine de protection, et les deux plots de connexion de l'antenne, à savoir le plot distal et le plot proximal, sont tous deux situés dans la zone de la goutte d'encapsulation (ou de tout autre moyen de protection ou d'encapsulation équivalent), ce qui permet de connecter les bornes de l'interface sans contact de la puce avec les plots de connexion de l'antenne sans avoir recours 4 2996944 à des vias métallisés ou à tout autre type de connexion électrique entre les faces du film. Ainsi, la fonction sans contact du module est exclusivement située sur la face antérieure du module, qui supporte l'antenne, la puce et leurs interconnexions, 5 les contacts ISO 7816 étant situés sur la face opposée. L'invention a par conséquent pour objet un module électronique à double interface de communication à contact et sans contact, notamment pour carte à puce, ledit module comportant d'une part un substrat présentant sur une première face un bornier de contacts électriques permettant un fonctionnement par contact io avec les contacts correspondants d'un lecteur de carte à puce, et comportant sur une seconde face une antenne pourvue d'au moins une spire et une puce microélectronique située dans une zone d'encapsulation et pourvue d'une interface de communication sans contact, ladite antenne comportant un plot de connexion proximal et un plot de connexion distal destinés à être connectés aux bornes 15 correspondantes de ladite interface de communication sans contact de la puce, caractérisé en ce que les deux plots de connexion proximal et distal de l'antenne sont disposés à l'intérieur de la zone d'encapsulation, de façon à réaliser une connexion électrique directe entre chacun des plots de connexion proximal ou distal et la borne correspondante de la puce, sans utiliser de vias, et en ce que cette 20 connexion électrique directe est également située dans la zone d'encapsulation de la puce. Selon une variante de réalisation du module, l'antenne est au moins en partie disposée sous la puce et le pontage conducteur entre les plots de connexion proximal et distal de l'antenne est alors réalisé directement par la puce et par les 25 fils conducteurs reliant le plot de connexion distal à la puce, et reliant la puce au plot de connexion proximal. Avantageusement, afin de garder les deux plots de connexion proximal et distal de l'antenne à l'intérieur de la zone d'encapsulation de la puce, l'invention prévoit que les spires de l'antenne, qui sont normalement situées en périphérie du 30 module, comportent au voisinage du plot de connexion le plus éloigné de la puce (plot distal), un décrochement localisé des spires s'étendant en direction de la puce, 5 2996944 de façon à permettre la connexion dudit plot de connexion distal à la borne correspondante de la puce, à l'intérieur de la zone protégée par l'encapsulation. De cette manière, on garde les zones de connexion de l'antenne (« pad » en terminologie anglo-saxonne) et la fonction de communication radiofréquence sur 5 une seule face du substrat du module, sans avoir à passer par l'autre face par un strap. Cela permet en particulier de connecter directement l'interface sans contact de la puce microélectronique avec les plots de connexion de l'antenne, sans utiliser de vias ou autres connexions électriques entre les deux faces opposées du substrat. Dans une variante de réalisation, il est possible que les spires de l'antenne io passent elles-mêmes au voisinage de la puce sur un côté du module, sans décrochement localisé à partir de la périphérie du module en direction de la puce. Dans ce cas, les spires risquent de recouvrir les puits de connexion entre les bornes de l'interface à contact de la puce, et les contacts ISO du module. Afin d'éviter cela, l'invention prévoit dans cette variante, que les spires 15 comportent des déviations localisées pour leur faire contourner lesdits puits de connexion aménagés entre les bornes de l'interface à contact de la puce, et des bornes de connexion ISO du module. Selon une autre variante avantageuse de l'invention, l'antenne est configurée en deux nappes de spires en série, à savoir une nappe externe proche 20 de la périphérie du module et une nappe interne plus proche de la puce, et au moins la nappe interne étant pourvue d'un décrochement et d'une borne de contact située dans la zone d'encapsulation, de manière à pouvoir connecter à la puce lors de la réalisation du module, uniquement la nappe interne (31) ou les deux nappes (31, 3e) de spires. 25 Cette possibilité de connecter deux nappes de spires en série permet aussi de choisir les caractéristiques de l'antenne en fonction de l'impédance d'entrée de l'interface de communication sans contact de la puce microélectronique. Selon une autre variante avantageuse de l'invention, l'antenne est disposée en partie sous la puce, de façon à rapprocher le plot de connexion distal de 30 l'antenne de la zone d'encapsulation de la puce (formée notamment par une goutte de résine isolante), de façon à obtenir une surface encapsulée réduite et des fils d'interconnexion plus courts entre les plots de connexion de l'antenne et les bornes de l'interface sans contact de la puce. Selon une variante supplémentaire de l'invention, la puce peut être disposée dans une fenêtre aménagée dans l'épaisseur du substrat, de façon à obtenir un module d'épaisseur inférieure à ou de l'ordre de la somme des épaisseurs de la puce et du substrat, ce qui permet d'adapter le module selon l'invention aux besoins des produits très fins, le module ayant alors une épaisseur inférieure à 350 micromètres environ. L'invention a également pour objet une carte à puce comprenant un module io électronique perfectionné et simplifié selon les caractéristiques ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée et des dessins annexés dans lesquels : - les figures 1A et 1B illustrent respectivement une vue en plan et en coupe d'un module électronique à double interface de communication conforme à 15 l'état de la technique, notamment pour carte à puce ; - les figures 2A et 2B à 2E illustrent respectivement une vue en plan et plusieurs vues en coupe d'un module électronique à double interface de communication conforme à l'invention ; - la figure 3 illustre une vue en plan d'une variante de module électronique 20 de la figure 2. Description détaillée Comme indiqué plus haut, les figures lA et 1B montrent un module électronique 1 connu, incluant une puce 2 collée à l'aide d'une couche de colle 13 25 sur un substrat 8 comportant une couche d'isolant 16. La puce 2 est connectée d'une part à un bornier de contacts électriques (non représentés) situés sur la face du module opposée à celle qui porte la puce, ces contacts étant destinés à assurer le fonctionnement en mode contact avec un lecteur à contact. Cette connexion se fait par des vias conducteurs 11 bien connus, qui permettent de relier 30 électriquement des points situés sur les faces opposées du module, et que la présente invention cherche à supprimer.

La puce 2 est connectée d'autre part à une antenne 3 localisée dans un corps de carte ou directement sur le module, de façon à assurer une communication radiofréquence avec un lecteur de carte à puce sans contact, non représenté.

La connexion électrique entre l'antenne et les plages de contact prévues sur le module est effectuée par l'intermédiaire de plots de connexion 4,5 et d'une piste conductrice 6, réalisés en un matériau électriquement conducteur. Les contacts électriques du bornier sont situés sur une face du substrat 8 du module, et les spires de l'antenne 3 du module microélectronique et la puce 2 sont to situées sur la face opposée du substrat. Comme on le voit, les spires de l'antenne 3 sont dans l'état actuel de la technique intégralement situées le long de la périphérie du module, ce qui permet de maximiser la surface d'antenne et par conséquent la portée de la communication radiofréquence entre le module 1 et un lecteur sans contact distant. 15 Dans cette configuration, les plots de connexion 4,5 de l'antenne 3 sont situés en dehors de la zone d'encapsulation 7 représentée en trait hachuré et correspondant souvent en pratique à la surface d'une goutte de résine isolante encapsulant et protégeant la puce. Le plot de connexion distal 5 de l'antenne, correspondant à l'extrémité d'antenne la plus éloignée de la puce, est connecté à 20 un via 10, lui-même connecté à une piste 6 connectée au plot de connexion proximal 4 de l'antenne (à savoir le plot de connexion la plus proche de la puce), par l'intermédiaire d'un autre via 9. La piste 6 fait ainsi office de pontage conducteur pour passer au-dessus des spires de l'antenne 3 et ramener le plot de connexion distal de l'antenne à proximité de la borne de la puce correspondante. 25 L'ensemble constitué par la piste 6 et les deux vias 9,10 constitue donc un pontage conducteur qui est communément appelé un « strap » en terminologie anglo-saxonne. La figure 1B représente une coupe du module de la figure 1, le long d'un trait de coupe fictif traversant les vias 9,10 et la piste de connexion 6. Dans la 30 partie supérieure de la Figure 1B, les vias 9,10 sont borgnes, alors que dans la Figure 1B inférieure, ils sont débouchants.

On a représenté aussi la couche de métal parasite 14 qui est due à la réalisation des vias 9,10 par métallisation. En outre, comme cela a été expliqué plus haut, la réalisation de la piste 6 et des vias 9,10 entraine des surcoûts et des pertes de rendement de fabrication, que l'invention vise à supprimer. On se réfère maintenant à la figure 2 correspondant à plusieurs modes de réalisation du module électronique selon l'invention. On a représenté dans ces figures un module électronique 21 conforme à l'invention, en vue de dessous (figure 2A), c'est-à-dire une vue du côté de la puce et de l'antenne, et des vues en io coupe (figures 28 à 2E) selon différents plans de coupe montrant le détail des variantes. Comme représenté sur la figure 2A, le plot de connexion distal 5 de l'antenne est ramené à l'intérieur de la zone d'encapsulation matérialisée par la ligne 27. Afin de ramener ce plot distal 5 dans la zone d'encapsulation, sans utiliser de 15 via ni de strap, l'invention prévoit de dévier localement toute la nappe de spires de l'antenne 3 au voisinage du plot distal 5, en direction de la puce. Ainsi, l'antenne 3 forme un décrochement localisé 40 s'étendant à partir de la périphérie du module 21 vers le centre du module, et les spires de l'antenne passent localement sous la zone des contacts ISO du module. 20 On a également représenté sur cette figure 2A les puits d'interconnexion 23 qui sont des ouvertures dans le substrat permettant d'amener des fils de connexion 22 entre les bornes de l'interface à contact de la puce et les contacts métalliques ISO 35 situés sur la face opposée du module. En figure 2B, qui correspond à une coupe selon B-B de la figure 2A, on voit 25 en particulier un fil de connexion 22 entre l'interface à contact 25 de la puce, et un contact ISO 35, à travers un puits d'interconnexion 23 (ou puits de « bonding » en terminologie anglosaxonne) aménagé dans le diélectrique 16 du substrat. En figure 2C, qui correspond à une coupe selon C-C de la figure 2A, on a représenté un fil de connexion métallique 12 entre l'interface sans contact 30 de la 30 puce 2, et le plot de connexion proximal 4 de l'antenne, à savoir le plot de connexion de l'antenne qui correspond à l'extrémité de la spire d'antenne qui est la plus proche de la puce. Comme on le voit, ce plot proximal 4 est située à l'intérieur de la zone d'encapsulation 7, de sorte que le fil 12 en question est un simple fil métallique direct ne nécessitant aucun via. En figure 2D, qui correspond à une coupe selon D-D de la figure 2A, on a représenté un fil 12 de connexion métallique entre l'interface sans contact 32 de la puce, et le plot de connexion distal 5 de l'antenne, à savoir le plot de connexion externe de l'antenne qui correspond à l'extrémité de la spire d'antenne qui est la plus éloignée de la puce. Comme on le voit, à la différence des modules selon l'état de la technique, ce plot distal 5 est également situé à l'intérieur de la zone d'encapsulation 7, de sorte que le fil 12 en question est également une connexion io électrique directe, par exemple un simple fil métallique direct, ne nécessitant aucun via. Ce résultat est obtenu grâce au décrochement 40 de la nappe de spires à partir de la périphérie du module, vers la zone d'encapsulation de la puce, tel que visible sur la figure 2A. 15 En figure 2E, on a représenté une figure similaire aux figures 2B à 2D, avec la différence que la nappe de spires d'antenne 3 qui est déviée vers la puce (le décrochement 40) s'étend jusque sous la puce 2, ce qui permet de diminuer la taille de la zone d'encapsulation 7 et de raccourcir encore la longueur des fils de connexion 12 entre antenne et puce. 20 Selon une autre variante de l'invention (non représentée) qui convient bien aux modules très fins, la puce 2 peut être disposée dans une fenêtre aménagée dans l'épaisseur du substrat 8, de façon à obtenir un module 21 d'épaisseur inférieure à la somme des épaisseurs de la puce 2 et du substrat 8. On se réfère à la figure 3 qui montre une vue en plan similaire à la figure 2A, 25 mais la nappe de spires d'antenne 3 est subdivisée en deux nappes en série, à savoir une nappe externe 3e située en périphérie du module, et une nappe interne 3i située entre la nappe externe et la zone d'encapsulation de la puce. Selon cette variante de l'invention, seule la nappe interne 31 comporte un décrochement en direction de la puce, ainsi qu'un plot de contact distal 5 situé dans 30 la zone d'encapsulation. L'antenne utilisée est alors, en fonction des connections réalisées, soit uniquement l'antenne formée par les nappes internes de spires, soit celle formée par les nappes internes et externes en série.

Cela permet notamment de choisir une valeur de self-inductance qui soit la mieux adaptée, en fonction de la capacité d'entrée de la puce utilisée. Cette option permet donc de réaliser un module à usage plus universel, pour l'assemblage physique de plusieurs types de puce, et de sélectionner la caractéristique électrique de l'antenne par la connexion au nombre de spires d'antenne adéquat. Avantages de l'invention En définitive, l'invention propose une conception de module, notamment de io module pour carte à puce, particulière en ce qu'elle permet l'économie d'interconnexions et de vias entre les faces du film, tout en permettant un assemblage classique du module. Ceci permet de diminuer le coût de fabrication des modules pour cartes à puce à double interface de communication, et d'en augmenter la fiabilité puisque 15 des étapes de fabrication sont supprimées.

Claims

REVENDICATIONS1. Module électronique (21) à double interface de communication à contact et sans contact, notamment pour carte à puce, ledit module comportant d'une part un substrat (8) présentant sur une première face un bornier de contacts électriques (35) permettant un fonctionnement par contact avec les contacts correspondants d'un lecteur de carte à puce, et comportant sur une seconde face une antenne (3) pourvue d'au moins une spire, et une puce microélectronique (2) protégée par une zone d'encapsulation (7) et pourvue d'une interface de communication sans contact, ladite antenne (3) comportant un plot de connexion proximal (4) et un plot de connexion distal (5) destinés à être connectés aux bornes correspondantes (30,31) de ladite interface de communication sans contact de la puce (2), caractérisé en ce que les deux plots de connexion proximal (4) et distal (5) de l'antenne (3) sont disposés à l'intérieur de la zone d'encapsulation (7), et en ce qu'une connexion électrique (12) relie chaque plot de connexion proximal (4) ou distal (5) de l'antenne (3) à la borne correspondante (32,31) de la puce, sans utiliser de vias.
2. Module électronique (21) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne (3) est au moins en partie disposée sous la puce (2) et en ce que ladite connexion électrique (12) entre les plots de connexion proximal (4) et distal (5) de l'antenne et les bornes correspondantes (32, 31) de l'antenne est réalisé directement par la puce et par une connexion électrique (12) reliant le plot de connexion distal (5) à la puce, et la puce au plot de connexion proximal (4).
3. Module électronique (21) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les spires de l'antenne (3) sont situées en périphérie du module et en ce que, pour amener le plot de connexion distal (5) de l'antenne à l'intérieur de la zone d'encapsulation (7), les spires de l'antenne (3) comportent, au 30 voisinage du plot de connexion distal (5), un décrochement localisé (40) orienté en direction de la puce, de façon à permettre la connexion entre ledit plot de connexion distal (5) et la borne correspondante de la puce, à l'intérieur de la zone d'encapsulation (7).
4. Module électronique (21) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les spires de l'antenne (3) traversent sur au moins un côté du module, la zone d'encapsulation (7), et en ce qu'elles comportent des déviations localisées des spires pour leur faire contourner des puits de connexion (23) aménagés entre les bornes (30,31) de l'interface à contact de la puce, et des io bornes de connexion ISO du module.
5. Module électronique (21) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne (3) est configurée en deux nappes de spires en série, à savoir une nappe externe (3e) proche de la périphérie du module 15 et une nappe interne (31) plus proche de la puce (2), au moins la nappe interne (31) étant pourvue d'un décrochement et d'une borne de contact située dans la zone d'encapsulation, de manière à pouvoir connecter à la puce lors de la réalisation du module, uniquement la nappe interne (3i), ou les deux nappes (3i, 3e) de spires.
6. Module électronique (21) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne (3) est disposée en partie sous la puce (2), de façon à rapprocher le plot de connexion distal (5) de l'antenne de la zone d'encapsulation (7), de façon à obtenir une surface encapsulée réduite et une connexion électrique (12) plus courte entre les plots de connexion (4,5) de l'antenne et les bornes (30,31) de l'interface sans contact de la puce.
7. Module électronique (21) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puce (2) est disposée dans une fenêtre aménagée dans l'épaisseur du substrat (8), de façon à obtenir un module (21) 30 d'épaisseur inférieure à ou de l'ordre de la somme des épaisseurs de la puce (2) et du substrat (8).
8. Carte à puce à double interface de communication à contact et sans contact, caractérisé en ce qu'il comporte un module électronique (21) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.