薄型非接觸IC卡的結構分析及其在AFC系統中的應用

文章出處：http://5052h112.com 作者：卡市場   人氣： 發表時間：2011年09月17日

一、簡介 
  
隨著我國地鐵等軌道交通的迅速發展，以AFC方式收費的模式已被廣泛接受和采納。但是隨著電子技術的發展和非接觸IC卡的興起，使得以磁卡方式收費的AFC系統存在的缺點也日益突出了。其主要表現有：磁卡保密性差、容量小、進出站檢票機結構復雜等，以致使整個AFC系統投資昂貴且維護費用比較高。為此，運營商深感窘迫，急切需要一種新的產品能夠替代現有的磁卡。這種新產品要求具有：存儲容量大、保密性高、相應的讀寫機具結構簡單、維護方便等優點；同時還要保持像磁卡一樣的厚度、并能滿足柔性傳輸等優點。根據這些要求，我們認為標準的非接觸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。所以要想使標準非接觸IC卡滿足柔性傳輸的要求，則其必須要在保持非接觸IC卡優點的同時，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的一種新產品。 
  
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卡的組成和標準非接觸IC卡的組成一樣，都是由芯片、卡基材料、天線等部分組成，但是根據具體使用情況的不同，也各有區別。現分別討論如下： 
  
1. 芯片封裝形式的選擇 
傳統的非接觸IC卡生產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的。如果要生產薄型非接觸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，這就為生產薄型非接觸IC卡創造了一個有利的條件。 
  
（1）模塊封裝的主要生產工藝（如圖1所示）：其生產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環節，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0.3mm左右。 
  
（2）為了更詳細地分析這兩種形式的不同，下面通過結構示意圖來簡單介紹。圖2a、2b是模塊封裝和倒裝連接(FLIP CHIP)的結構對比，從圖中可以看到：模塊封裝結構比倒裝連接要復雜。在圖2a中，和金線相連的基材一般是芯片的引腳，在生產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進行碰焊，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，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工序。而且還能夠實現焊區與焊區直接導連，減小了其互連產生的雜散電容、互連電阻及互連電感。簡化了生產過程，提高了非接觸IC卡的可靠性。同時由于采用芯片直連技術，就使得生產出的天線層（inlay）在厚度上一般能夠控制在0.26mm以內，為生產厚度0.5mm的非接觸IC卡奠定了較好的基礎。 
  
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，這樣的結構形式就是FCP形式，采用這種結構，同樣可以生產厚度在0.26mm的天線層。 
  
（3）倒裝連接是一種新的內連(interconnect)技術，目前在半導體行業中有著比較廣泛的應用。雖然在生產非接觸IC卡中采用的倒裝技術（圖2b中基材是天線觸點的情況）是來自半導體行業，但還是有一些比較大的區別。表1中簡單列舉了在非接觸IC卡和半導體行業生產中應用倒裝技術的一些區別。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，它是根據采用基材的特性和芯片的種類來考慮的。 
  
根據上面的分析可知，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，采用這種技術可以生產更薄的非接觸IC卡（厚度甚至能夠達到0.4mm或者更薄）。同時采用倒裝工藝也是IC卡行業今后的發展方向之一。 
  
2. 卡基材料的選擇 
  
目前，在生產非接觸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用做一簡單介紹： 
  
（1）PVC（學名聚氯乙稀），是目前生產非接觸IC卡中常用的材料，它的軟化點（Vicat）點一般在50~700℃之間，PVC的熱溫定性稍差，當它加熱到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。所以在常規生產的工藝參數中，溫度一般都控制在1700℃以內。由于這種材料在適當的加熱、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卡的行業中得到了廣泛的應用。采用這種材料來生產單程票也是可行的。但是由于PVC的強度、耐磨性等方面不如PET，所以在卡片的厚度上不能生產出像磁卡（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度和耐磨性。 
  
（2）PET（學名聚對苯二甲酸乙二醇酯），軟化范圍在230～240℃，熔點在255～260℃，具有比較好的抗彎性、耐磨性等特點。但是在目前的技術條件下，還達不到像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，大多數情況下是采用雙面膠作為粘結的材料來解決這個問題。也有生產廠家采用價格比較高的熱固性膠來作為粘結材料，但是這樣就會增加產品的成本。同時，如果采用PET生產單程票的話，在層壓工序時采用生產非接觸IC卡的工藝參數時，就不能像PVC在加熱時會軟化延伸來填補空隙。所以，即使其層壓后卡基的厚度能夠達到0.4mm以下，而其中芯片位置的厚度仍然遠遠大于這個數值。 
  
（3）紙作為一種生產非接觸IC卡的材料，價格相對便宜，一般是用來生產電子標簽，如果作為單程票，就需要解決防潮及卡基強度等問題。 
  
根據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點，但是生產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。傳統的非接觸IC卡中大多數都采用繞線天線，少數采用蝕刻天線，通過使用實驗證明，這種蝕刻天線性能穩定，技術上比較成熟。而印刷天線則是采用導電銀漿通過絲網印刷來制作的，這種天線存在著彎折時其線圈電阻值會改變的缺點，用這種天線生產的單程票在發卡時一般會發生信號不穩定的情況（通常100張中有差不多2~4張有問題，比例占2~4％）。這類絲網印刷的天線一般是用在電子標簽中。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，僅供研發和生產薄型非接觸IC卡的廠商參考。考慮到這種新型薄型非接觸IC卡在軌道交通中的具體使用環境，即乘客在乘車時使用票卡的情況也應該有所了解。經過觀察統計發現： 
  
乘客在乘車的時候，多數都會把票卡放進口袋等地方保存好，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： 
  
a. 刮汗。這種情況在夏天的時候尤其明顯，他們把票卡當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，當手里拿著票卡的時候，就有可能暫時把票卡當作消磨時間的工具，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生報廢。 
  
以上幾點是人們在乘車時可能會出現的情況，其中有些動作對票卡造成的損傷情況可能遠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要求，又要考慮到人們在乘車時的種種不良習慣動作。只有這樣，才能夠保證產品票卡具有良好的性價比。 
  
結   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系統AFC中使用的磁性票卡，較理想的應該是采用倒裝技術、PVC層壓工藝、天線采用繞線天線或者蝕刻天線生產的薄型非接觸IC卡。隨著軌道交通的進一步發展，可以相信這種新產品一定會得到更大的發展和應用。