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面向安全芯片的创新“带线圈的模块”芯片封装技术

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以更加简单、快速、经济划算的方式生产强健的双界面卡

 文:

Kurt Mayer,英飞凌科技股份公司芯片卡与安全部总监

Wolfgang Schindler,英飞凌科技股份公司芯片卡与安全部

针对双界面银行卡和信用卡,英飞凌以感应耦合技术为基础,推出了富于创新、面向未来的“带线圈的模块”芯片封装技术。双界面卡不仅可用于接触式应用,如传统银行卡。在配备了适当装置的收银台,消费者也可使用双界面卡来进行非接触式支付。简而言之,双界面卡既支持接触式支付应用,又支持非接触式支付应用,从而提升了消费者的用户体验。

过去,双界面卡的生产成本一直相对偏高。这是因为芯片模块与卡天线之间的连接需要通过若干道生产工序才能实现,而这一连接的质量对最终产品的性能至关重要。新的“带线圈的模块”芯片封装具备集成式天线,一改过去使用的那种更为昂贵的机械电气连接,采用无线技术(感应耦合)来与卡天线进行通信。这不仅显著改善了支付卡的强健性,而且简化了支付卡的设计和生产过程,使之比传统技术的生产效率更高,生产速度更快。
 
非接触式交易快速、简便,因而也对零售业和公共交通应用极具吸引力。这样一来,双界面卡将在非现金交易中发挥越来越重要的作用。归功于集成在卡中的天线,双界面卡既可实现接触式支付,又可支持非接触式支付。利用双界面卡解决方案,银行和金融机构可以顺应非接触式支付应用发展趋势,提供安全、可靠的交易手段。目前正在中国和美国进行的从磁条卡向基于芯片的EMV卡迁移的过程,将助长这一发展趋势。

据HIS旗下IMS Research称,截至2012年年底,全球范围内共有6.72亿张双界面卡投入使用,在全球智能支付卡市场上占有19%的份额。今后5年内,该预测数字将激增71%,即到2017年年底增至61亿张。

芯片模块与天线之间的连接

双界面卡是基于单片机,兼具接触式界面和非接触式界面的芯片卡。与具备两颗半导体芯片的所谓混合卡不同的是,双界面卡只有一颗安全芯片,其中保存了卡主的个人资料,并可通过这两个界面进行通信。在接触式交易中,双界面卡利用读卡器与芯片模块的ISO触点之间的机械接触交换数据。在非接触式交易中,双界面卡的卡天线可以与收银台配备的读取装置进行无线通信。

芯片模块与卡天线之间的连接,是当前市场上的各种双界面卡的生产中面临的最严峻的挑战之一。这是因为芯片模块通常是采用诸如焊接或导电膏等机械电气方式,将芯片模块连接至卡天线。基于感应耦合技术的新的“带线圈的模块”芯片封装技术,不需要进行这道工序,节省了相关生产成本。

芯片模块上的天线与卡天线之间的感应耦合开启了双界面卡产品的新时代。具备集成式天线的芯片模块被植入卡中,因而无需在模块与卡天线之间实现导电连接。双界面卡将数据从芯片模块发送至基于感应耦合技术的卡天线,然后卡天线负责实现与读卡器之间的通信。

这种生产方式带来了诸多益处。首先,它简化了生产过程,从而提高了生产效率。与此同时,所生产的卡产品更为强健,因为芯片模块与卡天线之间再也没有可能被机械力量破坏的物理接触点。

在总体设计和制造过程方面的优势

制造双界面卡的典型生产工序是:印制卡体,采用层压法将天线嵌入卡体,冲压单独的卡片,铣出用于放置芯片模块的槽,植入芯片模块,个性化和压花处理(电气、图形),最终检查和试验。

在这个生产流程中,除更加简便地植入芯片模块之外,使用基于感应耦合技术的“带线圈的模块”封装还有许多其他重要优势。包括具备灵活的使用选项,优化了卡天线设计,减小了模块厚度,并且有史以来第一次,允许使用接触式卡生产设备来制造双界面卡。因此,简化了生产流程,减轻了卡制造商在库存管理以及设计和试验方面的工作量,并且从总体上降低了生产成本。

优化天线设计

在双界面卡的传统生产过程中,卡天线设计必须针对相应的芯片模块进行调整。与之相反的是,现在“带线圈的模块”封装允许各种芯片/模块组合均使用相同型号的卡天线。

在这方面,关键标准是芯片模块天线与嵌入芯片卡中的卡天线之间的连接。为了与读卡器之间实现尽可能最好的非接触式通信,这两个装置必须相互优化协调。在芯片卡生产过程中,采用标准层压工艺,将卡天线集成到卡体中。可利用适用于接触式卡的一般设备,将具备集成式天线的完整的“带线圈的模块”芯片封装植入卡中。

得益于模块的优化设计,加上模块兼具芯片和天线,因此推出新一代芯片时,可以轻松更换模块中的卡天线和芯片类型,而不会对电气非接触式连接性能产生任何影响。

其他解决方案则不是这样,往往要求花费高昂成本对新的芯片/模块和卡天线组合进行调整。

为了确保提供适当的传输质量,天线的优化“工作点”对实现最优性能至关重要。必须深入掌握专门知识,才能相应地设计天线的形状和布局。在开发“带线圈的模块”技术的过程中,英飞凌充分发挥了其广博的高频技术专长,多年来在开发芯片卡模块方面积累的丰富经验,以及对芯片卡市场上的各种系统的深刻理解,打造出精心优化的模块,为卡天线设立了设计标准。

就天线设计而言,同样值得注意的是,压花(如,凸出的信用卡号数字)是支付卡以及其他芯片卡应用必不可缺的特性。因此,必须将敏感的天线印制线和与芯片模块之间的连接置于压花区之外,以避免对芯片卡的性能和可靠性造成任何影响。

轻松、可靠地嵌入芯片模块                                                                    

采用传统双界面卡生产技术,必须在铣出模块槽之后,以机械方式将模块和天线连接起来。过去使用的连接方法包括导电胶(如,银膏)或将天线焊接到模块上。然而,由于材料成本很高,并且工艺难以控制,这两种方法都有诸多限制。采用焊接方法时,通常是在插入芯片模块之后,将焊膏涂敷到两个天线触点上并利用激光加热,以电气方式将之连接至芯片模块的触点。然后,使用热熔性粘胶在芯片模块与芯片卡之间实现机械连接。精确涂敷焊膏是一个关键步骤,对连接质量至关重要。

如前所述,采用“带线圈的模块”芯片封装不需要机械触点,因此无需进行这个复杂的生产工序。

减小模块厚度

“带线圈的模块”芯片封装技术允许将模块厚度减小至最小470微米。相比于最先进的“顶部包封”模块,其厚度减小了约20%,并且在卡设计方面带来了另外的优点。卡背面用于植入模块的铣樔区厚得多。这意味着对卡背面铣樔区的外观影响大大降低。

利用现有设备进行生产

接触式卡的生产已经有很长一段时间,许多制造商都对生产系统做了适当的投资。生产双界面卡要求大幅改变生产过程,添置新机器。适于生产芯片卡的各种不同解决方案以及用于将芯片模块与卡天线连接起来的有关技术,也导致市场上的芯片卡的质量参差不齐。

由于“带线圈的模块”芯片封装技术允许在用于生产接触式芯片卡的现有生产系统中生产双界面卡,因此,不必进行新的投资,只需要对生产线略作调整。芯片卡制造商可以加快将新的双界面卡产品推向市场,迅速响应快速发展的市场。所以,“带线圈的模块”芯片封装将加快推出双界面卡和新的非接触式支付应用。

结语和展望

在生产双界面卡的新时代,“带线圈的模块”芯片封装技术日益崛起。利用感应耦合技术,无需实现机械/电气连接的芯片卡生产过程提高了产品的产量和可靠性,简化并加快了生产过程,降低了成本。得益于兼容现有接触式卡生产设备,该技术允许快速实现大批量生产,而不必大举投资,并且仅需少量开发工作,因而可以满足日俱增的双界面卡需求。

虽然英飞凌的“带线圈的模块”芯片封装的初衷是面向银行卡和信用卡,但它也适用于其他类型的双界面智能卡,如电子门禁、公共交通票务和电子身份证件等。

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