Brevet FR3002108A1 — publié le 20140815

La présente invention concerne les antennes imprimées pour les dispositifs radiofréquences tels que les cartes à puce, livrets d'identité, documents de valeur, etc et concerne en particulier le procédé de fabrication d'une antenne pour dispositif radiofréquence sur support mince et dispositif comprenant une antenne ainsi obtenue. Les dispositifs radiofréquences utilisés pour la fabrication de cartes sans contact, livrets d'identité, documents de valeur ou de sécurité, comprennent une antenne réalisée entre deux couches minces. Les antennes imprimées sont généralement fabriquées à base d'une encre conductrice telle qu'une encre chargée en particules d'argent. L'utilisation de telles encres nécessite une épaisseur minimale d'application pour garantir la conductivité électrique de l'antenne. Les encres à base de nanoparticules sont davantage conductrices à faible épaisseur et permettent ainsi de réduire l'épaisseur minimale d'application nécessaire à leur fabrication ce qui permet de réduire le coût de fabrication du dispositif. Cependant, avec l'utilisation de telles encres, se pose le problème de la connexion de la puce sur l'antenne. En effet, tout dispositif radiofréquence a besoin pour communiquer avec un lecteur à distance d'une antenne et d'une puce connectée à l'antenne. La puce dispose de bumps de connexion et par un procédé de connexion en « flipchip » est connectée à l'antenne par enfoncement des bumps de la puce dans les plots de connexion de l'antenne. L'épaisseur très faible de l'antenne rend cette opération délicate et la connexion entre l'antenne et la puce peu fiable. Lorsqu'il s'agit de carte à puce duale c'est à dire fonctionnant à la fois sans contact et avec contacts, la puce est remplacée par un module. Dans ce cas, une cavité est fraisée dans la carte à l'endroit où doit être placé le module. Une partie du fraisage doit atteindre les plots de connexion de l'antenne afin d'y connecter le module. Plus l'épaisseur des plots de connexion de l'antenne est faible et plus la hauteur de fraisage doit être précise pour garantir le contact électrique entre le module et les plots de connexion de l'antenne. Cette contrainte risque de baisser le rendement de fabrication du fait de l'épaisseur insuffisante de la couche de nano-encre. C'est pourquoi le but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'une antenne à base de nanoencre garantissant une connexion électrique fiable entre l'antenne et la puce ou le module sans baisser le rendement de fabrication. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif radiofréquence avec une antenne à base de nanoencre obtenu par ce procédé. Un autre but de l'invention est une machine 15 permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. L'objet de l'invention est donc un procédé de fabrication d'un support mince de dispositif radiofréquence comportant les étapes suivantes : a) réaliser au moins deux brins d'antenne par 20 impression d'encre à nano particules d'une épaisseur comprise entre 1 pm et 8 pm sur un support flexible et mince, b) Faire subir aux brins d'antenne un traitement thermique ou photonique afin de fritter les nano- 25 particules, c) Imprimer une bande isolante de matière diélectrique sur le brin (112) d'antenne, d) Faire subir à la bande isolante un traitement thermique afin de faire sécher la matière 30 diélectrique, e) Réaliser un pont électrique sur la couche de diélectrique et des plots de connexion d'antenne par impression d'encre conductrice polymère non chargée de nano particules d'une épaisseur comprise 35 entre 10 pm et 60 pm de façon à connecter électriquement les brins entre eux, l'antenne f) Faire subir au pont électrique et aux plots de connexion un traitement thermique afin de faire sécher l'encre polymère, g) Connecter une puce ou un module électronique aux plots de connexion de l'antenne. Un second objet de l'invention est un support mince de dispositif radiofréquence comprenant une antenne imprimée, l'antenne étant constituée d'au moins deux brins d'encre conductrice chargée de nanoparticules, la couche d'encre imprimée ayant une épaisseur comprise entre 1 et 8 pm. Selon une des caractéristiques principales de l'invention l'antenne comprend également des plots de connexion réalisés en encre polymère conductrice non chargée en nano-particules d'une épaisseur comprise entre 10 pm et 60 pm. Un troisième objet de l'invention est une machine pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication selon l'invention, apte à dérouler une bobine constituée d'une bande de support mince dont la laize contient un ou plusieurs support de dispositif radiofréquence, la machine comprenant un module par étape a) à f) du procédé de façon à ce que les étapes soient réalisées les unes derrière les autres et que la bande de support soit ré-enroulée sous forme d'une bobine une fois l'étape f) réalisée, les trois modules étant des groupes d'impression destinés à déposer de l'encre conductrice ou de la matière isolante, chaque module d'impression étant suivi d'un des trois modules comprenant une source de rayonnement électromagnétique apte à fritter ou sécher selon le cas l'encre conductrice et la bande isolante. Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description 35 qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : La figure 1 représente une vue de dessus de l'antenne d'un support de dispositif radiofréquence fonctionnant en hautes fréquences, à l'issue de la première étape de fabrication, La figure 2 représente une vue de dessus de l'antenne d'un support de dispositif radiofréquence fonctionnant en 5 hautes fréquences, à l'issue de la troisième étape de fabrication, La figure 3 représente une vue de dessus de l'antenne d'un support de dispositif radiofréquence fonctionnant en hautes fréquences, à l'issue de la cinquième étape de 10 fabrication, La figure 4 représente une ligne de fabrication de l'antenne selon le premier mode de réalisation, La figure 5 représente une vue de dessus de l'antenne d'un support de dispositif radiofréquence fonctionnant en 15 ultra hautes fréquences, à l'issue de la première étape de fabrication, La figure 6 représente une vue de dessus de l'antenne d'un support de dispositif radiofréquence fonctionnant en ultra hautes fréquences, à l'issue de la troisième étape de 20 fabrication. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la fréquence de fonctionnement du dispositif appartient au domaine HF (Hautes fréquences) et est de préférence égale à 13,56 MHz telle que définie dans les normes ISO 14443 et 25 15693. Selon la figure 1, une antenne 11 est réalisée sur un support d'antenne 10 mince. La matière du support 10 peut être en papier, en polycarbonate (PC), en polyester (PET, PETG), en papier synthétique, mais est de préférence en 30 papier synthétique. Le support 10 peut être au format d'une carte à puce ou d'un « inlay » destiné à s'insérer dans un document d'identité ou de valeur ou d'un tout autre format. L'encre utilisée est de préférence à base d'argent. Selon la figure 1, l'antenne 11 comportant au moins deux brins 35 est réalisée par impression offset, sérigraphique, héliographique ou fléxographique. Plusieurs étapes sont nécessaires à la réalisation de l'antenne. La première étape consiste à imprimer une partie de l'antenne 11 avec une couche d'encre, appelée nano-encre dans la suite de la description et contenant des nanoparticules conductrices telles que des nanoparticules d'argent, d'aluminium ou à base d'un alliage de cuivre-nickel. De préférence, la nano- encre utilisée contient entre 20% et 60% de nanoparticules d'argent, le reste étant des solvants. A cette étape de fabrication, l'antenne 11 comporte deux brins d'antenne 111 et 112, le premier brin 111 a pour extrémités 14 et 15 et le second brin 112 a pour extrémités 12 et 13. La couche d'encre déposée pour former les deux brins d'antenne a une épaisseur comprise entre 1 pm et 8 pm mais de préférence comprise entre 1 pm et 5 pm. Le support subit ensuite un rayonnement électromagnétique du type rayonnement photonique afin de souder les nano particules entre elles. De préférence, ce rayonnement consiste à appliquer un traitement thermique qui consiste à chauffer le support et les brins d'antenne à une température comprise entre 120°C et 200°C pendant une durée comprise entre 5 min et 60 min. Lors de cette étape les nanoparticules se soudent entre elles sous l'action du rayonnement, c'est le résultat du phénomène de frittage. Les nanoparticules frittées entre elles rendent les brins d'antenne conducteurs. Ce phénomène de frittage peut être obtenu également par exposition à un rayonnement lumineux de type ultra-violet ou par combinaison avec un traitement thermique. Selon la figure 2, la seconde étape d'impression consiste à imprimer une bande isolante 21 de matière diélectrique sur le brin 112 de l'antenne, qui servira à 30 éviter tout court-circuit entre les brins d'antenne. Il est très important que cette étape d'impression de la bande isolante soit réalisée après le traitement thermique afin qu'aucune partie d'antenne ne soit recouverte par la bande isolante et afin que le phénomène de frittage s'effectue 35 sur l'ensemble des nanoparticules. De cette façon, la conductivité électrique est assurée de façon continue entre les deux extrémités 14 et 15 du brin d'antenne 111 et entre les deux extrémités 12 et 13 du brin d'antenne 112. L' étape suivante consiste à imprimer le pont électrique 14 appelé communément « cross-over » et les plots de connexion 23 et 24 de l'antenne. Pour réaliser le pont et les plots une autre encre est utilisée, plus épaisse et non chargée de nanoparticules, du type pâte conductrice polymère, chargée en éléments conducteurs tels que l'argent, le cuivre ou le carbone. De préférence, la pâte utilisée est chargée de particules d'argent (entre 50 et 80%) et sera appelée dans la suite de la description « encre polymère » pour la différencier de la nano-encre. Le pont électrique relie entre eux les deux brins d'antenne de façon à ce que les brins d'antenne soient connectés électriquement entre eux et ainsi que l'antenne ne soit plus qu'un seul brin enroulé avec deux extrémités 13 et 14 connectées respectivement aux deux plots de connexion 23 et 24. Le pont électrique 14 doit passer par-dessus la bande isolante 21 sans se rompre. La couche d'encre polymère appliquée a une épaisseur comprise entre 10 pm et 60 pm. De façon à réaliser une connexion fiable entre les deux brins d'antenne, le pont 14 recouvre sur toute leur largeur les extrémités 12 et 15 de l'antenne. A chaque extrémité, l'encre polymère entre en contact avec la nano-encre. De même, les plots de connexion 23 et 24 recouvrent respectivement chacune des extrémités 13 et 14 de l'antenne. Une surface de contact est établit entre l'extrémité 13 et le plot 23 et une autre surface de contact est établit entre l'extrémité 14 et le plot 24. Chaque surface de contact établit entre la nano-encre et l'encre polymère est comprise entre 0.5 mm2 et 5 mm2. La dernière étape de fabrication, non représentée sur les figures, consiste à venir connecter la puce ou éventuellement le module électronique aux plots de 35 connexion 23 et 24 de l'antenne. Selon un premier mode de réalisation de l'invention les étapes d'impression sont réalisées selon un procédé sérigraphique. L'impression sérigraphique de l'antenne est réalisée sur une face d'une bobine d'une couche mince très longue dont la largeur permet la fabrication d'un ou plusieurs dispositifs radiofréquences. A chaque étape de fabrication du dispositif, la bobine est déroulée entièrement puis ré-enroulée afin de pouvoir être manipulée et stockée entre deux étapes de fabrication. Ainsi, la bobine vierge reçoit successivement l'impression en nanoencre des premier et deuxième brins d'antenne, l'impression de la bande isolante, l'impression en encre polymère des plots d'antenne et du pont. L'étape d'impression de nanoencre est suivi d'une étape de frittage tandis que les toutes les autres étapes d'impression sont suivis d'une étape de séchage. La matière de la couche mince qui forme la bobine peut être en papier, en polycarbonate (PC), en polyester (PET, PETG), en papier synthétique. Selon un second mode de réalisation de l'invention, les fréquences de fonctionnement du dispositif se situent dans la bande des Ultra Hautes Fréquences (UHF) de l'ordre du GHz (fréquence européenne et américaine dans la bande 860 - 960 MHz et fréquence de 2,45 GHz selon la norme ISO 18001). Selon la figure 5, une antenne 31 est réalisée sur un support 30 mince. Le support 30 a les mêmes 25 caractéristiques de matière et de dimension que le support 10. L'antenne 31 est réalisée par impression offset, sérigraphique, héliographique ou fléxographique. La première étape pour réaliser l'antenne consiste à imprimer une partie de l'antenne 31 avec une couche de nano-encre 30 contenant des nanoparticules conductrices. A cette étape de fabrication, l'antenne 11 comporte deux brins d'antenne 131 et 132, dont les deux extrémités 35 et 36 sont rapprochées l'une de l'autre et les deux autres extrémités resteront libres. La couche d'encre déposée pour former les deux 35 brins d'antenne a une épaisseur comprise entre 1 pm et 8 pm mais est de préférence comprise entre 1 pm et 5 pin. Le support subit ensuite un rayonnement électromagnétique du type rayonnement photonique afin de souder les nano particules entre elles selon les mêmes options que décrit dans le cas du support 10. L'étape suivante consiste à imprimer les plots de connexion 33 et 34 de l'antenne avec une autre encre plus épaisse et non chargée de nanoparticules, du type pâte conductrice polymère, chargée en éléments conducteurs tels que l'argent, le cuivre ou le carbone. La couche d'encre polymère appliquée a une épaisseur comprise entre 10 pm et 60 pm. Les plots de connexion 33 et 34 recouvrent respectivement chacune des extrémités 35 et 36 de l'antenne et l'encre polymère entre en contact avec la nano-encre. Une surface de contact est établit entre l'extrémité 35 et le plot 33 et une autre surface de contact est établit entre l'extrémité 36 et le plot 34. Chaque surface de contact établit entre la nano-encre et l'encre polymère est comprise entre 0.5 mm2 et 5 mm2. La dernière étape de fabrication, non représentée sur les figures, consiste à venir connecter la puce aux plots 20 de connexion 33 et 34 de l'antenne. Selon une variante de réalisation de l'invention, les étapes d'impression sont réalisées selon un procédé fléxographique ou tampographique. Ce mode de réalisation permet de s'affranchir des étapes d'enroulage après chaque 25 étape d'impression de la bobine qui sert de support à l'antenne. En effet, la machine de fléxographie comprend des moyens aptes à dérouler une bobine constituée d'une bande de support mince 31 dont la laize contient un ou plusieurs support de dispositif radiofréquence. De plus, la 30 machine d'impression fléxographique comporte plusieurs modules à la suite les uns des autres, chaque module réalisant une étape du procédé selon l'invention hormis l'étape de dépose de la puce ou du module. Dans le cas du procédé de fabrication d'un support de dispositif 35 radiofréquence fonctionnant en hautes fréquences, la machine de fléxographie selon l'invention comprend trois modules d'impression 41, 43 et 45 destinés à imprimer l'encre conductrice et la bande isolante, chaque module d'impression est suivi d'un module comprenant une source de rayonnement électromagnétique apte à fritter ou sécher selon le cas l'encre conductrice et la bande isolante. Dans le détail, la machine d'impression fléxographique comprend un premier module 41 correspondant à un premier groupe d'impression qui effectue l'étape du procédé selon l'invention qui consiste à: a) réaliser deux brins 111, 112 d'antenne 11 par impression d'encre à nano particules d'une épaisseur comprise entre 1 pm et 8 pm sur un support 10 flexible et mince. La machine de fléxographie comprend également un second module 42 comprenant une source de rayonnement 15 électromagnétique apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : b) Faire subir au support un traitement thermique ou photonique afin de fritter les nano-particules. La machine de fléxographie comprend également un 20 troisième module 43 correspondant à un second groupe d'impression apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : c) Imprimer une bande isolante 21 de matière diélectrique sur le brin 112 d'antenne. 25 La machine de fléxographie comprend également un quatrième module 44 comprenant une source de rayonnement électromagnétique apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : d) Faire subir à la bande isolante 21 un traitement 30 thermique afin de faire sécher la matière diélectrique. La machine de fléxographie comprend également un cinquième module 45 correspondant à un troisième groupe d'impression apte à réaliser l'étape suivante du procédé 35 selon l'invention qui consiste à : e) Réaliser un pont électrique 14 sur la couche de diélectrique et des plots de connexion 23 et 24 d'antenne par impression d'encre conductrice polymère non chargée de nano particules d'une épaisseur comprise entre 10 pm et 60 pm de façon à connecter électriquement les brins entre eux, l'antenne formant ainsi un seul brin enroulé dont les extrémités 13 et 14 sont connectées aux plots de connexion 23 et 24. La machine de fléxographie comprend également un sixième module 46 comprenant une source de rayonnement électromagnétique apte à réaliser l'étape suivante du 10 procédé selon l'invention qui consiste à : f) Faire subir au pont électrique et aux plots de connexion un traitement thermique afin de faire sécher l'encre polymère. De cette façon, la bobine 40 est déroulée dans la 15 machine qu'une seule fois et lorsque la bande de support est ré-enroulée afin de reformer une bobine 50, les dispositifs radiofréquences réalisés dessus comportent l'antenne complète c'est-à-dire comprenant les deux brins d'antenne 111 et 112 reliés par le pont électrique 14, la 20 bande isolante 21 et les plots de connexion 23 et 24 de l'antenne. Dans le cas de la fabrication d'un support de dispositif radiofréquence fonctionnant en ultra hautes fréquences, le premier module correspond à un premier 25 groupe d'impression qui effectue l'étape du procédé selon l'invention qui consiste à : h) réaliser deux brins d'antenne 131 et 132 par impression d'encre à nano particules d'une épaisseur comprise entre 1 pm et 8 pm sur un support 30 flexible 30 et mince. Le second module de la machine de fléxographie comprend une source de rayonnement électromagnétique apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : 35 i) Faire subir au support un traitement thermique ou photonique afin de fritter les nano-particules. Le troisième module de la machine de fléxographie correspond à un second groupe d'impression qui effectue l'étape du procédé selon l'invention qui consiste à : J) Réaliser des plots de connexion 33 et 34 d'antenne par impression d'encre conductrice polymère non chargée de nano particules d'une épaisseur comprise entre 10 pm et 60 pm, ladite antenne formant ainsi deux brins dont les extrémités 35 et 36 sont connectées auxdits plots de connexion 33 et 34. Le quatrième module de la machine de fléxographie comprend une source de rayonnement électromagnétique apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : k) Faire subir auxdits plots de connexion un traitement thermique afin de faire sécher l'encre polymère. La bobine 50 est ensuite déroulée dans une machine de « pick and place » afin de réaliser l'étape qui consiste à : g) Ou 1) Connecter une puce ou un module électronique aux plots de connexion de l'antenne. 12 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un support mince de dispositif radiofréquence fonctionnant dans le domaine des hautes fréquences, comportant les étapes suivantes : a) réaliser au moins deux brins (111 et 112, 131, 132) d'antenne (11, 31) par impression d' encre à nano particules d'une épaisseur comprise entre 1 gm et 8 gm sur un support (10, 30) flexible et mince, b) Faire subir aux deux brins d'antenne un traitement thermique ou photonique afin de fritter les nano- particules, e) Réaliser des plots de connexion (23 et 24, 33 et 34) d'antenne par impression d'encre conductrice polymère non chargée de nano particules d'une épaisseur comprise entre 10 gm et 60 gm de façon à connecter électriquement les brins entre eux, les extrémités (13 et 14, 33 et 34) de ladite antenne étant connectées auxdits plots de connexion (23 et 24, 33 et 34), f) Faire subir auxdits plots de connexion un traitement thermique afin de faire sécher l'encre polymère, g) Connecter une puce ou un module électronique aux plots de connexion de l'antenne. 2. Procédé de fabrication d'un support mince de dispositif cl) c2) et d) du procédé selon la radiofréquence comportant les étapes 25 supplémentaires réalisées après l'étape b) revendication 1: matière diélectrique cl) imprimer une bande isolante (21) de sur le brin (112) de l'antenne (11), c2) Faire subir à ladite bande isolante un traitement 30 thermique afin de sécher la matière diélectrique, d) Réaliser un pont électrique (14) sur ladite couche de diélectrique (21). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les étapes 35 a) cl) d) et e) sont réalisées par sérigraphie. 13 3002108 Procédé Procédé selon la revendication 2, dans lequel les étapes a) cl) d) et e) sont réalisées par fléxographie. 5. Support mince de dispositif radiofréquence obtenu selon le 5 procédé de la revendication 2, comprenant une antenne imprimée (11), ladite antenne étant constituée d'au moins deux brins (111, 112) d'encre conductrice chargée de nanoparticules, la couche d'encre imprimée ayant une épaisseur comprise entre 1 et 8 }gym caractérisée en ce que l'antenne comprend également 10 des plots de connexion (23, 24) et un pont électrique (14) réalisés en encre polymère conductrice non chargée en nanoparticules d'une épaisseur comprise entre 10 gm et 60 gm. 6. Machine pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication 15 selon l'une des revendications 2 à 5, apte à dérouler une bobine (40) constituée d'une bande de support mince (31) dont la laize contient un ou plusieurs support de dispositif radiofréquence, caractérisée en ce que la machine comprend un module (41, 42, 43, 44, 45 et 46) par étape a) à f) du procédé 20 de façon à ce que les étapes soient réalisées les unes derrière les autres et que la bande de support (31) soit ré-enroulée sous forme d'une bobine (50) une fois l'étape f) réalisée, - ledit module (41) correspondant à un premier groupe d'impression qui effectue l'étape du procédé selon l'invention qui consiste à : a) réaliser deux brins (111 et 112) d'antenne (11) par impression d'encre à nano particules d'une épaisseur comprise entre 1 gm et 8 gm sur un support (10) flexible et mince, - ledit module (42) comprenant une source de rayonnement électromagnétique apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : b) faire subir au support un traitement thermique ou photonique afin de fritter les nano-particules, - ledit module (43) correspondant à un second groupe d'impression apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : cl) imprimer une bande isolante (21) de matière diélectrique sur le brin (112) d'antenne, 14 3002108 - -n-dit module (44) comprenant une source de rayonnement électromagnétique apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : c2) faire subir à la bande isolante (21) un traitement thermique afin de faire sécher la 5 matière diélectrique, - ledit module (45) correspondant à un troisième groupe d'impression apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : e) réaliser des plots de connexion (23 et 24) d'antenne par impression d'encre 10 conductrice polymère non chargée de nano particules d'une épaisseur comprise entre 10 gm et 60 gm de façon à connecter électriquement les brins entre eux, les extrémités (13 et 14) de ladite antenne étant connectées auxdits plots de connexion (23 et 24), 15 - ledit module (46) comprenant une source de rayonnement électromagnétique apte à réaliser l'étape suivante du procédé selon l'invention qui consiste à : f) faire subir aux plots de connexion un traitement thermique afin de faire sécher l'encre polymère.