Brevet FR3021786A1 — publié le 20151204

Arrière-plan de l'invention La présente invention se situe dans le domaine de la fabrication des antennes. Elle s'applique en particulier mais de façon non limitative 5 aux procédés de fabrication d'antennes pouvant être utilisées dans les étiquettes RFID. La figure 1 représente le circuit électrique équivalent d'un circuit ou étiquette RFID apte à communiquer sans fil à courte ou longue distance avec un terminal non représenté avec lequel ce circuit RFID est 10 couplé. On rappelle qu'un circuit RFID comporte principalement : - un module radiofréquence RF électriquement équivalent à une capacité CCHIP en parallèle d'une résistance RcHip ; et - une antenne ANT, électriquement équivalente à un circuit résonant LC d'inductance La, de capacité Ca et de perte ohmique Ra. 15 La fréquence de résonance fr d'un tel circuit s'exprime approximativement : fr = 1 / 2. n .[La.(Ca + CCHIP)] 112 Eqn (1) La capacité CCHIP du module radiofréquence RF prend en fait deux 20 valeurs distinctes, référencées ci-après CCFIIP_ON, CCHIP_OFF selon que le module radiofréquence RF est alimenté par l'antenne ANT (état ON de niveau haut +10dBm) ou non (état OFF de niveau bas -30dBm). Par conséquent la fréquence de résonance fr du circuit RFID prend elle aussi deux valeurs distinctes froN, fr OFF selon cette même 25 condition, la fréquence de résonance fr_oN dans l'état ON étant inférieure à la fréquence de résonance frOFF dans l'état OFF. Pour obtenir un circuit RFID avec une fréquence de résonance fr souhaitée, il est usuel, connaissant la capacité du module radiofréquence par exemple dans l'état OFF (CcHip_oFF), la forme (ou classe) de l'antenne 30 ANT et son nombre de spires, d'ajuster la capacité Ca de l'antenne en jouant : pour les antennes à fil, sur l'espacement entre ces spires, le nombre de tours, et/ou sur le diamètre du fil d'antenne ; et - pour les antennes gravées, sur la largeur, la hauteur, le nombre de 35 tours et/ou le pas des pistes. 3021786 2 En pratique, les puces insérées dans les modules RF même produites par un même fabricant ont des capacités différentes, les fréquences de résonance optimum souhaitées des circuits RFID étant elles-mêmes différentes, ce qui entraîne le besoin d'antennes différentes. Une solution pour produire une antenne générique et configurable est donc souhaitable afin d'éviter d'avoir à produire, stocker et assurer la logistique d'antennes différentes pour chaque type de circuit RFID. Le document US 6,693,541 décrit en particulier une antenne configurable connectée à un réseau de condensateurs en plaques, la capacité Ca de l'antenne étant fixée en isolant au moins un de ses condensateurs en coupant la liaison électrique de connexion entre ce condensateur et ledit réseau par un procédé de découpe laser. Cette méthode présente un inconvénient en ce qu'elle consiste à perforer la matière pour retirer la couche de matériau électrique formant la liaison entre les spires de l'antenne et les plaques du condensateur dans le circuit résonant. Ce procédé existant consiste donc à retirer de la matière et entraîne donc des coûts supplémentaires de matière non utilisée. De plus ce procédé est irréversible car la liaison physique est complètement ôtée du substrat. L'invention propose un procédé de fabrication d'une antenne à capacité variable qui ne présente pas ces inconvénients. Objet et résumé de l'invention Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une antenne à capacité configurable comportant : - une étape de placement, sur un substrat, d'une antenne, d'un réseau relié à l'antenne et d'au moins deux condensateurs en plaques ; et - une étape d'impression, avec une nano-encre non conductrice, d'une liaison entre ladite plaque et ledit réseau. On entend par nano-encre non conductrice, une encre initialement non conductrice lors de son dépôt sur un substrat et comportant des nano-particules conductrices portées par un matériau non conducteur appelé véhicule. Selon une autre caractéristique, le procédé comporte une étape de frittage d'au moins une des liaisons de manière à la rendre conductrice. 302 1 7 8 6 3 On entend par frittage, le procédé qui consiste à chauffer ou cuire l'encre à nanoparticules, initialement peu ou pas conductrice, de sorte à modifier l'état de ces particules. La matière non conductrice portant les nanoparticules conductrices, que l'on appelle véhicule, est chassée par 5 l'énergie qui lui est couplée par le procédé de frittage, appliquée en adéquation avec la nature de cette matière ainsi que celle des nanoparticules (en taille et matière), laissant donc sa place aux nanoparticules . Ces dernières se soudent entre elles pour former la cohésion de la piste imprimée et l'amener à un état conducteur. Les 10 particules sont agglutinées entre elles, puis liées entre elles par le changement d'état. La capacité de l'antenne peut ainsi être configurée en fonction du nombre et de la position des plaques reliées électriquement à l'antenne via le réseau. 15 Conformément à l'invention, l'établissement d'une liaison conductrice entre une plaque et le réseau se fait par une étape de frittage. Autrement dit, la capacité de l'antenne est ajustée en appliquant un procédé de frittage, ou de cuisson, sur les liaisons d'un sous-ensemble des plaques afin que ces liaisons deviennent conductrices. 20 La durée de l'opération de frittage est suffisamment courte pour ne pas endommager le substrat de l'antenne. Les nano-encres sont en effet connues pour être de très mauvais conducteurs électriques et pour devenir conductrices après avoir été soumises à une opération de frittage bref et intense (« flash sintering » en 25 anglais). L'homme du métier peut sur ce sujet se reporter au document de Hak-Sung Kim, Sanjay R. Dhage, Dong-Eon Shim et H. Thomas Hanh « Intense pulse light sintering of copper nanoink for printed electronics », Appl. Phys A (2009) 97 :791-798 DOI.07/s00339-009-5360-6. Le frittage consiste à chauffer ou cuire l'encre à nanoparticules, 30 initialement peu ou pas conductrice, de sorte à modifier l'état de ces particules. Les particules se soudent entre elles pour former la cohésion de la pièce et l'amener à un état conducteur. Les particules sont agglutinées entre elles, puis liées entre elles, par le changement d'état. Les nano-encres peuvent être imprimées par une technique de jet 35 d'encre ou de sérigraphie, l'impression jet d'encre permettant d'obtenir une meilleure précision pour l'implantation (dimensions X, Y) et l'épaisseur 3 02 1 7 86 4 (dimension Z) du circuit. En effet, il est possible d'imprimer à une précision de lOpm, voire de 1prin en procédé optimisé, selon les machines d'impression utilisées. Dans un mode particulier de réalisation, le procédé de fabrication 5 selon l'invention comporte entre l'impression des liaisons et l'étape de frittage, une étape de séchage pour stabiliser la nano-encre. Dans un mode préféré de réalisation, les liaisons précitées sont interrompues par au moins une micro-coupure, l'étape de frittage permettant de modifier l'état des nanoparticules, notamment de les 10 agglomérer, de manière à remplir au moins partiellement les micro coupures avec de la matière conductrice. L'opération de frittage est aussi optimisée de sorte à modifier l'état et faire fondre les nano-particules contenues dans l'encre, au moins dans les parties aux interfaces de part et d'autre de chaque micro-coupure, pour remplir au moins partiellement les 15 micro coupures et rendre ces parties de motif conductrices. Les autres parties du motif qui doivent rester non conductrices sont préservées de l'opération de frittage par un masque. Dans un mode particulier de réalisation, ces micro-coupures sont 20 de l'ordre de quelques micromètres. Ces micro-coupures permettent de garantir que les liaisons qui doivent demeurer non-conductrices restent effectivement non-conductrices même après avoir subi une opération de laminage. Dans ce mode préféré de réalisation, les liaisons imprimées non 25 conductrices entre les condensateurs à plaque et le réseau comportent ainsi des micro coupures telles que ces liaisons imprimées demeurent non-conductrices même après l'étape de séchage visant à stabiliser la nanoencre après impression. Dans ce mode de réalisation, l'étape de séchage mise en oeuvre 30 pour stabiliser la nano-encre est réalisée à un niveau de température suffisamment bas pour ne pas changer l'état des nano-particules. En revanche, les caractéristiques du procédé de frittage, en particulier le nombre d'impulsions, et/ou le niveau d'énergie sont choisis pour permettre le changement d'état et l'agglomération des particules de 35 manière à rendre la liaison conductrice et pour permettre éventuellement la fusion des nano-particules et le remplissage des micro-coupures. 3021786 5 Dans un mode préféré de réalisation, le procédé de fabrication selon l'invention comporte une étape de masquage des liaisons qui ne doivent pas faire l'objet de ladite étape de frittage de manière à rester non conductrices. 5 Les liaisons devant être protégées du frittage afin de demeurer non conductrices peuvent être masquées par un masque plastique ou métallique. Dans un mode particulier de réalisation, le procédé de fabrication selon l'invention comporte une étape de laminage au cours de laquelle on 10 fait fondre une couche de matière plastique déposée sur le substrat en contact avec lesdites liaisons. Cette couche de matière plastique peut avoir une épaisseur de l'ordre d'une dizaine de micromètres. La matière est choisie pour fondre efficacement pendant l'étape de laminage de manière à remplir les micro- 15 coupures des liaisons devant demeurer non-conductrices, les autres liaisons ayant déjà été rendues conductrices au cours de l'étape de frittage antérieure à cette étape de laminage. L'invention concerne aussi une antenne à capacité configurable, ladite antenne étant reliée à un réseau lui-même relié à au moins deux 20 condensateurs en plaques, chaque plaque étant reliée au réseau par une liaison non-conductrice imprimée avec une nano-encre. L'invention concerne également une antenne reliée à un réseau lui-même relié à au moins deux condensateurs en plaques, chaque plaque étant reliée au réseau par une liaison non-conductrice imprimée avec une 25 nano-encre, au moins une desdites liaisons ayant été rendue conductrice par frittage. L'invention vise également un document électronique, tel qu'une étiquette RFID comportant une telle antenne et un microcircuit connecté électriquement à l'antenne. 30 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un document électronique comportant une étape de fabrication d'une antenne sur un substrat telle que mentionnée ci-dessus, une étape de laminage au cours de laquelle on fait fondre une couche de matière plastique déposée sur ledit substrat en contact avec les liaisons de 35 l'antenne, une étape d'usinage de la couche obtenue de sorte à rendre 302 1 7 8 6 6 accessible les extrémités de l'antenne, et de connexion électrique du microcircuit à l'antenne. 5 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout 10 caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 déjà décrite représente le circuit électrique équivalent d'une étiquette RFID ; la figure 2 représente une antenne configurable conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention ; 15 - la figure 3 représente les principales étapes d'un procédé de fabrication de l'antenne de la figure 2 ; - la figure 4 représente en détails une liaison imprimée de l'antenne de la figure 2 ; - la figure 5 représente la liaison imprimée de la figure 4 après une 20 étape de frittage ; et les figures 6A et 6B représentent une liaison non-conductrice et une liaison conductrice de l'antenne de la figure 2 après une étape de laminage. 25 Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 2 représente une antenne à capacité configurable 10 conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention. 30 Cette antenne comporte un certain nombre de spires 14 sur un substrat 12. Conformément à l'invention, l'antenne est reliée électriquement à un réseau 15 lui-même relié à des condensateurs en plaques 18, chaque plaque 18 étant reliée au réseau 15 par une liaison 16 imprimée avec une nano-encre. 302 1 7 8 6 7 Dans le mode de réalisation décrit ici, on utilise une nano-encre comportant des particules d'argent, de température de fusion approximativement égale à 960°C. La capacité Ca de l'antenne 10 est ajustée en choisissant les 5 plaques 18 qui doivent être reliées électriquement au réseau 15 et les plaques 18 qui doivent être isolées électriquement du réseau 15. A cet effet, on peut choisir pour chaque liaison 16 entre une plaque 18 et le réseau 15, si cette liaison 16 doit être électriquement conductrice ou non. 10 La figure 3 représente sous forme d'organigramme les principales étapes d'un procédé de fabrication d'antenne conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention. Au cours d'une étape E10 on prépare le substrat 12 et on y dispose, par exemple par sérigraphie, les spires d'antenne 14, les plaques 15 conductrices 18 et le réseau 15. Dans le mode de réalisation décrit ici, le substrat 12 est un PVC de température de fusion de l'ordre de 80°C. Au cours d'une étape E20, on imprime les liaisons 16 entre les plaques conductrices 18 et le réseau 15 avec une nano-encre, qui à l'état 20 initial ne conduit pas le courant et forme un pont isolant entre les spires de l'antenne et les armatures de la capacité. A l'issue de l'étape E20 d'impression, les liaisons 16 sont toutes initialement non-conductrices. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, le procédé selon l'invention comporte une étape E30 de séchage afin de stabiliser la nano encre. La 25 température de cette étape de séchage ne suffit pas à modifier l'état des nano particules comprises dans la nano-encre de sorte que les liaisons 16 sont encore toutes non-conductrices à l'issue de l'étape de séchage. Les étapes E10 à E30 constituent les principales étapes d'un procédé de fabrication d'une antenne à capacité configurable conforme à 30 un mode particulier de réalisation de l'invention. On place ensuite à l'étape E40 un masque sur les liaisons 16 que l'on souhaite garder non conductrices. Ce masque peut-être plastique ou métallique. De manière à fixer la capacité de l'antenne, on expose, au cours 35 d'une étape E50, les liaisons 16 que l'on souhaite rendre conductrices à 3021786 8 une étape de frittage de manière à relier électriquement certaines plaques conductrices 18 au réseau 15. Dans le mode de réalisation décrit ici, l'étape de frittage s'effectue pendant une durée comprise entre 500ms et 800ms, à une température 5 comprise entre 850°C et 900°C. L'effet de cette étape de frittage est de modifier l'état des nanoparticules contenues dans la nano-encre, de manière rendre les liaisons 16 concernées conductrices. Le résultat de cette étape de frittage est représenté à la figure 5. Ce frittage localisé sur les liaisons 16 active les 10 nanoparticules mais n'a pas d'effet sur le substrat en plastique, grâce à la durée très courte du procédé. L'encre est exposée à une lumière intense pulsée, par exemple, un flash xénon. La durée de l'étape de frittage E50 est suffisamment courte pour ne pas endommager le substrat 12 de l'antenne. 15 Dans le mode de réalisation décrit ici, l'étape E50 de frittage est suivie par un étape E60 de laminage à froid ou à chaud au cours de laquelle on dépose une couche de film plastique sur le substrat 12 comportant l'antenne, cette couche de film plastique étant portée à une température de l'ordre de 50°C pour un laminage à froid ou à 80°C 20 suffisante pour la faire fondre pendant le laminage à chaud, sans modifier l'état des nanoparticules. L'invention concerne également un document électronique comportant un substrat sur lequel le circuit d'antenne est réalisé selon le procédé décrit précédemment. Ce document électronique est par exemple 25 un passeport ou une carte de format ID-1, tel que spécifié selon la norme ISO/IEC 7816 ; le format ID-1 désigne une forme globalement rectangulaire de 54 mm x 85.6 mm ; l'épaisseur est classiquement de l'ordre de 760 microns. La carte comporte un circuit intégré, qui est capable, à l'aide de l'antenne à laquelle il est électriquement relié, de 30 recevoir et de répondre aux requêtes radio émises depuis un terminal distant. L'invention s'applique à tous les types de documents électroniques RFID, notamment ceux conformes à la norme IS014443 et/ou NFC. 302 1 7 8 6 9 La carte est réalisée par un assemblage de couches, dont une des couches est formée par le substrat accueillant l'antenne et réalisé selon le procédé décrit précédemment. Les autres couches sont alors assemblées par des procédés 5 connus de l'art antérieur, tel qu'un procédé de laminage à froid, dans lequel l'élévation en température est limité et n'entraîne pas le changement détat des nanoparticules, laissant ainsi les pistes de liaison non conductrices. Dans un deuxième mode de réalisation ci, et comme représenté à 10 la figure 4, les liaisons 16 comportent des micro-coupures 20. Ces micro- coupures font quelques micro mètres. De préférence, les micro-coupures présentent une largeur comprise entre lOpm et 50pm. Ces valeurs peuvent varier selon la précision de l'impression jet d'encre et selon les moyens de frittage permettant de commencer le changement de phase 15 des nanoparticules pour qu'elles remplissent les microfissures. La limite basse de cette largeur est fixée par la précision d'impression de la machine jet d'encre et la limite haute est donnée par la capacité de frittage par flash sans détériorer la matière. Ces microcoupures permettent de garder les liaisons non 20 conductrices, même après une étape de laminage à chaud à une température très élevée, par exemple jusqu'à 200°C, entre au moins deux substrats pour former la carte. En effet le substrat comportant l'antenne, les plaques et le réseau, est assemblé avec un deuxième substrat lors d'une étape de laminage à chaud. A température élevée, le deuxième 25 substrat fond partiellement dans les microfissures et assure ainsi la non- conductivité de la liaison entre la plaque et les spires d'antenne. Aux figures 6A et 6B on a représenté respectivement une liaison 16 non-conductrice et une liaison 16 conductrice à l'issue de cette étape de laminage : les micro-coupures 20 de la liaison 16 non 30 conductrice de la figure 6A sont remplies de matière plastique. En revanche, en ce qui concerne la liaison conductrice 16 de la figure 6B, la matière plastique vient recouvrir la matière conductrice déposée dans les micro-coupures 20 pendant l'opération de frittage. 35 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une antenne à capacité configurable comportant : - une étape (E10) de placement sur un substrat (12) d'une antenne (14), d'un réseau (15) relié à l'antenne (14) et d'au moins deux condensateurs en plaques (18) ; et - une étape d'impression, avec une nano-encre non conductrice, d'une liaison entre ladite plaque et ledit réseau. 2. Procédé de fabrication d'une antenne à partir d'une antenne à capacité configurable obtenue selon le procédé de la revendication 1, 15 comportant une étape (E50) de frittage d'au moins une desdites liaisons de manière à la rendre conductrice. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites liaisons (16) sont interrompues par au moins une micro-20 coupure (20). 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, ladite étape (E50) de frittage permettant de changer l'état des nanoparticules comprises dans ladite nano-encre de manière à remplir au moins 25 partiellement lesdites micro-coupures. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une étape (E30) de séchage pour stabiliser ladite nano-encre, préalablement à l'étape de 30 frittage. 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte une étape (E40) de masquage des liaisons qui ne doivent pas faire l'objet de ladite étape de frittage (E50) de 35 manière à rester non conductrices. 302 1 7 8 6 11 7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte une étape (E60) de laminage au cours de laquelle on fait fondre une couche de matière plastique déposée sur ledit substrat en contact avec lesdites liaisons. 5 8. Antenne (14) à capacité configurable, ladite antenne étant reliée à un réseau (15) lui-même relié à au moins deux condensateurs en plaques (18), chaque plaque (18) étant reliée audit réseau (15) par une liaison (16) non-conductrice imprimée (E20) avec une nano-encre. 10 9. Antenne (14) reliée à un réseau (15) lui-même relié à au moins deux condensateurs en plaques (18), chaque plaque (18) étant reliée audit réseau (15) par une liaison (16) non-conductrice imprimée (E20) avec une nano-encre, au moins une desdites liaisons ayant été rendue conductrice par frittage. 10. Document électronique comportant une antenne selon l'une des revendications 8 et 9 et un microcircuit connecté électriquement à l'antenne. 11. Procédé de fabrication d'un document électronique selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - fabrication d'une antenne sur un substrat selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, - une étape (E60) de laminage au cours de laquelle on fait fondre une couche de matière plastique déposée sur ledit substrat en contact avec les liaisons de ladite antenne ;, - usinage de la couche obtenue de sorte à rendre accessible des extrémités de l'antenne, - connexion électrique du microcircuit à l'antenne.