Brevet FR3028982A1 — publié le 20160527

Module électronique miniaturisé pour carte à puce sans contact L'invention concerne un module électronique pour une carte à puce ayant un mode de fonctionnement dual à contact et sans contact, ainsi qu'une carte à puce intégrant un tel module. Etat de la technique Il existe déjà dans l'état de la technique, plusieurs types de cartes à puce, à fonctionnement par contact avec les contacts d'un lecteur, ou à fonctionnement mixte avec contact et sans contact, ou encore à fonctionnement seulement sans contact, c'est-à-dire uniquement à l'aide d'une communication radiofréquence avec un lecteur de carte à puce. Un nombre croissant de cartes à puce utilise un mode de communication mixte à contact et sans contact. A cet effet, ces cartes à puce comportent un module microélectronique pourvu de contacts, ledit module ayant en outre une interface de communication radiofréquence connectée aux bornes d'une antenne qui est elle-même réalisée soit dans le corps de carte, soit sur le module microélectronique lui-même. Cette antenne pouvant éventuellement être couplée avec une antenne d'amplification (dite « booster ») située sur le corps de carte. La plupart des cartes à double interface de communication conformes à l'état de la technique sont constituées : - d'un module électronique comportant une puce microélectronique, un bornier de connexion normalisé selon la norme ISO 7816 pourvu de contacts destinés à être mis en contact avec tes bornes correspondantes d'un lecteur de carte à puce à contact, et deux plots de contact situés en face arrière permettant la connexion à l'antenne. - 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 fiabilité ou de rendement de fabrication. Ces problèmes ont été résolus par la réalisation 2 3028982 d'une première antenne sur le module électronique lui-même, et la réalisation d'une antenne de plus grande taille, dite ID1, sur le corps de carte, de sorte qu'entre le module microélectronique et l'antenne ID1 il n'y ait plus de connexion mécanique, mais seulement une liaison électromagnétique. 5 Cependant, la performance de communication d'une antenne disposée sur le module électronique est gênée par la présence des contacts selon la norme ISO 7816, dits « contacts ISO », qui peuvent constituer un blindage susceptible d'affecter la liaison électromagnétique entre l'antenne du module et l'antenne du corps de carte. io Afin de minimiser ce problème, une solution décrite dans le brevet EP 1932104 B1 a consisté à réaliser l'antenne du module dans une zone située sensiblement en-dehors de la zone couverte par les contacts ISO du module, par exemple en périphérie du module microélectronique. Cependant, les modules microélectroniques connus sont la plupart du temps 15 au format 11.8 mm x 13 mm, et ils possèdent jusqu'à huit contacts sur la face métallique apparente, ainsi qu'une antenne en périphérie du module, présentant une inductance élevée. La fréquence de résonance du module s'écrit alors Fo = 1/27WLC, où L désigne l'inductance de l'antenne et C la capacité de la puce, ces valeurs étant choisies pour que la fréquence de résonance Fo soit proche de la 20 fréquence de porteuse normalisée de 13,56 Mhz. Or les films métallisés utilisés dans la fabrication de ces modules sont coûteux, et le marché s'oriente de plus en plus vers un format de bornier de contacts de dimensions plus réduites, de 11 mm x 8,3 mm, et ne comportant que six contacts. En outre, la réduction de la taille du module implique que la surface 25 totale des contacts métalliques normalisés du bornier se rapproche de la surface totale du bornier, de sorte que l'antenne du module doive être de plus petite taille, et réalisée sous la zone des contacts et non plus en périphérie des contacts. Dans cette configuration, la surface métallique des contacts a un effet de blindage non négligeable à l'égard du flux électromagnétique de l'antenne du module, ce qui a 30 pour effet de faire augmenter la fréquence de résonance du module. En outre, la réduction de la surface du module disponible pour les spires de l'antenne entraîne une réduction de l'inductance L de l'antenne, et par conséquent, pour une même 3028982 3 puce de capacité C, elle entraine également une augmentation de la fréquence de résonance F0 au-delà de la valeur cible. Ceci entraine à son tour, toutes autres choses étant égales par ailleurs, une réduction des performances de communication entre la carte à puce et un lecteur distant, par exemple une réduction de la portée 5 de communication. Buts de l'invention Un but général de l'invention est par conséquent de proposer un module électronique pour carte à puce, pourvu d'une double interface de communication à 10 contact et sans contact, qui soit dépourvu des inconvénients précités. Un autre but de l'invention est de proposer un module électronique de taille réduite, notamment au format 11 mm x 8,3 mm à double interface de communication à contact et sans contact dont la conception permette d'obtenir la fréquence de résonance visée malgré la diminution de la taille de l'antenne par 15 rapport à celle des modules de plus grande taille et malgré l'effet de blindage électromagnétique dû au recouvrement de l'antenne par les contacts du module. Un autre but de l'invention est de proposer un module électronique pour carte à puce duale à fonctionnement mixte à contact et sans contact, permettant de concilier les objectifs d'amélioration de la circulation du flux électromagnétique 20 traversant le module et de maintien d'une portée de communication suffisante. Un autre but de l'invention est de proposer un module électronique pour carte à puce duale à fonctionnement mixte à contact et sans contact pouvant se substituer facilement aux modules à contacts seuls de même taille, c'est-à-dire que leur intégration dans les corps de carte doit pouvoir se faire sans modifications 25 substantielles des processus et des équipements industriels. Résumé de l'invention Selon l'invention, le module électronique, afin de pallier au fait que les contacts occupent l'essentiel de la surface du module et créent un effet de blindage 30 électromagnétique à l'égard de l'antenne du module située sous les contacts, comporte des moyens pour contrecarrer cet effet de blindage et pour faciliter la circulation du champ électromagnétique de l'antenne du module. 3028982 4 L'invention prévoit plusieurs moyens, pris isolément ou en combinaison. Ainsi, l'invention a en particulier pour premier objet un module électronique à double interface de communication à contact et sans contact, présentant sur une première face de son substrat un bornier de contacts électriques permettant un 5 fonctionnement par contact avec les contacts correspondants d'un lecteur de carte à puce et présentant sur une seconde face de son substrat d'une part une antenne située au moins en partie sous la zone des contacts électriques du bornier, et d'autre part une puce microélectronique connectée à l'antenne de sorte que le module se comporte comme un circuit résonant ayant une certaine fréquence de résonance 10 donnée Fo, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, isolément ou en combinaison, des premiers moyens aptes à réduire l'effet de blindage électromagnétique des contacts du bornier à l'égard du flux électromagnétique de l'antenne, et des seconds moyens aptes à réduire ladite fréquence de résonance Fo. Lesdits premiers moyens permettant de réduire l'effet de blindage ont donc 15 pour effet d'augmenter la perméabilité électromagnétique du module, qui est réduite en particulier sur les modules de petite taille (8,3 x 11 mm) dont les contacts occupent l'essentiel de la surface du module. Cette augmentation de la perméabilité a également comme second effet la réduction de la fréquence de résonance du module. 20 Selon un premier mode de réalisation avantageux de l'invention, lesdits premiers moyens se présentent sous la forme d'ouvertures ou d'évidements traversants aménagés dans au moins l'un des contacts du bornier et/ou dans une zone centrale du bornier située entre les contacts, ces ouvertures étant dimensionnés et conçues pour faciliter le passage du flux électromagnétique de l'antenne à travers 25 lesdites ouvertures. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux qui permet en outre d'assurer une cohésion mécanique optimale du module, ces ouvertures se présentent sous la forme d'un réseau en nid d'abeille. Selon l'invention, lesdits seconds moyens qui permettent de réduire 30 directement la fréquence de résonance du module par rapport à un module similaire du point de vue électrique (notamment du point de vue de la taille et de la localisation de l'antenne) se présentent sous la forme d'au moins un élément passif 3028982 5 aménagé sous la plage d'accueil de la puce et électriquement connecté à l'antenne. Cet élément passif est alors calculé de manière que la fréquence de résonance du module diminue, pour compenser l'augmentation de cette fréquence qui est due par ailleurs à la réduction de la taille de l'antenne par rapport à celle d'un module 5 standard ayant une antenne de plus grande taille ayant des spires disposées autour de la zone des contacts. L'élément passif retenu est donc choisi et dimensionné de manière à ajuster la fréquence de résonance Fo de l'ensemble du module vers une valeur cible, notamment proche de la fréquence de 13,56 Mhz correspondant à la norme ISO 14443. io Plusieurs types d'éléments passifs peuvent être utilisés par l'invention. Selon un premier mode de réalisation avantageux, ledit élément passif est un élément capacitif connecté en parallèle à l'inductance constituée par les spires de l'antenne, et cet élément capacitif peut notamment être réalisé sous la forme de deux peignes métalliques inter digités disposés entre la plage d'accueil de la puce et le 15 substrat du module. Cette structure permet de maximiser les zones métalliques en regard, et donc de produire une capacité de valeur suffisante. Selon un autre mode de réalisation, ledit élément passif est un élément inductif L' connecté en série avec l'inductance L de l'antenne et réalisé sous la forme d'une antenne secondaire disposée entre la plage d'accueil de la puce et le substrat 20 du module. L'inductance globale à considérer pour le calcul de la fréquence de résonance est alors la somme des inductances L + L', lorsque les spires de l'antenne principale et de l'antenne secondaire sont enroulées dans le même sens. Cette inductance augmentée permet d'ajuster la fréquence de résonance à la baisse par rapport à un module sans inductance complémentaire L'. 25 Selon un autre aspect de l'invention, le module comporte un autre élément passif, de type résistif, dont le rôle consiste à améliorer le facteur de qualité du module. Il s'agit notamment d'un élément passif connecté en série avec l'inductance L de l'antenne et réalisé sous la forme d'un serpentin résistif disposé entre la plage d'accueil de la puce et le substrat du module. 30 Bien entendu, en tant que de besoin, la réduction de la fréquence de résonance vers une valeur cibles et la compensation de l'effet de blindage peuvent nécessiter la mise en oeuvre simultanée d'ouvertures aménagées dans la zone 3028982 6 métallique des contacts et d'un ou de plusieurs éléments passifs susceptibles d'affecter directement la fréquence de résonance du module. L'invention a également pour objet une carte à puce comprenant un module électronique perfectionné et miniaturisé selon les caractéristiques ci-dessus. 5 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, 2A, 3A et 4A illustrent une vue en plan de la face contact de quatre variantes de réalisation d'un module électronique à double interface de communication selon l'invention; 10 - les figures 1B, 2B, 3B et 4B illustrent respectivement des vues en plan de la face inférieure du module, sans la puce électronique, correspondant respectivement aux modes de réalisation des figures 1A, 2A,3A et 4A ; - les figures 1C, 2C, 3C et 4C illustrent respectivement des vues en plan similaires aux figures 1B, 2B, 3B et 4C, mais avec la puce et son enrobage en 15 place ; - les figures 1D, 2D, 3D et 4D illustrent des vues en coupe respectivement selon les plans de coupe A-A' , B-B', C-C' et D-D' des modules électroniques selon les figures 1C, 2C 3C et 4C ; - les figures 1E, 2E, 3E et 4E illustrent les schémas équivalents électriques des 20 modules électroniques respectivement selon les figures 1C, 2C, 3C et 4C. Description détaillée Les figures 1A à lE illustrent un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1A est une vue en plan de la face supérieure d'un module électronique 1 pour 25 carte à puce à fonctionnement mixte à contact et sans contact. La face supérieure du module est celle qui reste visible lorsque le module est monté dans la cavité de réception d'une carte à puce. Les contacts métalliques C1, C2, C3, C5, C6, C7 sont les six contacts d'un module de petite taille (11 x 8,3 mm), sachant que les modules classiques de plus grande taille (11,8 x 13 mm) comportent jusqu'à huit contacts. 30 Comme celui est visible sur la figure 1B qui montre la face inférieure du module (sans la puce et sans l'enrobage de protection de la puce), le module 1 comporte une antenne 2 typiquement composée de plusieurs spires réalisées par 7 3028982 gravure du film métallique du module. On a également représenté dans cette figure le repère 3 qui délimite la zone d'accueil de la puce microélectronique, ainsi que le repère 4 qui délimite la position et la taille d'une goutte de résine d'enrobage de la puce, connue en soi. Ces repères facilitent la mise en place de la puce et de la goutte 5 de résine d'enrobage par des équipements automatisés équipés de moyens de reconnaissance d'image. Compte tenu de l'absence d'espace à l'extérieur de la zone des contacts Cl ... C7, il n'est pas possible comme dans le cas de certains modules de plus grande taille, de disposer les spires d'antennes à I' extérieur de la zone des contacts. Les spires de 10 l'antenne 2 sont donc situées en périphérie du module, sur la face opposée à la face des contacts Cl ... C7 et en dessous de ces contacts. Cette structure a pour conséquence que les contacts Cl ... C7 ont un effet de blindage à l'égard du champ électromagnétique de l'antenne, qui a des répercussions sur la performance de communication du module, et provoque notamment une réduction de la portée et de 15 la qualité de communication avec l'antenne ID1 de la carte à puce, ou avec l'antenne d'un lecteur de carte à puce. Par ailleurs, s'agissant d'un module de taille réduite, la taille de l'antenne et donc son inductance se trouve également réduite par rapport à l'inductance de l'antenne correspondante d'un module de grande taille. Cette réduction de 20 l'inductance a pour effet d'augmenter la fréquence de résonance du module et donc de l'écarter de la fréquence de résonance cible du protocole de communication entre carte à puce et lecteur. Si le module de petite taille représenté en figure 1 doit fonctionner aussi bien et à la même fréquence qu'un module connu de grande taille, il est donc nécessaire 25 d'apporter des modifications au module. A cet effet, comme représenté en figure 1A, un mode de réalisation de l'invention prévoit d'aménager dans la zone centrale des contacts (qui en fait correspond à un prolongement du contact C5), une série d'ouvertures 8 ou d'évidements traversants dans la couche métallique des contacts. De préférence ces 30 ouvertures 8 sont aménagées uniquement dans la zone centrale du module afin de ne pas affecter la zone utile des contacts, mais si nécessaire, des ouvertures peuvent 3028982 aussi être réalisées sur les contacts eux-mêmes tant qu'elles ne tombent pas dans des zones que la norme exige d'être en métal plein. Dans un mode de réalisation avantageux, les ouvertures 8 sont circulaires, ou encore hexagonales, ce qui crée au centre du module une grille 9 qui a l'apparence s d'une structure en nid d'abeille, dont on sait que la résistance mécanique est élevée. Les ouvertures 8 permettent de faciliter la circulation du flux électromagnétique du module et de réduire l'effet de blindage dû aux contacts. Bien entendu, l'homme du métier est à même de dimensionner, par essais ou par calcul, la taille et la densité surfacique des ouvertures pour obtenir l'effet optimal. 10 On pourrait penser à aménager une grande ouverture unique couvrant l'essentiel de la zone centrale située entre les contacts, mais cela nuirait à la stabilité de la puce lors de sa fixation et collage sur le module, et à la fiabilité mécanique du module. Un via interne 5, une connexion dite « strap » 6 et un via externe 7 sont prévus, de façon connue, pour connecter l'extrémité distale de l'antenne 2, au plot de 15 connexion correspondant de la puce. La figure 1C montre la face inférieure du module après report de la puce 10 dans sa zone d'accueil, et protection à l'aide d'une goutte de résine 11. Des fils métalliques 12 permettent de connecter les plots de contact de la puce, aux extrémités de l'antenne 2, ou aux contacts Ci appropriés. 20 La figure en coupe 1D correspond au plan de coupe AA' et montre en particulier la puce 10 collée sur le substrat 13 à l'aide d'une couche de colle 14. Elle montre aussi la grille métallique 9 et les ouvertures 8 qui permettent de réduire l'effet de blindage des contacts du module à l'égard de l'antenne 2. La partie droite de la figure 1E montre le schéma électrique équivalent du 25 module complet, avec d'une part l'impédance 4 de la puce, constituée par une résistance R en parallèle avec une capacité C, et d'autre part l'inductance L de l'antenne 2. Dans les figures subséquentes, qui représentent des variantes de mise en oeuvre de l'invention, les mêmes éléments que sur la figure 1 sont affectés des 30 mêmes indices de référence. Dans une première variante de réalisation selon les figures 2A à 2E, la face supérieure du module (figure 2A) est identique à celle de la figure 1A, avec des 3028982 9 ouvertures 8 aménagées dans la zone métallique entre les contacts. En revanche, comme représenté en figure 2B, un élément passif C' est positionné sur la zone d'accueil de la puce, comme représenté en figure 2D. Il s'agit d'une capacité, C' réalisée notamment à l'aide de deux peignes métalliques 15,16 inter digités, dont les 5 doigts en regard forment une capacité. Cette capacité C' est connectée en parallèle avec l'antenne 2 d'inductance L, comme représenté en figure 2E. L'ajout de la capacité C' permet d'augmenter le facteur L.C, et par conséquent d'ajuster la fréquence de résonance du module à la baisse, par rapport à un module sans cette capacité. 10 Dans une seconde variante de réalisation de l'invention selon les figures 3A à 3E, la face supérieure du module (figure 3A) est identique à celles des figures 1A et 2A, avec des ouvertures 8, à ceci près qu'elle comporte en outre deux vias 18,19 et un strap 20 qui permettent de connecter dans le circuit d'antenne un autre élément passif L' qui est en fait une antenne secondaire. Comme visible sur la figure 3D, Cette 15 antenne secondaire L' comporte des spires placées dans la zone d'accueil de la puce 10, en remplacement de la capacité C' de la figure 2D. Du fait de la mise en série à l'aide du strap 20 des spires de l'antenne principale 2 d'inductance L et des spires de l'antenne secondaire d'inductance L', on obtient, comme apparent dans le schéma électrique équivalent de la figure 3E,un 20 module dont l'antenne possède une inductance augmentée de valeur L + L', ce qui aura pour effet, toutes autres choses étant égales par ailleurs, d'augmenter le facteur L.C, et par conséquent d'ajuster la fréquence de résonance du module à la baisse, par rapport à un module sans cette antenne secondaire. Dans un quatrième mode de réalisation de l'invention selon les figures 4A à 25 4E, la face supérieure du module (figure 4A) est identique à celles des figures lA et 2A, avec des ouvertures 8 dans la zone métallique inter contacts. Comme visible sur la figure 4B, un élément passif de type résistif R' est connecté en série avec l'antenne 2 d'inductance L. Cet élément R' est notamment réalisé sous la forme d'un serpentin métallique et disposé dans la zone d'accueil de la puce 10, en remplacement de la 30 capacité C' de la figure 2D ou de l'inductance L' de la figure 3D. 3028982 10 Etant de type résistif, cet élément R' n'influe pas directement sur la fréquence de résonance du module. Par contre, il permet d'améliorer le facteur de qualité du module, qui s'exprime sous forme Q = Lw/R. 5 Il est à noter qu'en plus des modes de réalisation représentés, des variantes de réalisation supplémentaires sont envisageables, faisant appel à un élément passif C', L', R', mais sans utiliser les ouvertures 8 de la zone inter contacts du module. Avantages de l'invention 10 L'invention répond aux buts fixés et permet de compenser les effets de blindage électromagnétique de certains modules pour carte à puce à fonctionnement dual à contact et sans contact. Elle est d'autant plus utile que le module est de petite taille et requière que les spires de l'antenne soient situées en regard des contacts 15 métalliques, faute de place pour disposer les spires de l'antenne autour du bornier du module ou entre les contacts du bornier. En jouant sur la taille et la densité des ouvertures aménagées dans les zones métalliques et sur les valeurs des éléments passifs intégrés au circuit de l'antenne, il est possible grâce à l'invention d'ajuster la fréquence de résonance du module pour 20 l'amener vers une valeur cible déterminée par le protocole de communication avec le lecteur, et d'ajuster le facteur de qualité Q. En outre, les modifications apportées, en particulier les ouvertures dans les zones métalliques, ne modifient que de façon marginale la résistance mécanique du module et n'impactent pas négativement les procédés d'assemblage du module et 25 d'intégration dans une carte à puce. REVENDICATIONS1 - Module électronique (1) à double interface de communication à contact et sans contact, présentant sur une première face de son substrat (13) un bornier de contacts électriques (C1, C2, C3, C5, C6, C7) permettant un fonctionnement par contact avec les contacts correspondants d'un lecteur de carte à puce et présentant sur une seconde face de son substrat (13) d'une part une antenne (2) située au moins en partie sous la zone des contacts électriques du bornier, et d'autre part une puce microélectronique (10) connectée à l'antenne (2) de sorte que le module se comporte comme un circuit résonant ayant une certaine fréquence de résonance donnée Fo, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, isolément ou en combinaison, des premiers moyens (8) aptes à réduire l'effet de blindage électromagnétique des contacts du bornier à l'égard du flux électromagnétique de l'antenne, et des seconds moyens (L' ; C') aptes à réduire ladite fréquence de résonance Fo. 2 - Module électronique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens (8) de réduction de l'effet de blindage électromagnétique se présentent sous la forme d'ouvertures (8), aménagées dans au moins l'un des contacts (C1, C2, C3, C5, C6, C7) du bornier et/ou dans une zone centrale du bornier située entre lesdits contacts, et aptes à faciliter le passage du flux électromagnétique de l'antenne (2) à travers lesdites ouvertures (8). 3 - Module électronique (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites ouvertures (8) se présentent sous la forme d'un réseau ou grille (9) en nid d'abeille. 4 - Module électronique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens (C' ; L') aptes à réduire la fréquence de résonance F0 du 30 module se présentent sous la forme d'au moins un élément passif (C' ; L') aménagé sous la puce (10) et connecté à l'antenne (2) du module. 3028982 12 5 - Module électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit élément passif (C' ; L') est choisi et dimensionné de manière à ajuster la fréquence de résonance F0 de l'ensemble du module vers une valeur cible, notamment une valeur proche de la fréquence de 13,56 Mhz correspondant à la norme ISO 14443. 5 6 - Module électronique (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément passif est un élément capacitif (C') connecté en parallèle à l'inductance (L) de l'antenne (2), et réalisée sous la forme de deux peignes métalliques (15,16) inter digités disposés entre la plage d'accueil de la puce (10) et le substrat (13) du io module. 7 - Module électronique (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément passif est un élément inductif (L') connecté en série avec l'inductance (L) de l'antenne (2) et réalisé sous la forme d'une antenne secondaire (L') disposée 15 entre la plage d'accueil de la puce (10) et le substrat (13) du module. 8 - Module électronique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen pour améliorer le facteur de qualité Q du module, sous la forme d'un élément passif résistif (R') 20 connecté en série avec l'inductance (L) de l'antenne (2) et réalisé sous la forme d'un serpentin résistif (R') disposé entre la plage d'accueil de la puce (10) et le substrat (13) du module. 9 - Module électronique (1) selon les revendications précédentes, caractérisé 25 en ce qu'il comporte en combinaison un ensemble d'ouvertures (8) selon l'une des revendications 2,3, et au moins un élément passif (R' ; L' ; C') selon l'une des revendications 6 à 8. 10 - Carte à puce à double interface de communication à contact et sans 30 contact, caractérisé en ce qu'il comporte un module électronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.