Module électronique à double interface de communication, notamment pour carte à puce

L'invention concerne un module microélectronique à double interface de communication à contact et sans contact, notamment pour carte à puce, comportant d'une part un substrat pourvu d'un bornier formé d'un ensemble de contacts électriques connectés à une interface de communication à contact d'une puce électronique et comportant d'autre part une antenne principale composée d'au moins une spire et dont les bornes sont reliées à l'interface de communication sans contact d'une seconde puce électronique.

L'invention concerne en outre une carte à puce à double mode de communication à contact et sans contact, mettant en œuvre un module selon l'invention.

Il existe déjà dans l'état de la technique, des cartes à puce à fonctionnement mixte avec contact et sans contact. La plupart présente un module microélectronique pourvu de contacts, ledit module ayant une interface de communication radiofréquence connectée aux bornes d'une antenne qui est elle-même réalisée dans le corps de carte.

Ainsi, les cartes à double interface de communication conformes à l'état de la technique sont constituées :

- d'un module électronique comportant en face supérieure la puce, le bornier de connexion à contacts, et en face arrière la puce et deux contacts permettant la connexion à l'antenne.

- d'une carte en matière plastique, comportant une antenne et une cavité apte à recevoir le module microélectronique.

- d'un matériau électriquement conducteur permettant la connexion électrique entre le module et l'antenne.

Cette structure procure en général une bonne portée de communication radiofréquence compte tenu de la taille importante de l'antenne, mais pose 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.

En effet, ces cartes sont généralement fabriquées suivant les étapes suivantes :

- fabrication du corps de carte comportant une antenne. Ces antennes peuvent être fabriquées en utilisant les méthodes connues utilisant des fils cuivre incrustés, ou l'impression d'encre conductrice ou la gravure de cuivre sur la matière interne du corps de carte.

- fabrication du micromodule électronique comportant sur sa première face un bornier de contacts pour la mise en contact avec des contacts homologues d'un lecteur de carte à puce à contacts, et sur sa seconde face des points de connexion pour l'antenne.

- usinage dans le corps de carte de la cavité permettant le logement du module électronique, tout en mettant à nu les plages de connexions de l'antenne située à l'intérieur du corps de carte.

- collage du micromodule électronique en établissant la connexion électrique entre celui-ci et les plages de connexion de l'antenne mises à nu.

Cette connexion peut être obtenue par des méthodes connues, comme la dispense de colle conductrice qui sera ensuite polymérisée, l'utilisation d'adhésif ou de pâtes conductrices de façon anisotrope (en épaisseur), ou l'utilisation d'un ressort polymère déposé sur le module (plot conducteur en surépaisseur et compressible).

Ces méthodes de fabrication de ce type de cartes posent actuellement les problèmes suivants :

- nécessité de fabriquer des corps de cartes spécifiques pour les cartes à double mode de communication à contact et sans contact (encore appelées cartes « dual interface » en terminologie anglo-saxonne) comportant une antenne et induisant donc des procédés complexes de fabrication.

- nécessité d'usiner les corps de cartes en mettant à nu les plages de connexion de l'antenne, opération délicate qui fait chuter les rendements de fabrication. - utilisation d'un procédé spécifique de collage du module électronique dans la carte permettant une interconnexion électrique du module et de l'antenne.

Ces procédés sont souvent très lents en comparaison des procédés utilisés généralement pour les cartes à puce standard à contacts, et ils induisent des pertes supplémentaires de rendement de fabrication.

Après la fabrication du module et de la carte à puce, les procédés d'interconnexion entre module et antenne utilisés limitent aussi fortement la fiabilité de la carte finale au cours de son utilisation.

En effet, les sollicitations mécaniques et thermiques appliquées à la carte lors de son utilisation, entraînent des ruptures de connexion, ou des augmentations fortes de la résistance électrique de cette connexion, entraînant une perte de performance de la carte au cours de son utilisation.

Ainsi, ce type de cartes ne peut pas être garanti sur un temps d'utilisation très long (>5 ans par exemple), ce qui restreint les applications disponibles pour ce type de cartes.

Pour pallier à ces problèmes de fabrication, on a pensé à intégrer l'antenne directement sur le module microélectronique, et à ensuite simplement reporter le module dans un corps de carte à puce, ce qui est aisé à réaliser avec un faible coût et une grande fiabilité, avec la plupart des machines d'encartage pour la fabrication des cartes à puce à contact.

Une telle réalisation est décrite dans le EP 0 875 039 Bl, en liaison avec sa figure 6A/6B qui est reproduite ci-après (figures IA et IB de la présente demande de brevet). Comme cela sera décrit plus amplement par la suite, cette réalisation connue simplifie et fiabilise la fabrication, mais introduit un nouveau problème par rapport à la technologie précédente avec l'antenne dans le corps de carte. En effet, le module décrit dans ce document présente un problème de fonctionnement dégradé en mode sans contact, du fait que l'antenne du module est réalisée sur une face du module, alors que les contacts électriques sont réalisés sur l'autre face du module, directement en regard de l'antenne. De ce fait, les contacts électriques étant métalliques, ils perturbent le flux électromagnétique entre le lecteur et l'antenne, au point de dégrader fortement la capacité de communication sans contact du module.

De plus l'antenne étant de petite dimension le flux électromagnétique qu'elle récupère est de ce fait faible et la capacité de communication sans contact s'en trouve dégradée.

Il existe aussi dans l'état de la technique, comme représenté en figure IC, une réalisation comme décrite dans le EP Ol 031 939 Bl, dans laquelle on a incorporé dans le corps de carte, un circuit résonant localisé sur tout ou partie du corps de carte. Ce circuit résonant, qui peut notamment être constitué par une simple feuille métallique, présente des caractéristiques R,L,C aptes à canaliser le flux électromagnétique reçu par la carte à puce, vers l'antenne, de façon à améliorer la qualité du fonctionnement de la carte à puce en mode sans contact.

Il est à noter que dans cette configuration il n'y a aucune interconnexion électrique entre le module électronique et l'antenne du corps de carte, ce qui est positif pour une fabrication fiable de la carte. Mais le fait de rajouter une antenne dans le corps de la carte complexifie grandement son mode de réalisation.

En effet , le fait de rajouter une antenne dans un corps de carte plastique modifie sa structure et ses caractéristiques physiques notamment sa résistance à la délamination, qui est un facteur majeur pour des corps de cartes de type identitaire qui doivent être non délaminables.

De plus ces corps de carte utilisés pour des applications de type contrôle d'identité comportent des sécurités physiques extrêmement onéreuses et le fait d'incorporer avec un faible rendement de fabrication une antenne augmente significativement le coût unitaire de la carte . Un but de l'invention est par conséquent de proposer un nouveau module électronique à double interface de communication à contact et sans contact, qui soit dépourvu des inconvénients précités.

Un autre but de l'invention est de proposer une carte à puce à double interface de communication, utilisant un module électronique selon l'invention, et présentant une bonne capacité de communication en mode sans contact, malgré une grande compacité du module.

Un autre but de l'invention est de proposer un module microélectronique à double interface de communication, notamment pour carte à puce, et une carte à puce utilisant un tel module, présentant une très grande fiabilité lors de l'usage, de l'ordre de cinq à dix ans, tout en autorisant un rendement de fabrication élevé et un coût faible, à l'instar des simples cartes à fonctionnement à contact.

A cet effet, l'invention concerne un module microélectronique à double interface de communication à contact et sans contact, notamment pour carte à puce, comportant d'une part un substrat pourvu d'un bornier formé d'un ensemble de contacts électriques connectés à une interface de communication à contact d'une première puce électronique et comportant d'autre part une antenne principale composée d'au moins une spire et dont les bornes sont reliées à l'interface de communication sans contact d'une seconde puce électronique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un circuit résonant apte à canaliser le flux électromagnétique reçu par le circuit résonant, vers l'antenne principale du module.

Cette structure de module permet tout à la fois une performance élevée en termes de communication radiofréquence du fait de la présence du circuit résonant, et une fabrication simple du fait de l'intégration du circuit résonant sur le module lui-même, et enfin une intégration très simple et très fiable dans le temps du module dans un corps de carte à puce. En particulier, grâce à cette conception du module, il devient inutile de pourvoir le corps de la carte à puce d'un circuit résonant ou d'une antenne.

Selon un premier mode de réalisation, le module comprend deux puces séparées et indépendantes, à savoir une pour le fonctionnement en mode à contact et dont les plots de l'interface de communication sont connectés aux contacts correspondants du bornier du module, et une pour le fonctionnement en mode sans contact, dont les bornes sont reliées à l'antenne principale du module. De cette manière, il est possible de prévoir à bord du module des systèmes d'exploitations et/ou des applications logicielles totalement indépendantes et cela à un coût réduit puisque les puces simples à

fonctionnement à contact ou à fonctionnement sans contact sont les moins coûteuses.

Selon un autre mode de réalisation, le module comprend une puce unique à double interface de communication, ayant son interface de communication à contact connectée aux contacts du bornier du module, et son interface de communication sans contact connectée aux bornes de l'antenne principale.

De façon avantageuse, le circuit résonant comporte une antenne secondaire reliée à une capacité, et sa fréquence de résonance est accordée de manière à optimiser la communication radiofréquence avec un lecteur de cartes sans contact. ,

Dans un mode de réalisation simple, la capacité comporte deux armatures situées de part et d'autre du substrat du module.

En outre, les contacts électriques du module sont idéalement situés sur une première face du substrat, et les spires de l'antenne principale ainsi que le circuit résonant sont situées sur la face opposée.

Dans un mode de réalisation permettant aux contacts électriques du bornier d'être agencés en conformité avec la norme ISO 7816-2, l'antenne principale du module et le circuit résonnant sont disposés en périphérie du module dans une zone sensiblement à l'extérieur de la zone délimitée par les contacts électriques. Ainsi, le flux électromagnétique capté par les spires de l'antenne est maximal, ce qui influence favorablement la portée de la communication sans contact avec le lecteur.

Mais il est possible de prévoir la disposition inverse, dans laquelle l'antenne principale et le circuit résonant sont disposés dans une zone centrale du module, les contacts électriques du bornier étant alors situés en périphérie du module.

Bien entendu, l'invention s'étend à toutes cartes à puce comportant un corps de carte et un module innovant tel que décrit ci-dessus. Avantageusement, les spires de l'antenne principale du module et le circuit résonant sont situées du même côté du substrat que la puce

microélectronique, et les contacts électriques du bornier sont situés sur la face opposée du substrat.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée et des dessins annexés dans lesquels : - la figure IA illustre une vue en coupe d'un module électronique conforme à l'état de la technique selon EP O 875 039 Bl ; la figure IB illustre une vue en plan du module de la figure IA ; la figure IC illustre une vue en coupe d'une carte conforme à l'état de la technique selon EP 01 031 939 Bl. - la figure 2 illustre une vue de dessus d'un module électronique conforme à l'invention, c'est-à-dire du côté des contacts du bornier du module ; la figure 3 illustre une vue de dessous du module de la figure 2, la figure 4 illustre une vue en coupe A-A du module des figures 2 et 3 ; - la figure 5 illustre une vue en coupe A-A d'une variante de l'invention décrivant une solution à deux puces .

Comme indiqué plus haut, les figures 1A/1B montrent un module électronique à double interface de communication, conforme à l'état de la technique. On voit bien que la puce (notée 1) est connectée à une antenne (notée 2) dont les spires (notées 3) entourent la puce. Par ailleurs, comme visible en figure IA, les contacts électriques (notés 4) surplombent l'antenne et ne sont séparés d'elle que par un mince substrat. Ainsi, le champ électromagnétique qui atteint l'antenne est nécessairement perturbé par les contacts électriques, ce qui dégrade le fonctionnement de ce type de module en mode sans contact.

On se réfère maintenant à la figure IC, dans laquelle on a représenté une réalisation comme celle décrite dans le EP 01 031 939 Bl, dans laquelle est incorporé dans le corps de carte 4, un circuit résonnant 5 localisé sur tout ou partie du corps de carte. Ce circuit résonnant, qui peut notamment être constitué par une simple feuille métallique, présente des caractéristiques R,L,C aptes à canaliser le champ électromagnétique reçu par la carte à puce de la part d'un lecteur sans contact (non représenté), vers l'antenne 6 du module, de

façon à encore améliorer la qualité du fonctionnement de la carte à puce en mode sans contact. Ce mode de réalisation améliore celui des figures 1A/1B du point de vue du fonctionnement électromagnétique de la carte et notamment de la portée de communication, mais dégrade la fiabilité de la carte à puce du point de vue mécanique et des rendements de fabrication, compte tenu de la nécessité d'intégrer une antenne de grande taille dans le corps de carte.

On se réfère aux figures 2 et 3. On a représenté dans ces figures un module électronique 7 conforme à l'invention, en vue de dessus (figure 2), c'est-à-dire une vue du côté des contacts, et en vue de dessous (figure 3), c'est-à-dire ici une vue du côté du substrat ne portant pas les contacts électriques.

Pour remédier aux problèmes d'interférence électromagnétique entre les contacts et l'antenne tel que décrit précédemment, les ingénieurs de la demanderesse ont trouvé une nouvelle structure de module 7, dans laquelle les spires de l'antenne principale 8 du module ainsi que le circuit résonant 9 constitué par une seconde antenne et une capacité sont reportées à la périphérie du module 7, dans une zone où ils ne sont situés ni en dessous ni au-dessus des contacts électriques 10, mais sensiblement à l'extérieur de la zone délimitée par les contacts. On a représenté par ailleurs les puits ou vias 11 qui permettent de connecter électriquement les contacts de la puce (non représentée) aux contacts correspondants 10 du bornier du module 7. L'emplacement réservé au collage de la puce est noté 12 sur la figure 3.

Cette nouvelle structure présente le double avantage de minimiser voire d'éliminer les effets de blindage électromagnétique des contacts 10 à l'égard des spires 8 de l'antenne principale du module, ainsi que de réaliser sur le module lui-même le circuit résonnant 9 en combinaison avec l'antenne principale 8, éliminant de ce fait les problèmes d'intégration du circuit résonnant 9 dans le corps de carte.

Dans un mode de réalisation simple de l'invention, le circuit résonnant 9 est constitué d'une seconde antenne 18 et d'une capacité 20 dont une des armatures 20a est située du coté du bornier de contacts 10 et la seconde

armature 20b est située sur la face opposée, comme visible en particulier sur la figure 4 .

Le module 7 a été représenté dans cette figure avec son substrat 13, portant la puce ( non représentée) sur sa face orientée vers le bas. La puce est ici cachée, car englobée dans une goutte de résine d'enrobage 14. L'antenne 8 et le circuit résonant 9 constitué par l'antenne secondaire 18 et la capacité 20 sont situés à la périphérie du module 7 et s'étendent autour de la puce. Selon l'invention, aussi bien l'antenne principale 8 que l'antenne secondaire 18 s'étendent hors de la zone centrale du module 7, qui est recouverte par les contacts 10 sur la face opposée (ici la face supérieure) du module 7.

Bien entendu, le dimensionnement exact des spires de l'antenne principale 8, de l'antenne 18 et de la capacité 20 du circuit résonant 9 en fonction des caractéristiques de communication radiofréquence recherchée, et notamment de la portée, ne posera pas de problème à l'homme du métier. Lors de l'assemblage de la carte à puce, le module 7 est reporté en face d'une cavité 15 aménagée dans le corps de carte 16. La cavité 15 est pourvue d'une zone revêtue d'un adhésif 17. Le module 7 est reporté dans la cavité 15 comme représenté en figure 4, les spires des antennes (8,18) venant en contact avec l'adhésif 17. Il s'ensuit alors une étape de pressage sur la face supérieure du module 7, pour assurer un collage de bonne qualité du module 7 dans la cavité 15.

Il est fondamental de noter que le module électronique 7 de l'invention ne nécessite aucune connexion électrique avec le corps de carte 16 ainsi qu'aucune antenne supplémentaire située dans le corps de carte lui-même, et les procédés standards d'encartage utilisés pour de simples modules à contact peuvent être utilisés, ce qui entraîne un gain important de cadence de fabrication, une augmentation significative des rendements de fabrication et de la fiabilité.

Ainsi il devient possible d'appliquer cette technologie de module pour l'obtention de cartes à puce destinées à des applications terrain très sévères, ou de très longue durée, comme par exemple l'application à des cartes d'identité ou à des passeports électroniques, pour lesquels les offices gouvernementaux

exigent en général une garantie de bonne tenue et de bon fonctionnement pendant dix ans.

On se réfère maintenant à la figure 5, qui représente une variante de cette invention , dans laquelle le module 7 contient deux puces dont une première puce 21 dédiée à des applications à contact et dont les bornes sont reliées au bornier de contacts 10, et une seconde puce 22 dédiée à des applications de type sans contact et dont les bornes sont reliées à au moins une spire de l'antenne principale 8.

Cet arrangement est particulièrement utile pour certaines applications, dans la mesure où il remplace une puce unique a double interface de communication à contact et sans contact, par deux puces 21,22 spécialisées, en général nettement moins coûteuses et aptes à faire tourner des applications complètement séparées, comme par exemple une application de paiement utilisant la puce 21 à fonctionnement à contact et le bornier de contacts 10, et une application d'identification ou de contrôle d'accès utilisant la puce 22 à fonctionnement sans contact reliée à l'antenne 8 et couplée au circuit résonnant

9.

En définitive, l'invention propose une conception particulière de module microélectronique permettant à la fois un fonctionnement optimum du module conçu de façon à laisser le flux électromagnétique passer à l'intérieur des antennes principale et secondaire sans être perturbé par les métallisations des contacts du bornier, et une intégration fiable et peu coûteuse dans un corps de carte lui-même dépourvu d'antenne.