Carte à microcircuit, en particulier de dimensions réduites, pourvue d'une antenne

L'invention concerne une carte à microcircuit, en particulier de dimensions réduites, pourvue d'une antenne et un procédé de fabrication d'une telle carte.

Lorsque l'on souhaite permettre une communication sans contact entre une carte à microcircuit et un lecteur de carte, on équipe classiquement la carte d'une antenne, par exemple d'une antenne magnétique formée d'un enroulement d'une pluralité de spires.

Il a été tenté d'appliquer cette solution à des cartes de dimensions réduites, c'est-à-dire dont la plus grande dimension ne dépasse pas 50 mm, telles que par exemple les cartes à microcircuit au format ID-OOO (de dimensions 25 mm x 15 mm), comme décrit dans les demandes de brevet WO 2005/104584 et

US 2005/212690.

On comprend toutefois que de telles dimensions, et la faible surface qui en découle, rendent difficile, voire impossible, l'implantation d'une pluralité de spires avec une surface suffisante et que les solutions de l'art antérieur n'aient pas permis par conséquent l'implantation d'une antenne ayant de bonnes performances dans une carte de dimensions réduites.

Afin de résoudre notamment ce problème, l'invention propose une carte comprenant un microcircuit dont au moins une borne est reliée électriquement à une antenne et un corps définissant des dimensions extérieures de la carte, caractérisée en ce que le corps comprend au moins trois couches qui contiennent chacune au moins une partie de l'antenne.

On peut ainsi réaliser un nombre relativement important de spires pour l'antenne, même lorsque la carte est de dimensions réduites.

On peut prévoir en outre que l'antenne s'étende sur une zone périphérique de l'une au moins desdites couches, ce qui permet d'optimiser sa surface, par exemple la surface de la ou des spire(s) dans cette couche.

Par ailleurs, au moins une desdites couches peut contenir un enroulement d'au moins deux spires de l'antenne, ce qui permet également d'améliorer les performances de l'antenne.

En particulier, on peut envisager qu'une première couche comprenne un premier enroulement d'au moins deux spires de l'antenne avec une première extrémité externe, qu'une seconde couche comprenne un second enroulement d'au moins deux spires de l'antenne avec une seconde extrémité externe et que la première extrémité externe et la seconde extrémité externe sont connectées électriquement au moyen d'un trou d'interconnexion, ce qui permet de réaliser les enroulements de chaque couche au droit l'un de l'autre (par exemple à la périphérie de la carte) afin d'optimiser l'utilisation de la surface de la carte.

Au moins une couche peut porter une partie au moins d'un enroulement continu connecté à chacune de ses extrémités à une borne du microcircuit ; l'enroulement continu forme ainsi une antenne magnétique.

On peut prévoir dans ce contexte qu'au moins une desdites couches porte une partie au moins d'un enroulement formant résonateur et couplé par couplage capacitif audit enroulement continu, ce qui permet d'obtenir de très bonnes performances pour l'antenne autour de la fréquence de résonance de l'ensemble.

Selon une autre possibilité, chacune desdites au moins trois couches peut comprendre une partie de l'enroulement continu. On obtient ainsi une antenne magnétique comprenant un nombre relativement important de spires. Lesdites au moins trois couches sont par exemple portées par un insert de la carte à microcircuit, ce qui constitue une solution particulièrement pratique.

On peut prévoir par ailleurs que le corps de la carte comprenne au moins deux feuilles, une face au moins de chacune desdites feuilles formant une desdites au moins trois couches. Une au moins desdites feuilles peut alors former une desdites couches au niveau de chacune de ses deux faces.

Dans ce contexte, ladite feuille est par exemple traversée par un trou d'interconnexion reliant électriquement une partie d'antenne contenue dans l'une desdites faces de ladite feuille et une partie d'antenne contenue dans l'autre desdites faces de ladite feuille. Une troisième couche peut en outre être interposée entre lesdites deux feuilles, réalisée par exemple dans une résine isolante.

Dans une forme particulière de réalisation, le microcircuit associé à l'antenne est apte à mettre en œuvre une communication conforme à la norme ISO 14443.

Comme on l'a vu, l'invention est particulièrement adaptée aux cartes de petites dimensions ayant par exemple une plus grande dimension inférieure à 50 mm.

Une telle carte à microcircuit de petites dimensions est par exemple une carte selon la norme ISO 7816 au format ID-OOO ou au format UICC (pour

"Universal Integrated Circuit Card"). Il peut s'agir également d'une carte mémoire, par exemple du type MMC (pour "Multi Media Card") ou RS-MMC (pour "Reduced

Size Multi Media Card").

Il peut donc s'agir dans certains des cas qui viennent d'être évoqués d'une carte de téléphonie mobile (par exemple destinée à être insérée dans un téléphone mobile ou autre entité comportant des moyens de communication mobile), ou en variante d'une carte bancaire, d'une carte de transport ou d'un document officiel d'identification.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente un premier exemple de mise en œuvre de l'invention ; les figures 2A à 2D représentent des couches formées dans le corps de la carte de la figure 1 ; les figures 3A à 3D représentent les couches d'une carte selon un second mode de réalisation de l'invention ; les figures 4A à 4E représentent les étapes d'un procédé de fabrication d'une carte à microcircuit selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; les figures 5A à 5D représentent quatre couches de la carte à microcircuit produites par le procédé des figures 4A à 4E.

La figure 1 représente une carte à microcircuit au format ID-OOO (c'est-à- dire inscrite dans un rectangle dont la longueur est comprise entre 24,9 mm et 25,1 mm et dont la largeur est comprise entre 14,9 mm et 15,1 mm). On notera que la représentation de la figure 1 est schématique, les proportions n'ayant pas été respectées pour donner plus de clarté à cette figure.

La carte à microcircuit 2 comprend un microcircuit 4 dont deux bornes sont connectées à une antenne comme décrit plus en détail dans la suite, afin de

pouvoir communiquer avec un lecteur de carte extérieur selon un protocole conforme à la norme ISO 14443 à une fréquence de l'ordre de 13,56 MHz.

Le corps de la carte 2 est ici formé par Ia superposition de trois feuilles 6,

7, 8 (qui forment Pinsert ou "inlay" de la carte) réalisées dans un matériau électriquement isolant et protégées par une couche externe supérieure 1 et une couche externe inférieure 3.

Les trois feuilles 6, 7, 8 définissent au moyen de chacune de leurs faces

(dont deux sont communes) quatre couches 10, 20, 30, 40 au niveau desquelles sont déposées des spires d'une antenne comme décrit ci-après. Chacune des quatre couches 10, 20, 30, 40 est à présent décrite en référence respectivement aux figures 2A à 2D.

La première couche 10 représentée à la figure 2A comprend une plaque rectangulaire 11 en matériau conducteur ainsi qu'un enroulement conducteur 12 formé d'environ deux spires (précisément légèrement plus de deux spires) et connecté à une de ses extrémités à la plaque rectangulaire 11.

L'enroulement 12 se termine à son autre extrémité par un premier trou d'interconnexion 13 (parfois dénommé "via" selon l'appellation anglo-saxonne, par exemple un trou métallisé) lié électriquement à un enroulement de la seconde couche 20 comme décrit ci-après. On remarque que chacune des spires de l'enroulement 12 est de forme généralement rectangulaire et s'étend à proximité de la périphérie de la carte afin de maximiser la surface de chacune des spires.

On peut également remarquer que la spire interne de l'enroulement 12 est celle qui contient l'extrémité de l'enroulement 12 connecté à la plaque rectangulaire 11 tandis que la spire externe de l'enroulement 12 est celle qui contient l'extrémité connectée au premier trou d'interconnexion 13.

L'extrémité de l'enroulement 12 connectée à la plaque rectangulaire 11 est par ailleurs au contact d'un second trou d'interconnexion 14 et d'un troisième trou d'interconnexion 15. Le second trou d'interconnexion 14 traverse l'ensemble des feuilles 6, 7,

8 jusqu'à une première borne du microcircuit 4, implantée ici dans la couche externe inférieure 3. Le second trou d'interconnexion 14 réalise ainsi la connexion électrique entre l'extrémité interne de l'enroulement 12 situé dans la première couche 10 et cette première borne du microcircuit 4.

Le second trou d'interconnexion 15 relie quant à lui la plaque rectangulaire 11 de la première couche 10 à une autre plaque rectangulaire située dans la troisième couche 30 comme décrit ci-après.

La figure 2B représente la seconde couche 20 qui comprend une plaque rectangulaire en matériau conducteur 21 et un enroulement conducteur 22 formé d'environ deux spires (ici légèrement moins de deux spires).

Comme bien visible sur la figure 2B, la plaque rectangulaire 21 et l'enroulement 22 ne sont pas connectés électriquement au niveau de la seconde couche 20. L'extrémité externe de l'enroulement 22 (c'est-à-dire l'extrémité libre de la spire externe de cet enroulement) est située au contact du trou d'interconnexion 13, si bien que l'enroulement 22 de la seconde couche 20 est connecté à l'enroulement 12 de la première couche 10 au niveau de cette extrémité externe de l'enroulement 22. L'extrémité interne de l'enroulement 22 (c'est-à-dire l'extrémité libre de la spire interne de l'enroulement 22) est connectée à un quatrième trou d'interconnexion 23 en vue d'une connexion à un enroulement de la troisième couche 30 comme décrit ci-après.

On remarque ainsi qu'en partant du second trou d'interconnexion 14 dans la première couche 10 (où est connecté le microcircuit 4), l'enroulement 12 de la première couche 10 s'étend en spirale vers l'extérieur jusqu'au premier trou d'interconnexion 13, alors que l'enroulement 22 de la seconde couche 20 s'étend au contraire vers l'intérieur du premier trou d'interconnexion 13 au quatrième trou d'interconnexion 23. De ce fait, malgré la présence d'une pluralité de spires (ici deux spires) dans chacune des couches 10, 20 et la nécessité d'une position commune dans les deux couches 10, 20 pour le point d'interconnexion entre leurs enroulements respectifs 12, 22 (ici le trou d'interconnexion 13), l'enroulement vers l'extérieur de l'enroulement 12 de la première couche 10 et l'enroulement vers l'intérieur de l'enroulement 22 de la seconde couche 20 permettent aux deux enroulements 12, 22 de rester dans l'espace défini par les deux spires de l'enroulement 12, à proximité de la périphérie de la carte 2.

La plaque rectangulaire 21 de la seconde couche 20 est reliée à un cinquième trou d'interconnexion 24 pour connexion à une plaque rectangulaire de la quatrième couche 40 comme décrit ci-après.

La figure 2C représente la troisième couche 30 de la carte à microcircuit 2.

La troisième couche comprend une plaque rectangulaire 31 en matériau conducteur et un enroulement 32 d'environ deux spires (ici légèrement moins de deux spires).

Comme en ce qui concerne la seconde couche 20, la plaque rectangulaire 31 et l'enroulement conducteur 32 de la troisième couche 30 sont isolés électriquement l'un par rapport à l'autre au niveau de cette troisième couche 30.

L'enroulement 32 comprend une spire interne dont l'extrémité libre est située au contact du quatrième trou d'interconnexion 23 et assure ainsi la connexion électrique de l'enroulement 32 de la troisième couche 30 à l'enroulement 22 de la seconde couche 20.

L'extrémité libre de la spire externe de l'enroulement 32 est quant à elle située au contact d'un sixième trou d'interconnexion 33 qui permet la connexion de l'enroulement 32 de la troisième couche 30 à un enroulement de la quatrième couche 40 comme décrit ci-après.

Comme déjà vu à propos de la première couche 10 et de la seconde couche 20, on remarque que l'enroulement 32 de la troisième couche 30 s'étend en spirale vers l'extérieur à partir du quatrième trou d'interconnexion 23 alors que l'enroulement 22 de la seconde couche 20 s'enroulait en spirale vers l'intérieur jusqu'à ce même quatrième trou d'interconnexion 23. Comme déjà mentionné, la poursuite vers l'extérieur dans la troisième couche 30 de l'enroulement réalisé vers l'intérieur dans la seconde couche 20 permet de réaliser les deux spires de chaque enroulement dans la même zone périphérique de la carte 2.

La plaque rectangulaire 31 de la troisième 30 est connectée au troisième trou d'interconnexion 15, et est ainsi reliée à la plaque rectangulaire 11 de la première couche 10 (et par la même à la première borne du microcircuit 4 par l'intermédiaire du second trou d'interconnexion 14).

La figure 2D représente la quatrième couche 40 de la carte à microcircuit 2.

La quatrième couche 40 comprend une plaque rectangulaire 41 formée d'un matériau électriquement conducteur et un enroulement 42 de deux spires conducteurs.

L'extrémité libre de la spire interne est connectée électriquement d'une part à la plaque rectangulaire 41 et d'autre part au cinquième trou d'interconnexion

24, qui assure quant à lui non seulement la connexion électrique à la plaque rectangulaire 21 de la deuxième couche 20, mais également la connexion électrique à la seconde borne du microcircuit 4.

L'extrémité libre de la spire externe de l'enroulement 42 de la quatrième couche 40 est quant à elle au contact du sixième trou d'interconnexion 33 pour connexion à l'enroulement 32 de la troisième couche 30 comme déjà mentionné.

Ainsi, l'enroulement 42 de la quatrième couche 40 s'enroule vers l'intérieur du trou d'interconnexion 33 (où il est relié électriquement aux enroulements des couches supérieures 30, 20, 10) jusqu'à son extrémité interne où il est en contact d'une part avec la plaque rectangulaire 41 et d'autre part avec la seconde borne du microcircuit 4.

Les enroulements 12, 22, 32, 42 sont ainsi reliés en série les uns aux autres au moyen respectivement des trous d'interconnexion 13, 23, 33 et l'association en série de ces enroulements est par ailleurs connectée aux bornes du microcircuit 4 au moyen des trous d'interconnexion 14 et 24. On forme ainsi, grâce à la superposition des couches contenant chacune environ deux spires dans la zone périphérique de la carte, un enroulement d'environ huit spires qui s'étendent chacune dans cette même zone périphérique, et qui ont donc chacune une surface de l'ordre de la surface de la carte 2. Comme déjà indiqué, les enroulements sont réalisés par un élément conducteur électriquement ; il s'agit par exemple de fils de cuivre, ou de pistes conductrices (encre conductrice ou piste métallique, par exemple en cuivre), avec une épaisseur typique de 40 μm et une largeur d'environ 100 μm, espacées d'environ 100 μm. On remarque par ailleurs que les plaques rectangulaires 11, 21 , 31 , 41 , connectées deux à deux avec interposition, chaque paire de plaques étant connectée à une borne du microcircuit, permettent la formation d'une capacité afin d'adapter l'impédance de l'antenne à l'impédance nécessaire aux bornes du microcircuit 4.

On va à présent décrire respectivement en référence aux figures 3A à

3D quatre couches d'une carte à microcircuit selon un second exemple de mise en œuvre de l'invention. Ces quatre couches peuvent être implantées de manière analogue à ce qui a été présenté pour le premier mode de réalisation en référence à la figure 1 et on ne reviendra par conséquent pas ici sur une telle description.

Une première couche 110 de la carte à microcircuit (qui s'étend sur toute la surface du corps de celle-ci) est représentée à la figure 3A.

La première couche 110 comprend une spire (ou boucle) 112, réalisée par exemple au moyen d'une piste conductrice, et une plaque rectangulaire 111 en matériau conducteur.

La spire 112 est en contact à une première extrémité de celle-ci (située dans une zone périphérique de la carte) avec un premier trou d'interconnexion 113 qui s'étend jusqu'à la quatrième couche pour connexion à une autre spire comme décrit ci-après. L'autre extrémité de la spire 112 (située ici dans une zone interne de la couche 110, par opposition à la zone périphérique où sont situés la majeure partie de la spire 112 et le trou d'interconnexion 113) est au contact d'un second trou d'interconnexion 114 qui traverse l'ensemble des couches décrites aux figures 3A à 3D jusqu'à une première borne du microcircuit 104 de la carte à microcircuit. Un troisième trou d'interconnexion 115 est situé à proximité de la plaque rectangulaire 111 et en contact électrique avec celle-ci.

La seconde couche 120 représentée à la figure 3B comprend une plaque rectangulaire 121 en matériau conducteur et un enroulement 122 d'une pluralité de spires (ici environ quatre spires). L'extrémité libre interne de l'enroulement 122 est connectée d'une part à la plaque rectangulaire 121 et d'autre part à un quatrième trou d'interconnexion 123 pour connexion à une autre plaque rectangulaire située dans la quatrième couche comme décrit ci-après.

L'extrémité externe de l'enroulement 122 est quant à elle connectée au moyen d'un cinquième trou d'interconnexion 124 à un autre enroulement situé dans la troisième couche et décrit à présent.

La troisième couche 130 représentée à la figure 3C comprend en effet un enroulement 132 composé d'une pluralité de spires (ici environ quatre spires) dont l'extrémité externe est située au contact du cinquième trou d'interconnexion

124 et dont l'extrémité interne se termine au contact d'une plaque rectangulaire 131 en matériau conducteur, au niveau et au contact également du troisième trou d'interconnexion 115, ce qui permet ainsi la connexion électrique de la plaque rectangulaire 111 de la première couche 110, de la plaque rectangulaire 131 de la troisième couche 130 et de l'extrémité interne de l'enroulement 132 de la troisième couche 130.

On remarque que l'enroulement 122 de la seconde couche 120 s'étend en spirale vers l'extérieur jusqu'au cinquième trou d'interconnexion 124, tandis que l'enroulement 132 de la troisième couche 130 s'étend en spirale vers l'intérieur à partir du cinquième trou d'interconnexion 124, ce qui permet à l'ensemble des spires des enroulements 122, 132 de s'étendre dans la zone périphérique de la carte à microcircuit, et ce malgré le nombre important de spires et la continuité de l'enroulement ainsi obtenu.

La quatrième couche 140 représentée à la figure 3D comprend une plaque rectangulaire 141 en matériau conducteur et une spire 142 (ou boucle) dont une extrémité est située au niveau du premier trou d'interconnexion 113 afin d'assurer la liaison électrique avec la spire 112 de la première couche 110.

L'extrémité opposée de la spire 142 est au contact électrique de la seconde borne du microcircuit 104. La plaque rectangulaire 141 est quant à elle connectée électriquement à la plaque rectangulaire 121 de la seconde couche 120 et à l'extrémité interne de l'enroulement 122 de la seconde couche 120 grâce au quatrième trou d'interconnexion 123 déjà mentionné.

L'empilement des quatre couches qui viennent d'être décrites et leur connexion au moyen des trous d'interconnexion susmentionnés permettent la formation de deux éléments de l'antenne de la carte à microcircuit : un premier circuit formé de deux spires conductrices 112, 142 et connecté aux bornes du microcircuit 104 formé des éléments suivants : trou d'interconnexion 114, spire 112, trou d'interconnexion 113, spire 142 ; - un second circuit, formant résonateur, sans contact électrique direct avec le circuit précédent, mais couplé à ce dernier par couplage capacitif [merci de confirmer], ce second circuit comprenant les enroulements 122, 132 reliés par le trou d'interconnexion 124, les plaques 121 , 141 étant connectées à une extrémité

de l'association des enroulements 122, 132, les plaques 131, 111 étant connectées à l'autre extrémité de l'association des enroulements 122, 132.

Le résonateur formé par le second circuit est tel que l'ensemble des deux circuits, couplés par couplage capacitif, résonne à une fréquence de l'ordre de 13,56 MHz, ce qui revient à amplifier le signal délivré au microcircuit 104 par l'association série des spires 112, 142 connectées à ses bornes.

On va à présent décrire un procédé de réalisation d'une carte à microcircuit selon un troisième mode de réalisation de l'invention en référence aux figures 4A à 4E. La figure 4A représente une première feuille 206 portant sur chacune de ses faces des pistes conductrices, et plus précisément un enroulement 231 visible à la figure 5C, formé de deux spires, sur sa face supérieure, et une simple spire (ou boucle) 241 sur sa face inférieure comme visible à la figure 5D.

On note que les figures 5A à 5D représentent des sections en vues de dessus par rapport aux figures 4A à 4E (et non des vues de face de chacune des faces de la feuille 206 qui vient d'être décrite).

La première feuille 206 est par exemple réalisée en polyéthylène téréphtalate (PET) avec une épaisseur comprise entre 150 μm et 200 μm, par exemple 180 μm. On dépose sur la feuille 206 une couche de résine, puis on forme, par exemple par photolithographie, un trou 232 au droit de l'extrémité interne 233 de l'enroulement 231 situé sur la face supérieure de la feuille 206.

On obtient ainsi la structure représentée à la figure 4B.

On remplit alors le trou 232 d'une colle conductrice 234, de préférence anisotrope, et avantageusement avec un léger débordement de la colle afin d'assurer une connexion électrique comme décrit plus bas.

On dépose alors sur la couche de résine 207 une seconde feuille 208, en matériau isolant, par exemple également en PET, qui porte sur chacune de ses faces des pistes conductrices comme décrit à présent. La seconde feuille 208 porte sur sa face inférieure un enroulement 221 formé de deux spires comme représenté à la figure 5B, avec une extrémité interne 222 située au droit, et par conséquent au contact, de la colle conductrice 234, et avec une extrémité externe 223 au niveau d'un trou d'interconnexion 224 qui traverse la seconde feuille 208 jusqu'à sa face supérieure.

La face supérieure de la seconde feuille 208 porte quant à elle un enroulement 211 d'environ deux spires, avec une extrémité interne libre et une extrémité externe 212 située au contact du trou d'interconnexion 224.

On a ainsi réalisé un enroulement continu d'environ six spires dans trois couches représentées respectivement aux figures 5A à 5C. Plus précisément, l'enroulement 211 situé sur la face supérieure de la seconde feuille 208 (cette face supérieure formant une première couche 210) est relié au niveau de son extrémité externe 212 à l'enroulement 221 de la face inférieure de cette seconde feuille 208 au moyen du trou d'interconnexion 224. L'enroulement 221 situé sur la face inférieure de la seconde couche 208

(cette face inférieure formant ainsi une seconde couche 220) est quant à lui connecté à l'enroulement 231 de la face supérieure de la première feuille 206 au moyen de la colle conductrice 234 (la face supérieure de la première feuille 206 formant ainsi une troisième couche 230). La face inférieure de la première feuille 206 forme quant à elle une quatrième couche 240 représentée à la figure 5D, au niveau de laquelle chaque extrémité de l'enroulement 241 forme un plot 242, 243 de connexion à un microcircuit 204 qui peut être ainsi monté retourné sur la face inférieure de la première feuille 206, comme représenté en figure 4D. On obtient ainsi un ensemble de couches internes de la carte (ici formé par les feuilles 206, 208 et la résine 207), parfois dénommé "inlay", qui a une fonction d'insert intercalé entre une couche externe supérieure 201 et une couche externe inférieure 203, par exemple par un procédé de lamination, afin d'obtenir la carte représentée à la figure 4E. Comme également représenté sur cette figure, on peut éventuellement former une cavité 205 dans la couche externe 201 en vue d'y déposer un module lorsque l'on souhaite obtenir une carte hybride (le module précité étant apte à communiquer au moyen de contacts présents sur sa face externe, tandis que le microcircuit 204 est apte à une communication sans contact comme décrit à présent).

Le procédé qui vient d'être décrit a permis l'obtention d'une carte à microcircuit dans laquelle une simple spire 241 est connectée aux bornes du microcircuit 204 dans la quatrième couche 240. Un enroulement formé d'un nombre relativement important de spires (en particulier malgré les dimensions réduites de la

carte à microcircuit) est couplé à la simple spire 241 par couplage capacitif du fait de la faible épaisseur de la première feuille 206.

L'ensemble continu des enroulements 231 , 221 , 211 forme ainsi un résonateur couplé à la simple spire 241, ce qui permet une amplification des signaux transmis au microcircuit 204 par Ia spire 241 pour des fréquences proches de la fréquence de résonance de l'ensemble spire 241 -résonateur 211, 221, 231 , qui est choisie proche de la fréquence de communication utilisée par le microcircuit 204, ici 13,56 MHz.

Les modes de réalisation qui viennent d'être décrits ne sont naturellement que des exemples possibles de mise en œuvre de l'invention.