一种转发器线圈的制造方法 和用该法生产的转发器 【技术领域】
本发明涉及一种根据权利要求1的序言生产转发器线圈的制造方法，并涉及包括根据这种方法生产的一个线圈的一种转发器。更具体地说，本发明涉及一种生产转发器(例如芯片卡)线圈的方法。
现有的技术
在转发器工艺，特别是转发器式的芯片卡的工艺中，经常希望将一个电感线圈与安装在一块印刷电路板上的一个电子线圈(例如，一个集成电路)连接。例如，在WO-91/19302中就描述了这样一种结构。一般，该线圈是通过将一根导线绕在一个芯子周围来制成的。这种线圈制造起来很复杂，因此成本较高。另外，该印刷电路和该线圈之间的连接还会带来另外一些安装和可靠性的问题，特别是当这些元件是集成在对变形和机械应力没有适当保护的一张芯片卡上时更是如此。此外，该线圈的厚度使它很难集成到标准厚度为0.76mm的一张芯片卡中。
还已知一些线圈，其匝圈是直接由一个印刷电路的导电通道形成的，这样可以避免低温焊接。该印刷电路的通道一般是利用光化学方法制造的，这种方法需要许多昂贵的工序和使用有污染的产品。
US4 555 291说明了一种基本上是机械式地生产一个线圈的方法。预先将一块细边的金属薄膜切割成螺旋形。为了使切出的螺旋形刚性较高，许多匝圈都不完全分开。然后，将该螺旋固定在一块绝缘材料上，将第二个切割装置投入工作，去除匝圈之间的相互连接，留下的就是电感性质的线路。
这种方法使用起来较复杂，特别是它还需要两个不同的切割工序。预先切出的金属薄膜的厚度必须足够大，以便在薄膜运输过程中不会产生变形或撕坏；而各个匝圈和在各个匝圈之间切出的间隙的宽度也同样必须足够大，以便在将该薄膜层叠在该绝缘层上之前，使该薄膜的刚度最小。
另外，还已知其它一些制造线圈的方法。这些方法是从用一个表面导电层覆盖一块合成材料制的薄膜开始，然后，利用一个冲模，通过所述导电层的机械式冲压，将不同的匝圈分开。例如，US2 622 054,EP0 096 516或GB 610 058说明了这样一种方法的不同变化型式。利用这些冲压方法，很难得到宽度非常狭窄的通道。另外，该合成材料薄膜的厚度必须足够大，以便承受冲压压力，并且该薄膜也必须保持具有足够大的刚性，甚至在被该冲模冲压的区域中。
DE-2 758 204叙述了一种生产印刷电路的方法，特别是生产电感的方法。在该方法中，形成该线圈的各个匝圈的不同通道是通过对覆盖一层表面金属层的合成材料薄膜进行热-机械加工而被分开的。一个被加热的金属销针(3)穿过该表面金属层，并同时使该合成材料薄膜的一部分，在该金属下面熔化。
更具体地说，上述文件中所述的方法适合于生产厚度不是关键因素的各种不同的装置或线圈。该合成材料层(1)的厚度必须足够厚，以便由该销针(3)作出刻痕，同时，该合成材料层在被加热时，不会被该销针(3)完全穿透。另外，该销针(3)的温度控制还另外有一些困难，即，该金属销针(3)必须运动得足够缓慢，以便该合成材料薄膜有时间熔化。因此，这种方法不适合于生产，例如，必须集成在芯片卡中，其厚度、成本以及生产时间都必须减至最小的线圈。
这里引入了其内容供参考的专利申请WO98/04105说明了一种生产转发器，特别是，芯片卡的方法。该转发器包括一个通过冲压一块具有一个导电层的片材，而不需要将该片材在深度方向推压，或去除任何一点导电材料的方法而制成的线圈。该冲模具有一个边缘锋利的表面，用于与该导电层接触。这种方法可以十分经济地获得极其薄的、能够插入(例如)芯片卡中的线圈。切口的宽度很小，因此可以在一个与一个转发器，或一个芯片卡的面积一样小的面积上，得到许多的匝圈。
因此，本发明的一个目的是要提出对在上述专利申请WO98/04105中所述的线圈生产方法的改进，特别是要提出一种可以使在一个转发器上的该线圈的匝圈密度能更加增大，和/或该线圈的厚度能够减小的方法。
发明的说明
根据本发明的一个方面，这个目的可以利用诸如权利要求1所述的一种制造印刷电路的方法来达到。
本发明是通过下述观察提出来的，即在专利申请WO98/04105所述的装置中，很难整齐和精确地切割出划分一个线圈的多个匝圈的切口。这种困难是由用于制造该导电层的金属的韧性造成的。当该冲模下降时，它嵌入该导电层中，使导电层变形，而不是立即就切割该导电层。当压力足够大时，在该冲模下面的导电层突然撕裂。利用这种方法冲压出的切口边缘的刃边不是十分整齐，有时还有毛刺，因此，很难冲压出细小和较浅的切口，特别是当该冲模不是很锋利时，更是如此。为了减小在该切口每一侧的各个匝圈之间短路的危险，必须经常更换该冲模，并且，例如通过进一步使该冲模下降，使冲压出的切口宽度较大，而这样做是违背了要最大限度地增大匝圈密度和限制该线圈的厚度的目的。
另外，还很难在一般为铝制成的导电层的顶面上，将通常为PVC制成的一个保护层层叠在该芯片卡上。当该铝片不是绝对平时，这个问题特别严重。
根据本发明，首先将要冲压的该导电层用一块表面薄膜(例如，用一块合成材料薄膜)覆盖，可以消除这些困难。
试验表明，使用一个相同的冲模，在穿透深度相同的情况下，这个表面薄膜可使切口的冲压容易得多，并可使切口边缘的刃边整齐得多，并可使切口边缘的刃边整齐得多。
通过进一步将一种绝缘材料(例如，一个涂层、粘接剂或层叠的顶层的材料)插入该冲压出的切口中，还可以保证相邻匝圈之间的最佳绝缘。
因此，这个方法可以避免现有技术的上述缺点。
附图简要说明
本发明的其它方面和优点通过结合附图对实施例进行的说明中将会了解，其中：
图1至图6为在六个依次的制造阶段过程中，线圈一部分的截面图；
图7为一张芯片卡的透视图，该芯片卡包括根据在该线圈和一个电子元件之间的连接方式的第一个实施例的一个印刷电路，该线圈和该电子元件在该芯片卡上安装时都是透明、可透光的；
图8为一张芯片卡的透视图，该芯片卡包括一个根据该线圈和一个电子元件之间连接方式的第二个实施例的印刷电路，该线圈和电子元件在该芯片卡上安装时都是透明、可透光的。
图1表示片材1,4,2的截面图。该片材1,4,2最好由任何一种绝缘层1(例如，PVC形式的合成材料，或纸板)，覆盖一层表面导电层2组成。根据使用场合的不同，可以选择一种挠性的薄膜，或相反，选择一种刚性较大的层。该层1，由一种复合材料或多层材料构成(例如，一种包括许多层材料的层叠板)；或者它可以在要容纳该电子元件的区域里，包括一些局部的增强件(例如，环氧树脂，玻璃纤维，碳纤维等)。
该表面导电层2，可以利用一种已知的方法(例如，通过锡焊或利用粘接剂4)加在该层1上，并保持在规定位置上。该粘接剂4(例如)可以为一种热固化的粘接剂，一种冷固化的粘接剂或一种暴露在UV中变硬的粘接剂；也可以使用双面涂有粘接剂的片材或一种热粘接薄膜作为粘接剂4。该导电层2由一种相应的金属(例如，铜、铝、银或导电合金)制成，或利用一种导电油墨制成。
最好，该绝缘层1上做出一些通孔，在加压为层叠时，这些通孔由导电层2的金属充满。这样，可以经济地制成在该片材1,4,2的下表面上的多个电气接触点。在另一种形式中，可以利用加入一个插入件而使这些通孔具有导电性。
根据本发明，该导电层2的上表面(远离该层的表面)预先至少是部分地用薄膜3(例如，合成材料制成的薄膜)覆盖。市场上拥有许多覆盖着一层薄的、合成材料保护层的金属片材(例如，铝制片材)。以后将会看到，这个薄膜3的作用主要是便于冲压上述切口，以便划分通道和改进所得到的该切口的质量。亦可以在将该导电层2和该层1层叠在一起之后(例如，正好在冲压之前)，将该薄膜3放置在该导电层2上。
图2表示在划分导电通道之前，在部分片材1,2,3,4的上面的一个冲模5的截面图。该冲模5具有用于与上述表面层3接触的、边缘锋利的表面6。
利用图中没有示出的装置，可使该冲模5下降，其下降的压力正好足以使该边缘锋利的接触表面6在该表面金属层2上穿孔和切割该金属层。还可利用机械挡块来控制该冲模的下降。该表面6的轮廓很锋利，因此，不需要去除导电材料(而在铣削方法的情况下，则需要去除导电材料)，和不需要在深度方向推压材料(而在GB1 138 628申请中的冲压方法的情况下，则需要这样)，该冲模就可以在导电层2中切割出细小的切口7。这里，该金属材料被上述接触表面6切割。
图3表示在划分了导电通道8之后，覆盖着金属层2的片材1,2,3,4的部分的截面图。可以看出，该切口7的深度足以穿过该薄膜3，该金属层2和该层粘接剂4，并且可能与合成材料制的绝缘层1接触。在一种变化型式中，该切口7只完全穿过该薄膜3和该表面金属层，而该切口的底部则在该层粘接剂4的中间。这样，加工导电通道8之间的分界区只使该合成材料制的薄膜1削弱很少，因此，可使该层叠片材的厚度达到极小。
在本发明的一个没有示出的变型的实施例中，为了尽可能多地减小该芯片卡的厚度，在冲压工序之后，去除便于加工出整齐的切口用的该薄膜3。为此，该薄膜3不需要粘贴在该金属层2上，或者至少不需要利用永久性的粘接剂粘贴。
冲压会使材料侧向突出，进入该切口7中。这种材料的突出使片材1,2,3,4弯曲，造成切口7裂开很宽。图3将这种现象大大地扩大了。
为了优化在印刷电路上的导电通道8的密度，该切口7的宽度应尽可能细小。该表面层3可使切口切得非常整齐，因此可以大大减小由切割的毛刺引起的导电通道8之间的短路危险。
冲模具有螺旋形的切割表面6，可以切割在该导电层2上的一个电感元件(线圈)，该线圈的匝圈是由该印刷电路的导电通道形成的。为了在所制出的印刷电路上固定一些分立元件，可以进行一些通常的另外的加工工序(例如，钻孔和锡焊)。
未示出的下一个制造工序过程中，最好不要粘住和除去该导电层2的某些预先切出的区域，以便只保存该导电层2的有用部分。这些未粘住的区域可以包括，各个匝圈之间，在该线圈内部的金属区A(图7和图8)，在该线圈外面的区域C，或所述匝圈的一部分。通过使分别位于该匝圈内侧或外侧的部分A和C分开，可以使这些形状难以控制的部分不致干扰该线圈的磁场的磁力线，因此，也可避免非预测性地改变该线圈的特性。不粘住匝圈的部分B，可以调节该线圈的电感。还可以在冲压之后加工各个匝圈来调节该线圈的电感。为了便于分开，最好在该导电层2和层1之间采用非永久性的粘接剂4，这样，通过剥去所希望的部分A,B,C而容易地分开。在另一个实施例中，也可以预先将粘接剂涂在想要放置在该层1上的该金属层2的那些部分上，而不粘住要除去的剩余部分。
由(例如)PVC材料制成的绝缘层在芯片卡的A,B,C部分是可见的，在该处，金属层2不与两个相连的层3和/或4粘贴在一起。由于保护层22一般选择为用与该层1相同的绝缘材料制成，这就大大地便于将该保护层22层叠在该芯片卡的顶部(将在下面说明)。特别是，如果该导电层的部分C未粘住，则可以保证在该芯片卡的边缘上层1和22能粘紧。
在切出切口7之后，根据本发明的方法最好包括一个将绝缘材料插入该切口7中的步骤，以便防止当该芯片卡变形时，该切口再次闭合。在图4中，该切口充满(例如)清漆、油漆、树脂或预先浸渍的材料9的涂层，这些涂层材料被喷射在片材1,2,3,4的表面上而雾化，然后通过丝网印花工艺粘接或涂敷在该切口表面上。然而，该切口也可以用任何绝缘材料充满和进行绝缘。例如，该片材1,2,3,4的表面可以涂上冷固化或热固化的粘接剂液体，使这些液体渗透至该切口7的底部，使一个上保护层与该切出的线圈的表面粘接在一起。考虑到由于片材的弯曲使切口的空隙最大，该所选择的材料9很容易渗透至该切口7的底部。材料9可以充分地补偿上述切出的片材1,2,3,4高度的不均匀性。如下所述，该切口7也可以部分地被接着层叠上去的顶层材料填充。
当相邻的匝圈之间的短路风险较高时(例如，在挠性层的情况下)，可以去除匝圈之间的一部分导电层(例如，通过扯开的方法)。在这种情况下，必须在要进行绝缘的匝圈之间切出两个切口，并使这两个切口之间的金属不粘住。
下一个可选择的制造工序(未示出)是矫直片材1,2,3,4。为此，可以在高温下，在两块平板之间压缩该片材，以补偿其弯曲。
在第一实施例中，在这个校正弯曲的工序操作中所加的压力足以将该导电层2,3,4的未扯开的部分压入该绝缘层1的厚度中。可以将该导电层2向下推压，直到它与该绝缘层1的上表面齐平，从而可显著地改善该分层结构的平面度。
在第二实施例中，由该导电层2的A,B和/或C部分的不粘住造成的高度差别，可通过在该绝缘层1上层叠一个未示出的中间绝缘板来补偿。该中间绝缘板的厚度基本上与层2,3,9的厚度一样，其形状与该未粘住的部分A,B,C的形状相适应。
在第三实施例中，这种高度的差别可以预先，甚至在加上层2,3之前，在该绝缘层1上层叠一个未示出的绝缘板来补偿。该绝缘板的厚度基本上与层2,3,9的厚度一样，其形状与没有通道的A,B,C部分的形状相适应。在这种情况下，在将导电层2,3层叠在层1上之前，先将该导电层2,3切成所希望的形状。
下一个制造工序(未示出)包括将至少一个电气或电子元件安装在该片材1,2,3,4。这个元件可以用任何一种方法(例如，利用胶水粘或利用粘接剂粘)固定在该片材上。在下面将要更详细讨论的另一实施例中，该元件仅放置在该片材的相应位置上，并且只用上述的上保护层保持在该位置。根据该元件厚度的不同，必须在该片材1,2,3,4上设置一个凹口，以容纳该元件，不使在该芯片卡表面上形成一个突起部分。该容纳元件的凹口可以(例如)在该片材1,2,3,4的一层或多层上加工出来。这种加工(例如)可以在这些层层叠之前，层叠过程中，或层叠之后，利用冲压方法进行。还可以利用冲模5来加工这个凹口，在这种情况下，该冲模5具有一个或多个部分，它们可以在容纳该元件的区域中，或任何厚度过大的区域(例如，在该线圈和该电子元件之间的搭桥区域)中，沿深度方向压缩该片材1,2,3,4或将该片材推压回来。该凹口区域可以局部地被推压进去；这个凹口还可以用覆盖该电子元件和将该元件保持到位的材料充满。
图5表示根据本发明制造的转发器的下一个工序。在这个工序过程中，本发明的片材1,2,3,4被至少部分地充满切口7的层9覆盖，被层叠在(至少是)一块上保护板22和(至少是)一块下保护板27之间。每一块保护板最好是在压力下，例如利用一层粘接剂220，或粘接剂270进行安装。用于安装该上保护板22的一层粘接剂220最好为稠的液体，以便补偿该芯片卡表面上，特别是该线圈和该电子元件(或多个电子元件)区域中的厚度不均匀性，并充满该切口7的剩余的空隙。还可以不用该粘接剂220,270层，而用热压的方法，将该保护板22,27层叠起来。在这种情况下，熔融的片材也可以补偿厚度的不均匀性和充满该切口7。另外，可以用一种已知的方法，在该保护板22和/或27上，设置(例如)电气触点用的窗口和容纳该芯片卡的元件的凹口。在没有预先印出该保护板22,27的情况下，该保护板22和27的外表面应足够光滑，以便印刷最终完成的芯片卡。
在本发明的另一个实施例中，省去了该下保护板27。在这种情况下，该芯片卡的下部外表面直接由该绝缘层1的表面构成，该下部外表面必须具有相应的表面质量，以便能进行印刷，如果需要的话，能在自动刷卡机中可靠地运行。
在另一个实施例中，该芯片卡是通过将该片材1,2,3,4放在一个模型中，然后在该片材周围喷射一些材料[外模制法(overmolding)]制成的。对于这个实施例，最好将另外一块绝缘板1层叠在组件1,2,3,4上，以便尽可能对称地模制出一块片材。在任何情况下，这个实施例中补偿片材的弯曲都不太重要。
图6表示通过一个完成的芯片卡的一部分的截面。应当注意，在加在层叠保护板22,27上的压力和这些保持板的刚性的综合作用下，可以避免该芯片卡弯曲，这意味着，该方法可以得到绝对平的芯片卡。在该保护板22,27是在冷的状态下层叠起来的情况下，一般不需要在层叠该保护板22,27之前，通过压缩来矫直该保护板的上述工序。
应当指出，在没有导电通道2,3,4,9的部分A,B,C中，可以直接将粘接剂层220层叠在该绝缘层1上，或者相应地，层叠在上述高度不均匀性补偿层上。这样，可保证最佳的粘接。
最好，由单一片材1,2,3,4制造几张芯片卡。例如，可以将大量的按方阵形式配置的线圈分布在一个尺寸足够大的单一的片材上，或分布在一个连续的带材上。在该片材上的不同的线圈可以利用一个单一的，大尺寸的冲模同时加工，或者利用可在每一次切割之间运动的同一个冲模(步进电机控制)依次进行加工。在上述两种情况下，在层叠于不同的层之后，都需要有一个表示出的劈开该片材，和切割单独的芯片卡的工序。
以上我们只简要地讨论了该电子元件(或多个元件)与这样加工出的该线圈的匝圈8的连接。图7和图8表示这种连接的两个实施例，其中，该转发器由一张具有一个集成电路25和一个线圈8的芯片卡构成。
放置在该芯片卡的一个或多个层中没有示出的一个凹口中的该集成电路25与该电感元件8的两端连接。在图7所示的情况中，该集成电路25直接与该线圈的内侧匝圈连接，而该集成电路25则放置在该线圈的匝圈之间。但是，该集成电路必需利用在该线圈8的匝圈之上的一个搭桥80，与线圈8的外侧匝圈连接。该搭桥可以(例如)由一条简单的在该导电通道8之上或之下的锡焊的导线构成。在具有几个导电层的电路的情况下，也可以使用其中一个喷涂金属层来制造该搭桥，或者在将该多个导电层2层叠起来之前，将该搭桥集成在该层1中。
在图7中，通过不粘住该线圈的最后一圈一个相应的长度，并且如果需要的话，将该长度弯折回来，折叠在另外一些匝圈之上，或者也可以使该长度通过为此准备的一个通孔，折叠在另一些匝圈之下，而非常简单地制造出该搭桥(如果合适的话，可在喷射了绝缘材料9之后再扯开该线圈最后一圈的相应长度)。该搭桥80和其他匝圈之间的电气绝缘只利用该喷涂的层9和/或层3来达到。该搭桥80的末端可以粘接在各个匝圈之间，或简单地由该金属材料2的刚性保持在规定位置上。该电子元件25的连接管脚250与这个搭桥80，因而也是与该线圈的内侧匝圈进行电气接触。在本发明的一个变型中，也可以将与该线圈独立的该导电层的一部分弯折回来，折叠在多个匝圈之上。
在图8中，该集成电路25跨在该匝圈8上进行安装。这种结构使该搭桥80成为多余的，因为该集成电路25的一个连接管脚250直接与该线圈8的外侧匝圈电气上连接，而另一个管脚250直接与该线圈的内侧匝圈连接。这个方案特别简单就可以实现，但它限制了能使用的集成电路25的选择，并具有一个缺点，即：将该线圈的厚度加到该集成电路25的厚度中去，或者需要准备一个凹口，或将该处的匝圈位置降低。
通过连接，可以将该连接管脚250与匝圈8粘接，锡焊或固定在一起。然而，在通常的转发器中曾经发现，当将该芯片卡弯折或变形许多次时，这种锡焊有时会断裂。为了减小这种危险，在本发明的一个优选实施例中，该连接管脚250简单地放置在该匝圈8上，不进行锡焊或任何特别的固定。这样，上述保护层22可将该集成电路25压紧在该通道8上。这种结构可允许该管脚在该芯片卡弯折时，能在该通道8上稍微滑动，而当该芯片卡重新恢复其形状时，又回复至其开始位置。由于该上保护层22的弹性，该管脚250可以一定的压力保持经常压紧该匝圈8的接触部分，这样，即使在多次弯折该芯片卡，或使它变形之后，仍可保证电气接触的高质量。
当然，很重要的一点是保证要与该集成电路25的管脚接触的该通道8的区域不被绝缘材料3或9覆盖。为此，例如，在层叠薄膜2或喷射绝缘材料9的过程中，将这个区域保护起来。还可以在安装该集成电路25之前，去除这些层3,9。
本领域普通技术人员将看到，本发明的这个附加的特点是与该线圈的制造无关的，可以用于将任何形式的缠绕或加工的线圈与任何形式的电子元件连接。
依据理想的应用场合和该芯片卡上剩余的空间大小不同，可以将不是该集成电路25和线圈8的元件集成在该印刷电路21上。例如，可以在该印刷电路上放置一个储能电路(未示出)，该电路可从外部，利用一个电感元件(例如，利用元件23)重新充电。理想情况下，这些其他的元件可以利用如上所述的方法，在该表面导电层(或多个层)2上加工出的导电通道互相连接，和与元件8与25连接。
本领域普通技术人员可以看到，与已知的大多数现有技术的方法相反，利用根据本发明的方法，在印刷电路上制造该导电通道8所产生的表面不平度明显地少，并且，这些表由不平度可以用粘接剂，或在上部的层熔化时得到补偿。因此，可以较容易地安装该上保护板22，同时可以得到一个绝对平的外表面。
还可以使用其他一些层叠带有根据本发明的线圈的芯片卡的方法，例如：构成专利申请WO94/22111的主题的方法(该专利申请文本这里引入供参考)，或在该专利申请中提到的现有技术的几种方法中的一种方法。
根据本发明的方法还可以扩展至带有双面和/或多层电路的转发器的生产，该转发器具有多个导电材料层2，它们重叠在一起，并经过加工，以形成多个层次和通道。除了芯片卡的制造以外，该方法还可用于生产任何形式的转发器(例如，用于给物体或动物的标签，或用于监视在商店中货物的转发器)。根据应用场合的不同，该线圈的形状和特性可能差别很大。在芯片卡用于银行交易或支付形式应用的情况下，芯片卡往往带有能以高频率(最好，为大于50kHz，例如10MHz的频率)与外界通讯的线圈。