（机械制造及其自动化专业论文）柔性嵌入式中文显示智能卡的研制.pdf

上海大学硕一i ：学位论文 摘要 目前电子产品对系统集成度的要求越来越高，这给微系统产品的设计与微 细间距封装工艺带来了新的要求。对微系统的硬件设计、软件设计及封装制造 工艺分开进行研究的方式已渐渐不能适应于诸如可视型智能卡等尺寸更小、集 成度更高的系统的开发工作。为了研制系统高密度集成的柔性嵌入式中文显示 智能卡，必须对各个研究环节进行协同设计，在样品的系统电路设计时就需要 综合考虑后续的智能卡多组件封装的工艺。 本文从中文显示智能卡的系统电路设计、集成电路程序设计、智能卡三维 整体结构设计，以及超精细间距封装工艺的研究等四大方面，对新型嵌入式中 文显示智能卡的系统开发及样品制备展开了全面的研究与实践。论文采用智能 卡“双微控制器 的系统结构方案，通过为智能卡系统引入两个微控制器来解 决目前智能卡系统由于安全性的限制而无法实现更多扩展功能的问题。在确定 系统结构的基础上，论文研究了柔性可视型智能卡的电源控制设计以及智能卡 的系统仿真等问题。同时，本论文对可视型智能卡的一个重要的技术瓶颈，即 柔性薄膜基板上的多组件微细间距封装问题进行了深入的研究，着重对应用于 超精细间距封装的柔性薄膜电路基板进行了电路设计与制版，在基板设计中提 出了为配合封装工艺需要对各组件热膨胀系数失配的补偿，并进行了柔性薄膜 基板电路结合超精细间距封装工艺的协同设计，最后通过工艺的研究与实践， 成功地实现了在柔性薄膜基板上进行多组件精细间距的封装，得到了一组可行 的微系统封装工艺流程与参数，最终成功地研制获得了柔性中文显示智能卡样 品。该样品在符合i s 0 7 8 1 6 国际智能卡尺寸标准的柔性塑料卡上实现了智能卡 的中文信息显示及人机交流界面。 关键词：智能卡，嵌入式中文显示，人机交流界面，柔性，超精细间距封装， v 上海大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf r o mt h es o c i e t yf o rt h eh i g h e ri n t e g r a t i o ng r a d eo f e l e c t r o n i cp r o d u c t sb r i n gm a s s i v ec h a l l e n g e st ot h em i c r o s y s t e md e s i g na n df i n e p i t c hp a c k a g i n gp r o c e s s e s t h em e t h o d o l o g y , w h i c hd e s c r i b e st h ec i r c u i ts y s t e m s ， s 0 1 a r ed e s i g na n dp a c k a g i n gp r o c e s s e ss e p a r a t e l y , i sn o ta b l et of u l f i l lt h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ef a b r i c a t i o no fp r o d u c t st h a ta r ew i t hs m a l l e rs i z ea n dh i g h e r c i r c u i td e n s i t y , s u c ha ss m a r tc a r d sw i t hf l e x i b l ed i s p l a y s t h ec o - d e s i g no nt h e w h o l es y s t e ml e v e l ，a sw e l l 嬲t h ec o d e s i g no nt h el a t t e rp a c k a g i n gp r o c e s s e s ，i s r e q u i r e di no r d e rt or e a l i z et h es m a r tc a r dw i t he m b e d d e dc h i n e s ed i s p l a yt h a ti sa n e x t r e m e l yh i g hd e n s i t ys y s t e m t 1 1 i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p st h ee x p a t i a t i o ni nd e t a i l so nt h ec h i n e s ed i s p l a y s m a r tc a r ds y s t e md e v e l o p m e n ta n ds a m p l ef a b r i c a t i o nu p o nt h ef o l l o w i n gf o u rm a i n a s p e c t s ：s y s t e mc i r c u i td e s i g n ，i n t e g r a t e dp r o g r a md e s i g n ，3 ds t r u c t u r ed e s i g nf o r s m a r tc a r d sw i t hc h i n e s ed i s p l a y , a n dt h er e s e a r c ho nu l t r af i n ep i t c hp a c k a g i n g p r o c e s s e s t h e r ei sa ni n n o v a t i v ec o n c e p tm e n t i o n e di n t h i sd i s s e r t a t i o nt h a tad u a l m i c r o c o n t r o l l e rs y s t e mm a yb ea b l et ob ea ne f f e c t i v es o l u t i o nt os o l v et h ei s s u e b e t w e e ns e c u r i t yp r o b l e ma n de x t e n d e df u n c t i o n so no n es i n g l es m a r tc a r d t h e d e s i g no fp o w e rc o n t r o l l e ra n dm i c r o s y s t e ms i m u l a t i o na r ea l s os t u d i e di nt h i sw o r k a f t e rt h ec o n f i r m a t i o no fs y s t e mc i r c u i t f u r t h e r m o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e t a i l st h e r e s e a r c ho nt h eu l t r af i n ep i t c ha s s e m b l yo nf l e x i b l es u b s t r a t e ，w h i c hi so n eo ft h e m o s ts i g n i f i c a n tb o t t l e n e c ko ft h es m a r tc a r dd i s p l a yt e c h n o l o g y c t em i s m a t c hi s c o n s i d e r e di nt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no ff l e x i b l ep o l y i m i d es u b s t r a t ed u r i n gt h e r e s e a r c hw o r k ，a n dt h r o u g hw h i c ht h ep r o j e c ts u c c e s s f u l l ys o l v e dt h ep r o b l e m so n m i c r o s y s t e mm o d u l a r i z a t i o na n du l t r af i n ep i t c hc h i pa s s e m b l yo nf l e x i b l es u b s t r a t e ， a n dt h e ne v e n t u a l l ya c h i e v e dt h ew o r k i n gs a m p l e so ff l e x i b l ec h i n e s ed i s p l a ys m a r t c a r d ，w h i c hr e a l i z e dt h ef u n c t i o n so fc h i n e s ed i s p l a ya n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ( m m l lo nf l e x i b l ep l a s t i cs u b s t r a t e sm e a s u r i n gu pt h ed e s i r e dd i m e n s i o n sa c c o r d i n g t ot h ei s 0 7 816i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d k e y w o r d s ：s m a r tc a r d ，e m b e d d e dc h i n e s ed i s p l a y , m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ( m m i ) ，f l e x i b l e ，u l t r af i n ep i t c ha s s e m b l y v i 上海人学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 日期：鲨鲨：三 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期：竺鲨：至 上海大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 1 1 1 论文研究的目的 本论文的研究工作来源于上海市科学技术委员会科研计划项目“模块系统 集成制造技术攻关 ，项目编号0 4 5 1 0 7 0 0 6 。项目的主要工作是以研究与探索高 密度系统集成和超精细间距封装工艺技术为基础，展开柔性嵌入式中文显示智 能卡样品的开发与制备。项目研究的目标是在一张符合i s 0 7 8 1 6 国际智能卡尺 寸标准的柔性卡体上实现6 4 x 3 2 点阵中文显示和人机交流界面( m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，m m i ) ，并要求该系统能够通过通用的通讯端口与大多数智能卡内标 准控制模块的软硬件技术相兼容，从而提高该中文显示智能卡的通用性。同时， 本项目研究必须在实现中文显示智能卡样品研制的基础上，探索和改进微系统 多组件超精细间距封装工艺，并通过研究和试验总结一套可行的封装工艺流程 和工艺参数。 本论文以课题的研究工作为背景，对柔性嵌入式中文显示智能卡从系统开 发设计到样品的制备及功能测试的整个流程进行了分析、实践与总结，从而期 望对新型智能卡的开发、制备及精细间距封装工艺的研究做一些贡献。 1 1 2 论文研究的意义 智能卡以其存储量大、可靠性强、安全性高、便于分布式数据管理等优点， 已被应用于身份识别、电话计费、金融交易、交通收费和物流管理等多个领域 【1 】。目前智能卡的应用市场广泛分布在欧洲、美洲及亚太地区，发展势头迅猛。 据f r o s t & s u l l i v a n 提供的数据表明，2 0 0 3 年至2 0 0 7 年全球芯片i c 卡的年增长 率为1 4 ，2 0 0 5 年全球智能卡市场高达2 0 亿美元【2 】。我国自1 9 9 3 年6 月启动 “金卡工程以来，智能卡的开发、生产及应用得到迅速发展。2 0 0 6 年，中国 智能卡市场实现了快速增长，市场销售量突破了十亿张【3 】，成为世界最大的智 上海人学硕士学位论文 能卡应用市场。根据f r o s t & s u l l i v a n 预计，未来三年中国智能卡的拥有量将超 过1 5 亿张，而2 0 0 8 北京奥运会及2 0 1 0 上海世博会的举办将进一步刺激国内市 场对智能卡的需求【2 】。作为世界最大的智能i c 卡应用市场，我国的智能卡产品 制造水准和规模与国外先进国家及地区相比己无明显差距【4 】。 然而，由于我国独立开发智能卡系统的能力滞后于西方科技强国，国内企 业在中国智能卡开发与设计领域中所占有的份额尚不及外剑2 】【6 1 。另外，国际上 各大智能卡企业如英飞凌、瑞萨及a t m e l 等，一方面全力抢占中国庞大且日 趋成熟的智能卡应用市场，另一方面为了在新一代智能卡市场上占领先机，正 竞相开发与探索新型智能卡技术与工斟2 1 。 调研结果表明，尽管智能i c 卡已经在全球范围内迅速普及且发展迅猛， 但是目前仍有多项与智能卡有关的技术难点尚待解决【5 】。例如，智能i c 卡内的 微控制器模块集成度越来越高，各芯片的焊点或连接点之间的间距越来越微细， 这使“引线键合 ( w i r eb o n d i n g ) 等目前主流的智能卡芯片封装工艺面临了难 题。因此，诸如具备显示功能的智能卡等新一代智能卡在全球范围内仍然是一 项有待发展的技术。目前国外对c p u 卡类的i c 卡及非接触式多功能i c 射频智 能卡( 内建m c u ，a s i c 等) 方面的研究与实践也仅有3 4 年的成熟期【6 】。 可视型智能卡是未来智能卡的发展趋势，其内部的控制模块更复杂，内置 器件的密度更大，因此相比于普通的智能卡，可视型智能卡对系统集成及多组 件封装工艺的要求高得多。近年，在实验室中已经诞生了嵌入式“七段码 显 示智能卡样品，即通过在符合i s 0 7 8 1 6 标准尺寸【7 】的塑料卡上集成一块柔性七 段码显示器、数个控制芯片模块以及薄膜电池，使智能卡能够显示出以数字或 字母为载体的信息。然而根据目前的系统集成及封装工艺技术，还没有一个成 熟的方案可以实现该类可视型智能卡的商业生产及应用普及【8 】。国际上各大智 能卡公司及研究单位的柔性“七段码 显示智能卡技术仍在探索之中，且尚属 于保密技术。然而，相比于内置七段码显示器的智能卡，中文显示智能卡内部 必须集成柔性点阵显示器及其驱动芯片，故其内部器件的连接点密度更高，对 系统集成及精细间距封装工艺提出了更高的要求。 因此，在国内深入展开对点阵显示智能卡的研究不仅符合国际智能卡科技 2 上海大学硕上学位论文 的发展趋势，更是有利于我国在竞争激烈的国际智能卡科技与应用领域中迎头 赶上西方智能卡技术强国并取得新型智能卡市场的先机和优势。对新型智能卡 研制的相关技术难点和制造工艺进行研究与实践，并努力克服解决在实现新型 可视型智能卡时遇到的种种技术问题，将对发展我国的智能卡事业与提高国际 竞争力具有非常重要的意义。本课题柔性嵌入式中文显示智能卡的研究工作正 是在此背景下进行。 1 2 国内外智能卡领域研究概况 1 2 1 智能卡发展的回顾与展望 智能卡的历史可以追溯到1 9 7 4 年，当年法国记者罗兰莫雷诺( r o l a n d m o r e n o ) 提出智能i c 卡的概念，并在法国注册了智能i c 卡的专利【1 】【9 】。 智能卡的前身是普通塑料卡和磁条卡。塑料卡仅能通过观测来进行真伪鉴 别，而磁条卡可通过专门的读写卡设备来鉴别其真伪，因此相比于前者大幅提 升了真伪鉴定的精度。但是磁条卡也有严重的弱点，即任何人只需拥有磁条卡 读写卡设备便可按照自己的意愿轻易地读出、删除或重写磁条上所存储的数据 【1 1 。因此，国际社会每年因伪造和私自串改磁条数据所招受的损失不计其数。 为了提高安全性并降低真伪鉴定的成本，在7 0 年代出现了在塑料卡内部装有微 控制器芯片的智能i c 卡概念。智能卡具备磁条卡无法比拟的特点和优势，主要 体现在功能强、保密性好、可靠性高、数据容量大、可分区储存不同信息、可 脱机处理，以及使用寿命长等。并且，智能卡开发者能够通过硬件及软件对智 能卡进行数据读取安全权限设置，这样一来大大增加了智能卡应用的安全性和 通用性，有效减少了针对智能卡的欺诈事件【l 】。 目前智能i c 卡已发展成两类，一类是接触式智能卡，另一类为非接触式 智能卡。接触式智能卡与非接触式智能卡都是通过卡内的一块智能卡微控制器 模块实现功能。两者之间的区别仅在于智能卡与读写卡器之间的交流方式不 同：前者与读写卡器之间通过触点的接触实现通讯，而后者与读写卡器之间通 过电磁信号实现通讯。 上海人学硕士学位论文 随着微处理器技术的快速进步，智能卡微控制器能够实现更多强大的功 能，而智能卡的应用领域也因此更加广泛。图1 1 给出了智能卡微控制器的处 理能力及内存容量之间的关系。 存储容里 ( 字节) 1 0 00 0 0o o o 1 00 0 0 l0 0 0 1 0 0 智能卡控制嚣性能 图1 1 智能卡微控制器的处理能力及内存容量之间的关系【l j “一卡多用”是未来智能卡应用领域的发展方向，而新型“超级智能卡 的操作方式也将与用户更亲切。“超级智能卡 是近年出现的智能卡新概念，是 指内部集成了多种标准控制模块或非标准扩展功能模块的智能卡【l0 1 。“超级智能 卡内部需集成微控制器、柔性电池、柔性液晶显示器等器件，并通过多组件 微电子封装工艺技术把这些器件封装进标准尺寸的塑料卡内，使智能卡用户能 够即时查看存储在卡内的数据信息，甚至允许用户脱机地对卡内的数据进行更 新或对智能卡进行功能切换【1 1 】【1 2 】。这种“一卡多用”超级智能卡的概念的提出 使“一卡通 更接近了现实，其应用领域也得到了不断的拓剧i l 】。现已涌现出 校园、公交、地铁、小区、智能大厦、城市、金融等不同的“一卡通 应用方 案，因此对“一卡多用超级智能卡的相关技术的研究对加快社会信息化的进 程具有重大意义【1 2 】 1 3 】。 人机交流界面( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，m m i ) 也逐渐成为智能卡开发者所考 虑的一个重要方面。早在多年以前就出现了在智能卡上集成人机交流界面的概 4 上海大学硕上学位论文 念。其特点是允许用户脱离读卡器而自由地通过智能卡内置显示器和按键的对 智能卡进行信息交流或操作控制【1 4 】。人机交流界面( m m i ) 智能卡为用户与智能 卡之间提供了交流的平台，使用户能够更方便地与智能卡进行信息互动。 微系统集成技术和封装工艺的发展从很大程度上使这些新型多功能智能 卡的实现成为可能【l5 】；而薄膜电池技术的发展也使i s 0 7 8 1 6 标准尺寸大小的塑 料卡有能力成为复杂集成电路系统的理想载体【1 4 】【1 6 1 。因此，未来的智能卡将有 可能成为超薄的柔性掌上电脑。 然而，上述这些新型智能卡对组装在小小的一片智能卡内的“外围设备 提出更多的要求，外围设备的增强不仅需要强大的智能卡微控制器的支持，而 且会加剧智能卡内的系统封装密度。因此，智能卡的微系统集成技术与精细间 距封装工艺一直是新型智能卡发展的重要技术瓶颈。例如，可视型智能卡必须 将柔性液晶显示器、薄膜电池、各类有源无源控制器件以及超薄柔性电路基板 等部件集成在一张标准厚度的塑料卡内，故会很大程度上加剧智能卡内部的器 件密度；具备人机交流界面的智能卡必须占用更多智能卡微控制器的输入输出 ( i n p u t o u t p u t ，i o ) 端口，而这给智能卡系统的安全性也带来了问题。 根据近年的报道，一些实验室为了减少智能卡控制芯片模块对卡体空间的 占用，对芯片的微细间距封装的问题进行了探索与研究，出现了应用“倒装芯 片键合”( f l i p c h i p ，f c ) 等封装技术来尝试替代传统的“引线键合”智能卡系 统封装方式【1 7 】。但即便如此，新型智能卡仍然面临许多难题：在小尺寸柔性塑 料卡上实现复杂的电路系统、薄膜电池容量的瓶颈、在超薄柔性基板上进行多 种不同尺寸和不同材料特性器件的精细间距封装、器件极限可承受的温度与键 合工艺的温度之间的差异，以及智能卡多组件三维结构的布局等。这些因素是 新型电子产品发展中所必须研究与探索的问题【1 8 】，因此对复杂点阵显示的智能 卡进行研究也有可能为下一代微电子产品的发展提供有益的积累和借鉴。 1 2 2 国内外新型智能卡技术的研究现状 i n c a r dt e c h n o l o g i e s 是美国专业开发与生产新型智能卡的公司，其主要合 作伙伴为v i s a 和n c r y p t o n e 。自1 9 9 8 年起，该公司共销售了超过l ，4 0 0 ，0 0 0 5 海大学预学位论文 张集成柔性凸镜的信用卡，这种信用卡上所集成的柔性凸镜能够将一般的图像 放大三倍。目前l n c a r d 公司正在开发集成凸镜光卡、声卡以及用于显示一次性 口令( o n e - t i m ep a s s w a r d ，o t p ) 的可视型智能卡【l 。这些智能卡的系统密度 远高于普通的智能卡其内部必须集成薄膜电池以及发光和发声装置，展现了 该公司的智能卡系统集成的技术水准。在课题进展过程中，我们从该公司得到 了一些开发中的光卡和声卡的功能样品，如图13 所示。样品的厚度约为1 毫 米，略大于i s 0 7 8 1 6 智能卡尺寸标准所要求的0 8 毫米厚度。这些超级智能卡 目前只是模型样品，并没有真实的数据存储功能，尚未形成商业产品。 西 “譬一f t 黔妒一- 。”l ，a l ：二：= - 幽1 3 i n c a r d t e c l m o l o g i e s 公司升发甲驹趟缴智能卡 a v e s od i s p l a y 是一家美国跨国公司，主要从事柔性显示器的研究与开发。 该公司的主要产品是应用于金融事务安全的一次性口令可视型智能卡。此类智 能卡能够生成一次性口令并通过柔性显示器进行显示，能够帮助用户有效地抵 制各种信用卡诈骗或身份诈骗。a v e s o 公司提供的智能卡样品主要有身份认证 智能卡、非接触消费卡及电子保健卡等闭。图1 4 展示了该公司的新型显示智 能卡的内部结构，由柔性薄膜电路基板、控制芯片模块、薄膜电池、按钮以及 柔性7 段码显示器等部件组成，其尺寸符合i s 0 7 8 1 6 智能卡的标准要求。因此 该类显示智能卡已符合“超级智能卡”概念的要求。该公司将此智能卡技术列 为保密，不提供任何相关的组件及技术方案。 图1 4a v e s c * 公司样品内部结构 拇大学顿 学位论文 c i t a l a 是一家以色列的跨国公司。该公司于近年成功开发了有源像素显示 ( a c t i v ep i x e ld i s p l a y ，a p d ) 技术。利用a p d 技术，c i t a l a 公司研制出了第 一代基于柔性塑料村底的柔性显示器。这种显示器使用o n y x 瑚化合物取代液 晶，使用塑料衬底取代玻璃衬底口”。不过在我们的调研过程中，c i t a l a 公司表 示a p d 技术为保密技术，只提供应用a p d 技术的可视型智能卡样品，不提供 任何a p d 柔性显示器的产品或样品。图15 为c t a l a 公司的可视型智能卡样品。 图l5c i t a l a 公司超级智能卡样品 其他一些较大的新型智能卡开发公司有瑞典的t o d o s 、日本d n p ( d a i n i p p o np f i n t m g ) ，德国的g i e s e c k e d e w r i e a t 等等。远东地区也有一些开发类 似新型智能卡的公司，但是目前都没有形成商业产品。另外，国际智能卡社会 对可视型智能卡的研究也主要集中于能够显示数字或字母的“7 段码”显示智 能卡，还没有出现能够在柔性卡体上实现复杂字体或图案的点阵显示智能卡。 可视型智能卡的另一个尚待解决的问题便是三维结构的标准化。目前各方都在 探索合适的可视型智能卡的三维整体结构。图1 6 为瑞典t o d o s 公司的可视型 智能卡样品。 【习 随鲎 图1 6t o d o s 公司的一次性口令生成器 智能i c 卡在国内的研究与生产也得到了越来越多的重视。上海的长丰智 能卡公司已经具备了世界一流的智能卡成卡制各水准与规模。但是国内对于可 上海大学硕上学位论文 视型智能卡以及具备人机交流界面智能卡的研究尚处于空白。 综上所述，在国际范围内，可视型智能卡仍属于一项处于开发过程中的科 学技术，而在智能卡的研究领域中，智能卡显示技术仍然处于技术保密的阶段。 1 2 3 微细间距封装工艺技术研究的近况 封装工艺是高密度集成可视型智能卡的一个重要的技术瓶颈。近年的众多 科研文献报导表明，目前在薄膜柔性电路基板上进行精细间距微电子封装仍在 不断的探索之中。 2 0 0 2 年德国的d m a n e s s i s 等人提出，在基板器件的封装中，通过传统的 丝网印刷技术进行倒装回流焊，在实验室里所能够达到的极限间距为8 0 微米； 而在商业产品制备时采用该工艺进行器件封装，则器件端口间距应不小于1 5 0 微米【2 2 1 。 同年，芬兰的j a r m om i i r i n e n 等人在柔性基板上应用各向异性导电胶工 艺，尝试了最微细的5 4 微米级连接点间距的单个器件封装实验，并通过研究连 接点的接触电阻论证了该工艺在精细间距封装中的可行性【2 3 1 。 在2 0 0 3 年的电子封装国际会议上，w f e n g 提出了在单个智能卡芯片模块 制造中应用倒装芯片封装技术来替代目前主流的“引线键合 封装工艺，以减 少模块所占用的体积。论文中同时总结了通过试验获得的部分可行的工艺参数 【1 7 】 o 2 0 0 4 年德国的b a r b 缸ap a h l 等人尝试通过在连接点的电极上施加局部脉冲 高温，从而保护柔性基板免于受高温的损坏。通过这种快速倒装回流焊接工艺， 他们成功地将连接点间距为6 0 微米 - 4 0 微米的试验硅片连接至柔性基板【2 4 1 。 以上的研究皆是基于对精细连接点间距的简单结构硅片所进行的工艺试 验，并通过研究连接点的接触电阻等电学性能以及疲劳失效等机械性能测试来 验证柔性基板上的精细间距封装工艺的可行性。然而，智能卡作为一件电子产 品，内部不仅要求封装不同材料特性的复杂集成电路，还必须封装柔性液晶显 示器( f l e x i b l el c d ) 。由于柔性液晶显示器主要材料为塑料，不能承受传统键 合工艺所必须达到的高温，另外，为了驱动液晶显示器，往往需要另外封装连 8 上海大学硕士学位论文 接点密度极大的驱动芯片。这给可视型智能卡的样品研制带来了很大的困难。 目前，一些最新的文献对柔性液晶显示器的精细间距封装工艺也进行了研究。 2 0 0 7 年，台湾的y a o s h e n gl i n 等人提出了一种柔性液晶显示器封装的方 法，即通过应用可承受较高温度的液晶显示面板，以实现在柔性液晶基板上进 行精细连接点间距的l c d 驱动芯片的封装。在文中，他们使用了8 0 微米精细 连接点间距的无源芯片作为模拟的驱动芯片，另外使用l c d 面板材料特性相似 的塑料基板作为模拟的l c d 面板，从而尝试进行了应用各向异性导电胶膜的连 接艺的研究，并获得了一些具有参考价值的封装工艺参数【2 5 1 。 另一篇2 0 0 7 年的最新相关文献报导来自于台湾的g j w a n g 等人。他们对 精细间距l c d 器件封装中，各向异性导电胶膜中导电颗粒与导线间距之间的关 系进行了探讨。文献中表明，4 微米导电胶颗粒为目前工业应用中的最小颗粒， 3 微米导电胶颗粒为当前的最小颗粒。实验对3 微米颗粒的导电胶膜在玻璃基 板精细间距封装中的可行性进行了研究。实验结果表明，在引线间距( l i n e p i t c h ) 小于3 0 微米的应用中使用4 微米颗粒的导电胶膜将使电路发生严重的短 路；而3 微米颗粒的导电胶膜在玻璃基板上进行间距空间大于1 0 微米的芯片键 合，则没有发生短路现纠2 6 1 。 综上所述，近年的研究对于在柔性薄膜基板上进行精细间距微电子器件封 装进行了许多努力。精细间距封装的工艺及参数仍是研究与探索的热点之一。 1 3 论文的主要研究内容 本论文是作者攻读硕士学位期间，在完成上海市科委科研计划项目课题的 研究任务的过程中，对具备人机交流界面的柔性中文显示智能卡的一次研究探 索与实践。 论文的主要研究的内容如下： 第一章绪论对智能卡技术及精细间距封装技术的发展和现状进行了概述， 并介绍了论文研究的目的、意义及内容。 第二章介绍了论文所采用的“双微控制器 的智能卡系统结构，并对智能 卡系统电路的设计进行了研究。在确定系统结构的基础上，研究了柔性可视型 9 上海人学硕士学位论文 智能卡电源控制设计以及系统电路器件的选择。 第三章进行了智能卡系统的集成电路程序的设计。并研究了智能卡系统仿 真与程序调试的问题。 第四章对中文显示智能卡的三维整体结构进行了设计，并在结合考虑后续 的精细间距封装工艺的基础上对智能卡各部件的特性参数进行了分析。本章着 重对应用于超精细间距封装的柔性薄膜电路基板进行了电路布线与排版设计的 研究，提出了为配合封装工艺的需要对各器件热膨胀系数失配的补偿，并进行 了柔性基板电路结合超精细间距封装工艺的协同设计。 第五章对智能卡系统的多组件精细间距封装工艺进行了详细的研究，并通 过大量的工艺试验与实践确定了与柔性基板电路布线设计相应的一套封装工艺 流程与参数，成功地实现了柔性基板上多组件超精细间距的封装( 其中，最精 细连接点之间的间距达到2 0 微米) 。最终，通过智能卡的整体封装成功地研制 获得了柔性中文显示智能卡的样品。 第六章介绍了嵌入式中文显示智能卡样品的功能测试及应用 第七章为总结与展望。 1 0 上海大学硕上学位论文 第二章中文显示智能卡系统电路的设计 本章主要阐述智能卡的系统电路的设计与元器件的选择。系统电路的设计 与后续的系统程序的设计及系统封装工艺设计之间关系十分密切。由于电路设 计所选择确定的元器件合适与否将直接影响后续的器件封装的可行性，因此在 系统电路设计开始就必须对后续各环节进行综合性的全盘考虑。 2 1 智能卡系统中的中文点阵显示 相比于可用七段码来显示的数字与字母，每个中文字符都相当于一个复杂 的二维图形。中文显示智能卡的重要任务之一就是寻找合适的方法将所需要使 用的不同风格不同大小的中文字符库存储进智能卡系统一维的非易失性存储单 元中并通过点阵显示器将它们显示出来【1 4 1 。 中文字符可以用二维的位图点阵来描述，如图2 1 所示。点阵中的每个点 即为单元像素，占用计算机存储空间中的一位( b i t ) 。在本课题的系统中我们 使用1 6 x 1 6 点阵作为一个单元点阵来映射一个字符，因此一个字符即一个单元 点阵需占用1 6 1 6 = 2 5 6 位( b i t ) = 3 2 字节( b 舛e ) 的系统存储空间。 口0aa口l口口ldd a0口a口 ad口a口i 口dlda ada a d oda口口ldald口口lda d 口oa口0lddlddiida d a 口口口old口ldlad口dd allillaalla口d aa日 aao a aloaioo口d a口d a 0 od dlo d l d0 ad 口o 0 a 0aoalo口lda口aoac a caodlaol d口od adb a a a a 0lddl0d dd da d d0口口d1口djd口o口d0d a d all1d口 l ca 口da tb ll10 口 la al口廿a0aic 口lo口aloddiii l l l 0 ab0oaaoa0韪aa aca d 图2 1 智能卡系统中的中文字符点阵 可以采用两种方法把一个两维中文字符点阵映射进智能卡系统一维线性的 存储空间：“行寻址 方式或“列寻址 方式。“行寻址 是数据序列自左向右， 以“行 的顺序来组织，即从单元点阵的第一行左边位开始组织，接着是第二 e 海大学硕士学位论文 行，第三行直至第十六行，然后对下一单元点阵进行行寻址。“列寻址是 数据序列自上向下，以“列的顺序来组织，即从单元点阵的第- n 上边位开 始组织，接着是第- ：y u ，第三列直至第十六列，然后对下一单元点阵进行 列寻址。图2 1 中的单元点阵若用“行寻址 方式进行十六进制组织，则数据 序列为“0 48 00 48 00 48 80 49 80 4a 07 cc o0 48 00 48 00 48 00 48 00 48 00 48 0 l c8 2e 48 24 47 e0 00 0 ”，若用“列寻址 方式进行十六进制组织，则数据序 列为“0 00 40 40 60 40 40 40 80 40 8f ff e0 0 0 00 00 0f ff c0 40 20 80 21 00 23 0 0 20 00 20 0o e0 00 0 。通过这两种寻址方式可以在一维的线性存储空间中存储 二维的字符数据，从而使中文点阵显示器能够显示任何中文字符或复杂图形。 2 2 系统的结构设计 2 2 1 系统问题的提出 生活中常用的中文字符有7 0 0 0 多个，这就要求以1 6 1 6 作为单元点阵的 中文显示智能卡中的微控制器至少有2 5 6 k 字节的非易失性存储空间能够专用 于存储中文字符库。如果要求显示不同字体风格的字符，则需要更大的存储空 间。然而，目前受智能卡控制器尺寸及国际标准的限制，除了极特殊的应用， 常用的智能卡的微控制器中存储容量较大的也仅有3 2 k b 或6 4 k b 2 7 1 ，用于存 储程序的代码和少量的信息数据2 引。因此中文字库的存储是中文显示智能卡必 须解决的一个问题。 另外，中文显示智能卡内部必须集成更多的功能模块，因此智能卡的微控 制器需要有足够多的输入输出( i o ) 端口来控制电源、液晶显示器( l c d ) 、 以及人机交流界面等外围电路。然而出于对智能卡应用安全的考虑，目前常用 的智能卡微控制器所配置的i o 端口并不多，且仅被设计用于读卡器与智能卡 之间的数据交流使用【l 】。 2 2 2 常规解决方案的考虑 1 2 上海人学硕士学位论文 字库内嵌方案 图2 2 所提出的系统结构方案能够解决上述问题。该方案所应用的智能卡 微控制器必须比目前常规的智能卡微控制器功能更强大，它拥有足够大的存储 空间用来存放中文字库，并且具备足够多i o 端口用来驱动卡内其他外围设备。 图2 2 字库内嵌方案 该方案直接将中文字库存储于“增强的智能卡微控制器”内，以减少额外 的扩展芯片，使之能够有效地减小系统的体积与能耗。如果能够在市场上找到 这种符合存储器容量要求与i o 端口要求的增强型智能卡微控制器，或者与大 型智能卡公司合作设计并生产出这种片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，那么就 无需额外扩展存储器及i o 端口，从而理想地解决中文字库存储的问题y t l 4 】。 然而，经过调研我们发现，目前国际上只有少数几家公司及科研单位拥有 国际标准智能卡微控制电路芯片的设计数据资料，例如a t m e l 、英飞凌、瑞萨 及三星等公司。出于对智能卡应用安全的考虑，标准智能卡微控制器的数据资 料往往处于保密状态，这些公司也不开发智能卡微控制器上用于非标准功能的 扩展i o 端口或内存。另外，智能卡微控制器上非易失性存储单元的扩展，也 会使微控制器变得相当昂贵【2 8 1 。因此对功能增强的智能卡控制器进行专门的设 计与制备将导致科研成本的剧增，不利于中文显示智能卡的先期开发与试验。 因此这种通过增强智能卡控制器来实现中文点阵显示的方案在目前的智能 卡安全技术水平与国际背景下并不可行，而且成本过高。课题需要另寻一种可 行的结构方案。 1 3 上海大学硕士学位论文 字库扩展方案 另外一种可解决智能卡中文字库的存储问题的方案是通过在标准的智能卡 微控制器系统中另外扩展非易失性存储器，其结构如图2 3 所示。 这种方案降低了智能卡微控制器对片内存储容量的要求。智能卡控制器可 以通过扩展e e p r o m 来存储中文字库，同时通过数个i o 端口实现中文点阵显 示智能卡的人机交流界面。然而由于该方案同样对智能卡微控制器i o 端口的 非标准应用有所要求，会对系统的安全性提出问题。并且该方案的系统结构涉 及的集成电路过多，电路接线过于复杂，连接点较多，会导致系统的功耗较大， 其可靠性也会随着连接点的增多而变低。另外额外得扩展芯片同样会导致成本 的增加，使系统效率降低。这些都是该方案的严重缺点。 s c x m o s t m i s 0 人机交流 图2 3 字库扩展方案 以上两种方案均可应用于解决新型智能卡功能扩展的问题。但是我们的调 研结果表明，目前国际上主流的智能卡微控制器并没有拥有足够多额外的i o 端口用以驱动功能强大的外围设备。例如，a t m e l 公司生产多种标准的智能卡 微控制器，所有a t m e l 的9 0 s c 和9 1 s c 系列智能卡控制器都具备i s 0 7 8 1 6 的 标准i o 端口【2 2 1 ，但出于对安全因素的考虑，a t m e l 对是否会提供智能卡微控 制器更多i o 端口来实现智能卡扩展功能的态度较为谨慎。然而对于中文点阵 显示智能卡系统，其微控制器必须有足够多的i o 端口以实现人机交流界面、 1 4 上海大学硕上学位论文 接收用户的操作及驱动高密度的点阵显示器。因此，目前情况下，以上两种方 案都很难解决中文显示智能卡系统电路的问题。必须设计一个新的方案来解决 这些问题。 2 2 3 “双微控制器”系统结构的设计 由于微控制器技术的发展，目前众多价格便宜的普通单片微控制器都拥有 较大的存储器空间和强大的输入输出端口。为此我们设计了“双微控制器”的 智能卡系统结构，如图2 4 所示。系统结构采用两个独立的微控制器的方案。 一个标准的智能卡微控制器与i s 0 7 8 1 6 3 金属触点相连接，用于控制智能卡与 外部读卡器之间的数据通讯，这部分即是传统的智能卡内控制模块。在此基础 上，我们引入另一个“裸片 封装形式( d i ef o r mc h i p ) 的常规微控制器作为 中文显示智能卡系统的字库存储单元与输入输出控制单元，我们称这部分微控 制器为“主微控制器”。使用“主微控制器来模块化中文显示智能卡各种非标 准的扩展功能，即中文字库的存储、l c d 控制器的控制、电源的控制以及系统 人机交流界面的控制等。“主微控制器”与“智能卡微控制器 之间可通过常用 的串行外设接口( s p i ) 实现通讯。 智能卡内标准控制模块 扩展功能模块 图2 4 双微控制器结构示意图 这个所谓的“主微控制器 可以是任何满足智能卡尺寸要求、存储空间大 1 5 上海大学硕l 学位论文 小要求以及具备足够i o 端口的常规单片微控制器。相比于要求特殊扩展功能 智能卡微控制器的字库内嵌方案，该方案仅要求具备s p i 端口的标准智能卡微 控制器与一个常规微控制器，由于许多标准智能卡控制器都具备s p i 端口，因 此该方案更容易实现，成本也更低。相比于器件较多接线复杂的字库扩展方案， 该方案系统的结构更简单，功能更强大，效率更高，并且能够减少由接线连接 点过多引起的额外电源损耗与电路可靠性的降低。 该方案的一个重要的特点是不要求改变任何目前已广泛应用的标准智能卡 控制器的软硬件协议。因而目前已有的各种基于智能卡微控制器的软件及硬件 都可以适用于该“双微控制器智能卡系统。所以该方案能够在符合i s 0 7 8 1 6 标准【7 】，且能够满足智能卡应用安全性要求的基础上实现智能卡的中文显示与 人机交流功能。并且随着微控制器技术的发展，集成“双微控制器 的中文显 示智能卡能够通过“主微控制器”而方便地实现更多更强大的功能，比如开发 可视型智能卡的操作系统( c a r do p e r a t i n gs y s t e m ，c o s ) 等，从而为该方案提 供了很大的发展潜力。 该方案设计是对嵌入式中文点阵显示智能卡系统结构的一次探索性尝试与 实践，一个关键性的技术难点在于在标准智能卡的尺寸上精细封装整个智能卡 扩展功能模块系统，并最终必须满足智能卡的柔性要求。该部分内容将于下文 中逐步进行研究。 2 3 系统的电源控制 2 3 1 中文显示智能卡电源控制的必要性 如前章节的智能卡发展与展望中所述，目前的技术已有能力在i s 0 7 8 1 6 标 准尺寸智能卡中内嵌柔性薄膜电池【1 4 】【1 6 】。常规的锂锰柔性薄膜电池已经能够将 厚度控制在o 5 毫米以内。但是由于中文显示智能卡需要驱动高密度的点阵液 晶显示器，故对电池容量的要求远高于普通的智能卡，因此对于中文显示智能 卡，薄膜电池的容量与系统电源的控制也成为了一个课题需要解决的问题。 电池容量与电池工作电流之间的关系可以用如下公式表示： 1 6 上海大学硕十学位论文 f = c 以( 2 1 ) 公式( 2 1 ) 的含义为当大小为f ( m a ，毫安) 的电流给容量为c ( m a h ， 毫安时) 的电池放电时，该电池可以连续工作t ( h ，小时) 。 德国v a r t a 公司的锂锰薄膜电池目前被较多地应用于新型智能卡中，其 工作电压为3 0 v ，电池容量2 5m a