Von einer Chipkarte werden viele verschiedene physikalische Merkmale verlangt, z.B. Lichtempfindlichkeit, Temperatur- oder Feuchtigkeitsbeständigkeit. Das Zusammenwirken von Kartenkörper und implantiertem Chip spielt hierbei eine große Rolle. Ein Kartenkörper der z.B. hohen Temperaturen standhält nützt wenig, wenn der Chip dabei versagt. Beide Teile müssen sowohl einzeln als auch gemeinsam alle notwendigen Anforderungen erfüllen, da es sonst zu hohen Ausfallraten beim Einsatz kommt.
Die Mindestanforderungen an die Belastbarkeit der Karte sind in den ISO-Standards 7810, 7813 und 7816-1 festgelegt. Diese Anforderungen betreffen im wesentlichen:
UV-Strahlung
Röntgen-Strahlung
Oberflächenprofil der
Karte
Mechanische Belastbarkeit der Karte und der
Kontakte
Elektromagnetische Verträglichkeit
Elektrostatische
Entladungen
Temperaturbeständigkeit
Eine physikalische Eigenschaft ist die Biege- und Torsionsfestigkeit. Die Chipkarte wird verschiedensten Kräften dargeboten. Zum Beispiel wird sie bei Herren oft im Portemonnaie in der Gesäßtasche aufbewahrt und ist somit ständig einer Verformung ausgesetzt. Sie soll aber nur mit Absicht und nicht durch bloßen Alltagsgebrauch zerstörbar sein.
Die Chipkarte muß Temperaturschwankungen von -35 Grad bis +70 Grad Celsius aushalten. Außerdem ist sie waschmaschinenfest und unempfindlich gegenüber Desinfektionsmitteln.
Auch die Kontakte des Chips müssen eine hohe Lebensdauer aufweisen. Sie sollen durchschnittlich 100.000 Steckzyklen standhalten.
Die Chipkarten sind das jüngste Kind der Identifikationskartenfamilie. 1987 wurde der ISO-Standard 7816-ff. für Chipkarten veröffentlicht. Die Basis bildeten die bereits existierenden ISO-Standards 7810 - 7813 für Identifikationskarten. Mit der Normung der Chipkarten wurde bereits 1983 bei der ISO begonnen.
Das wichtigste Chipkartenformat ist das der Kreditkarten. Es wird als das ID-1-Format bezeichnet und entspricht den in der ISO 7810 festgelegten Abmessungen von 85,725 Millimeter x 53,975 Millimeter bei einer Kartendicke von 0,76 Millimeter.
Das ID-1-Format erleichtert die Migration von bestehenden Magnetsteifensystemen hin zu Wertkartensystemen mit Chipkarten.
Abbildung 12: Das ID-1-Format
A: 85,725 mm B: 53,975 mm C: 0,76 mm
Das ID-1-Format bietet aufgrund seiner Größe die Möglichkeit, neben dem eigentlichen Kartenchip noch weitere Merkmale wie Werbedruck, geprägte Beschriftung, Lichtbild und einen Magnetstreifen nach ISO 7811 auf der Karte unterzubringen. Nach dem neuesten ISO 7816-2 ist die Anordnung aller Elemente nun wie folgt definiert:
- Ist eine Prägebeschriftung vorhanden, so muß sie auf derselben Seite angebracht sein wie die Chipkontakte. Diese Seite wird als Vorderseite bezeichnet.
- Ist ein Magnetstreifen vorhanden, so muß er auf der Rückseite der Chipkarte angebracht sein.
Abbildung 13: Anordnung der Kartenelemente Chip, Prägefeld und Magnetstreifen
A: 15 mm I: 2,92 mm B: 24 mm II: 82,55 mm C: 7,65 +/- 0,25 mm III: 5,54 mm D: 10,18 +/- 0,25 mm IV: 15,82 mm E: 0,363 mm F: 14,53 mm G: 23,56 mm
Das Prägefeld besteht aus zwei verschiedenen Bereichen. Der obere Bereich umfaßt 19 Zeichen, die für die Identifikationsnummer reserviert sind, der untere Bereich beinhaltet vier Zeilen Ö 27 Zeichen für den Namen und die Adresse.
Neben dem ID-1-Format gibt es im ISO 7816 noch zwei weitere standardisierte Chipkartenformate, das ID-00-Format auch 'Mini-Karte' genannt und das ID-000-Format.
Abbildung 14: Zusammenhang zwischen den Kartenformaten ID-1, ID-00 und ID-000
Das ID-000-Format findet seine Anwendung als sogenanntes Plug-In-Modul oder auch "Einschubkarte" in tragbaren Telefonen. Der Begriff GSM fällt in diesem Zusammenhang recht häufig und bezeichnet den digitalen Mobilfunk im Frequenzbereich von 900 Megahertz. In Deutschland trifft dies auf das D1-Netz der Deutschen Telekom AG und auf das D2-Netz der Mannesmann Mobilfunk GmbH zu.
Diese Handys sind zum Teil nur 200 Gramm schwer und nicht viel größer als eine Packung Papiertaschentücher. Deshalb wurde das kompaktere ID-000-Format eingeführt. Die Chipkarte muß üblicherweise nur ein einziges Mal zur Inbetriebnahme in das Endgerät eingeschoben werden. Zur richtigen Positionierung der Karte wurde eine Ecke abgeschrägt.
Die "Mini-Karte" stellt ungefähr den Mittelwert zwischen ID-1 und ID-000 dar. Dadurch läßt sich die Karte einfacher manuell handhaben und die Produktionskosten sinken durch vorhandene Werbeflächen auf der Karte. Sie ist als Schlüsselersatz und für kleinere Lesegeräte gedacht. Allerdings hat sich dieses Format weder national noch international etabliert.
Findet der Zugriff auf den Chip kontaktbehaftet statt, so geschieht dies über sechs bis acht vergoldete Kontakte auf der Chipkarte.
Abbildung 15: Genaue Lage des achtpoligen Kontaktfeldes
Die meisten Chipkarten haben acht Kontakte. Für die zwei unteren Kontakte ist die Funktion in der ISO-Norm 7816-2 jedoch nicht festgelegt. Sie sind für zukünftige oder zusätzliche Anwendungen reserviert. Einige neuere Module für Chipkarten haben deshalb nur die oberen sechs Kontakte als Kontaktfeld, da dies die Fertigungskosten geringfügig reduziert. Die Funktionalität ist aber identisch mit den Modulen mit acht Kontakten.
Die eigentliche Kontaktform ist nicht vorgeschrieben, jedoch muß jedes Kontaktplättchen zumindest eine rechteckige Kontaktfläche mit den Abmessungen 2 Millimeter in der Breite und 1,7 Millimeter in der Höhe umschließen. Eine maximale Größe der Kontakte ist nicht festgelegt.
Abbildung 16: Beispiele verschiedener Chip-Module
4.1.2.1 Produktionstechniken
Das erste Problem ist, den Mikrochip mit den vergoldeten Kartenkontakten zu verbinden. Bei den meisten Verfahren wird der eigentliche Chip zunächst auf einen flexiblen Film montiert, auf welchem sich die Kontakte befinden. Aus dem fertigen Film werden dann die einzelnen Chipmodule ausgestanzt. Die zwei wichtigsten Verfahren sind die TAB-Technik (tape automated bonding) und das Draht-Bond-Verfahren. Beim TAB-Verfahren werden die Kartenkontakte durch Lötverbindungen direkt mit den Anschlußflächen des Chips verbunden. Beim Draht-Bonding werden dünne Drähte von den Anschlußstellen des Chips zu den Kontakten gezogen. Anschließend wird diese Verbindung durch eine Vergußmasse gegen Umwelteinflüsse geschützt. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß es sich weitgehend an das in der Halbleiterindustrie übliche Verfahren zur Verpackung von Chips in Standardgehäusen anlehnt. Es ist ein weniger spezielles Know-how erforderlich als beim TAB-Verfahren, und es ist dadurch preisgünstiger. Der Nachteil liegt darin, daß sowohl die Bauhöhe wie auch die Länge und Breite des Moduls deutlich größer sind als beim TAB-Modul, weil nicht nur der Chip, sondern auch die Bond-Drähte durch die Abdeckmasse geschützt werden müssen.
Das zweite Problem ist der Einbau des Chipmoduls in die Karte. Hier haben sich drei verschiedene Verfahren durchgesetzt: das Laminierverfahren, das Einsetzen in gefräste Hohlräume und das Montieren in fertig gespritzte Karten. Beim Laminiervorgang werden verschiedene Folien, die entsprechend ausgestanzt sind mit dem Chipmodul fest verschweißt. Mit diesem Verfahren lassen sich hohe Ansprüche an die Verbundqualität zwischen Chipmodul und Kartenkörper erfüllen.
Abbildung 17: Einbringen des Chipmoduls beim Laminierprozeß
Beim zweiten Verfahren wird in den fertigen Kartenkörper ein Loch gefräst, in das dann ein Chipmodul eingeklebt wird. Dieses Verfahren ist sehr vorteilhaft, wenn sehr komplexe Kartenkörper mit vielen Funktionselementen produziert werden sollen. Schadhafte Kartenkörper können dann aussortiert werden, bevor die teuren Chipmodule eingebaut werden. Karten mit nur wenigen Funktionselementen und relativ niedrigen Ansprüchen an die Druckqualität lassen sich am kostengünstigsten im Spritzgußverfahren herstellen. Hierbei wird der gesamte Kartenkörper einschließlich der Aussparung für den Chip als Spritzgußteil hergestellt und das Chipmodul darin eingeklebt.
Das als erste und auch heute noch am meisten verwendete Material für den Kartenkörper ist PVC (Polyvinylchlorid). Es ist am preisgünstigsten, gilt aber wegen seines Chlorgehaltes als umweltschädlich. Zur Zeit werden zwei weitere Materialien getestet: ABS (Acrylnitril-Butadien-Stryrol) und Polycarbonat.
Die Herstellung ist wegen der hohen Stückzahlen sehr preiswert geworden: Chip, Trägermontage und Einbau in die Karte kosten weniger als eine DM.
Eine Weiterentwicklung der kontaktbehafteten sind die kontaktlosen Chipkarten. Energie und Informationen werden über eine Funkstrecke vom Terminal induktiv übertragen. Die Karte enthält eine oder mehrere Spulen, mit denen sie die elektromagnetischen Wellen des Terminals auffängt und die aufgenommenen Signale nach ISO 7816 in normgerechte Signale umwandelt. Es sind keine galvanischen Kontakte auf dem Kartenkörper mehr notwendig. Kontaktlose Karten enthalten einen zweiten Chip, genannt CCI (Contactfree Chipcard Interface), der diese Umwandlung übernimmt. Dabei funktioniert die Signalübermittlung vom Terminal zur Chipkarte mittels Phasenmodulation und umgekehrt mittels Amplitudenmodulation.
Der andere Chip ist ein üblicher Kartenchip, bei dem die Schnittstelle nicht nach außen an die Kontakte geführt wird, sondern zum CCI-Chip. Kontaktlose sind mit kontaktbehafteten Karten softwaremäßig voll kompatibel, nur der Übertragungsweg zwischen Karte und Terminal ist anders. Die Übertragungsprotokolle sind vollkommen gleich. Durch Ladekondensatoren auf der Karte wird die übertragene Energie gespeichert und reicht für die Versorgung des Mikrochips, beim Abarbeiten eines Befehls, und die Datenübertragung zurück zum Terminal aus.
Gegenüber den kontaktbehafteten Karten haben die kontaktlosen viele Vorteile. Liegt bei den Kontaktbehafteten das große Problem in der mechanischen Verbindung von Terminalkontaktnehmern zu den Kontakten auf der Chipkarte, so ist die Kontaktherstellung bei den Terminals sehr reparaturanfällig und deshalb kostenintensiv. Durch Verschleiß oder Verschmutzung, sei es durch Staub oder mutwillige Zerstörung mit Kaugummis, Sekundenkleber oder sonstigen Flüssigkeiten, muß oft das ganze Lesemodul ersetzt werden. Beim Einsatz in mobilen Systemen können Vibrationen zu kurzzeitigen Kontaktunterbrechungen führen. Da die Kontakte direkt mit den Eingängen der integrierten Schaltung verbunden sind, besteht die Gefahr einer elektrischen Entladung, die die Schaltung schwächt oder gar zerstört. Diese technischen Probleme werden von kontaktlosen Karten elegant umgangen. Kontaktlose Karten bieten keine Angriffsfläche für eine direkte Manipulation des Chips. Es ist nicht möglich, den Chip physikalisch oder chemisch zu beeinflussen, ohne dabei sichtbare Spuren im Kunststoffmaterial zu hinterlassen.
Allerdings sind die kontaktlosen Chipkarten 20 bis 50 Prozent teurer in der Herstellung, haben aber eine längere Lebensdauer und sind deshalb langfristig - bei einer Anwendungsdauer von mindestens vier Jahren - günstiger als kontaktbehaftete Karten.
Kontaktlose Karten befinden sich noch im Entwicklungsstadium. Es gibt verschiedene Kartenhersteller, die unterschiedliche Systeme entwickelt haben. Eine Norm für kontaktlose Chipkarten ist in verschiedenen Gremien noch in Arbeit.
Es zeichnen sich aber zwei Arten von Anwendungen ab, das Close Coupling und das Remote Coupling. Bein Remote Coupling ist im Extremfall sogar an einen direkten Datenaustausch zwischen einer auf der Erde befindlichen Chipkarte und einem im All befindlichen Satelliten gedacht. Ein näherliegendes Anwendungsbeispiel ist die automatische Gebührenerhebung im öffentlichen Personennahverkehr. Für eine vollautomatische Verrechnung ist geplant, daß der Fahrgast eine Chipkarte mitführt, die sowohl beim Betreten als auch beim Verlassen eines Verkehrsmittels mit dem Terminal kommuniziert und die Fahrkosten automatisch abrechnet. Ein derartiges System mit dem Namen MIFARE hat die Firma Siemens in Kooperation mit der österreichischen Firma Mikron entwickelt.
Eine ähnliche Anwendung ist die automatische Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren. Ein Ansatz für elektronische Mautstationen basiert auf sogenannten Baken, die ähnlich einer Schilderbrücke über der Fahrbahn verlaufen und mit dem jeweiligen Fahrzeug kommunizieren. Tritt bei der Kommunikation ein Fehler auf, wird das Fahrzeug fotografiert, und der Wagenhalter kann ermittelt werden. Der große Vorteil ist, daß das Tempo des Fahrzeuges nicht verringert werden muß, so daß Staus nicht auftreten können. Da das System noch bei einer Geschwindigkeit von 250 Kilometern pro Stunde funktionieren soll, muß die Kommunikation in Bruchteilen von Sekunden ablaufen. Um Zeit zu sparen, gibt es zwei Baken. Die erste Bake enthält einen Locksender, der die Chipkarte auffordert die Fahrzeugklasse zu senden. Der Buchungsbetrag kann jetzt berechnet und postwendend an die Chipkarte zurückgesendet werden. Die Chipkarte bestätigt die Abbuchung der zweiten Bake und erhält als Antwort eine Transaktionsquittung, die sie speichert.
Abbildung 18: Modell zur elektronischen Erfassung von Mautgebühren
Beim Close Coupling muß eine hohe räumliche Nähe von Endgerät und Chipkarte gegeben sein. Typische Anwendungen liegen im Bereich einiger Zentimeter. Besonders hervorgetan hat sich auf diesem Gebiet das Unternehmen Angewandte Digital-Elektonik, kurz ADE, mit der Entwicklung der C2-Karte. Ihr wesentliches Merkmal ist der Einbau von zwei anstelle nur einer Spule. Dies liegt nicht an der Technik, sondern an den Sicherheitsanforderungen. Bei Anwendungen, die z.B. mit finanziellen Transaktionen verbunden sind, muß sichergestellt sein, daß kein Kartenleser im Vorübergehen einer Person unbemerkt eine in der Tasche steckende Chipkarte anspricht und etwas umprogrammiert. Als Übertragungsverfahren blieb die kontaktlose Karte bestehen, jedoch muß diese in ein Terminal eingeführt werden, um sie zu benutzen. Hierbei entsteht durch den festgelegten Abstand von einigen Millimetern ein Stereoeffekt in den beiden Spulen der Karte. Kommen die elektromagnetischen Felder aus größerer Entfernung, so spricht der CCI-Chip auf der Karte nicht an. Im Terminal befinden sich vier Spulenpaare, so daß die Karte in beliebiger Orientierung eingeschoben werden kann.
Die C2-Karte ist eine Weiterentwicklung der kontaktbehafteten Chipkarten und in einigen Jahren sicherlich in der Anwendung als elektronische Geldbörse zu finden.
Da sich die kontaktlosen Chipkarten immer noch in der Entwicklungsphase befinden, beschränke ich meine Arbeit auf die obige Darstellung und werde im folgenden die kontaktbehafteten Karten weiter ausführen.
Das einzige elektrisch beschaltete Bauelement auf der Chipkarte ist der Mikrocontroller. In den Anfängen der Chipkartentechnik war oft nur die Funktionsfähigkeit des Mikrocontrollers entscheidend. Es gab damals fast ausschließlich geschlossene Anwendungen mit einem einzigen Chipkartentyp und dem dazu passend entwickelten Terminaltyp. Dies hat sich in den letzten Jahren geändert. Bei den heutigen großen Anwendungen, in denen verschiedene Chipkarten mit vielen unterschiedlichen Terminals zusammenarbeiten müssen, ist es unabdingbar, daß sich alle eingesetzten Karten in klar definierten elektrischen Bereichen einheitlich verhalten.
Die Basis stellte auch hier die große Anwendung Mobiltelefonnetz GSM dar. Durch die großen Stückzahlen an eingesetzten Chipkarten, haben die in der Spezifikation GSM 11.11 definierten elektrischen Eigenschaften Vorbildcharakter für alle Halbleiterhersteller.
Die weitere Grundlage in diesem Bereich bildet die Norm ISO 7816-3. In ihr sind viele grundlegende elektrische Bedingungen für Chipkarten definiert.
Die acht definierten Kontakte werden mit C1 bis C8 bezeichnet und sind analog zu Halbleiterbausteinen von links oben nach rechts unten durchnumeriert. Sie sind nach ISO folgendermaßen bezeichnet und elektrisch belegt:
Abbildung 19: Numerierung der Kontaktfelder einer Chipkarte
| Kontakt | Bezeichnung | Funktion |
|---|---|---|
| C1 | Vcc | Versorgungsspannung |
| C2 | RST | Reseteingang |
| C3 | CLK | Takteingang |
| C4 | RFU | Reserviert |
| C5 | GND | Masse |
| C6 | Vpp | Programmierspannung |
| C7 | I/O | Ein-/Ausgangsport |
| C8 | RFU | Reserviert |
Die in der oben aufgeführten Tabelle dargestellten Kontakte, ihre Bezeichnungen und ihre Funktionen sollen nun im einzelnen erläutert werden:
Über den Kontakt C1 erhält der Chip seine Versorgungsspannung von fünf Volt aus der er eigenständig die zur Programmierung des EEPROMs nötige Ladespannung erzeugt. Der Kontakt C6, der früher diese Aufgabe hatte, ist somit überflüssig geworden. Bei der Herstellung der Kontaktfläche, kann auf ihn aber nicht verzichtet werden, da er zwischen zwei Kontakten, C5 und C7, liegt. Er kann auch nicht für andere Funktionen genutzt werden, da dies der ISO-Norm widerspräche. Er ist somit ein Relikt aus früheren Tagen.
Durch eine vom Markt geforderte Gewichtsreduktion von Mobiltelefonen, sind in diesem Bereich mittlerweile alle Bauteile in drei Volt Technik verfügbar. Somit ist die Chipkarte das einzige Bauteil in einem Mobiltelefon, das noch fünf Volt benötigt. Deshalb brauchen diese zur elektrischen Versorgung einen Spannungswandler, was aufwendig ist und die Kosten unnötig erhöht. Die zukünftige Entwicklung wird aus diesem Grunde bei Chipkarten zu einem Spannungsbereich von drei bis fünf Volt mit einer Toleranz von plus-minus zehn Prozent führen.
Theoretisch wäre es auch möglich, Mikrocontroller speziell für den drei Volt Spannungsbereich zu entwickeln. Dies hätte aber den Nachteil, daß die Kompatibilität mit den Millionen vorhandener fünf Volt Chipkarten nicht mehr gegeben wäre.
Der erweiterte Spannungsbereich stellt prinzipiell weder für den Prozessor noch für die Speicherbausteine ein Problem dar. Das größte Hindernis ist die Ladungspumpe für das EEPROM. Es ist technisch aufwendig und erst seit kurzer Zeit möglich, EEPROMs mit dazugehörigen Ladepumpen auf Chips unterzubringen, die im Bereich zwischen drei und fünf Volt funktionieren.
Mikrocontroller besitzen keine interne Takterzeugung, deshalb wird über den Kontakt C3 ein Takt von außen angelegt, der dann auch Referenz für die Geschwindigkeit der Datenübertragung an Kontakt C7 ist. Über diese bidirektionale serielle Schnittstelle können Daten ausgetauscht werden. Bei jeder Taktflanke wird das Datenregister um ein Bit weitergeschaltet, so daß in jedem Takt ein Bit ausgelesen werden kann.
Um eine Chipkarte zu aktivieren müssen zuerst die Masse, Kontakt C5, und danach die Versorgungsspannung angelegt werden. Um die Chipkarte zu klassifizieren kann jetzt an Kontakt C2 ein Reset ausgelöst werden. Damit wird der Adresszähler zurückgesetzt und es können spezielle Daten, die sogenannte Answer-to-Reset (ATR) der Chipkarte, ausgelesen werden. Solange dieses Reset aktiviert ist, wird bei jedem Takt der Adresszähler erhöht und an der Schnittstelle kann ein Bit dieser Informationen ausgelesen werden.
Die beiden unteren Kontakte C4 und C8, bezeichnet als RFU, sind für spätere noch zu definierende Funktionen in der ISO-Norm reserviert. Manche Mikrocontroller enthalten deshalb aus Kostengründen nur noch sechs Kontakte.