DE10228373B4

DE10228373B4 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Bauelementen einer Chipkarte

Info

Publication number: DE10228373B4
Application number: DE2002128373
Authority: DE
Inventors: Stefan Dohse; Jörg Zander
Original assignee: Sagem Orga GmbH
Current assignee: Idemia Germany GmbH
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: DE10228373A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Bauelementen einer Chipkarte, welche einen im Spritzgussverfahren hergestellten, aus thermoplastischem Material bestehenden Chipkartenkörper (1) aufweist, wobei in den Chipkartenkörper (1) mindestens ein mit Kontaktflächen (7) versehenes Bauelement (6) eingegossen ist, bei dem nach dem Spritzgussvorgang die mit dem Spritzgussmaterial überdeckten Kontaktflächen (7) freigelegt werden und diese anschließend mittels eines elektrisch leitenden Verbindungsmaterials (10) mit Kontaktflächen eines zusätzlich in den Chipkartenkörper einzusetzenden elektronischen Bauelementes (11) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Freilegen der Kontaktflächen (7) mittels eines über die Schmelztemperatur des Spritzgussmaterials erhitzten Druckstempels (8) erfolgt, welcher in das die Kontaktflächen (7) überdeckende Spritzgussmaterial so weit eingepresst wird, bis der Druckstempel (8) an den verdeckten Kontaktflächen zur Anlage kommt, wobei das überdeckende Spritzgussmaterial im Bereich der Kontaktflächen (7) aufgeschmolzen und verdrängt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Bauelementen einer Chipkarte, welche einen im Spritzgussverfahren hergestellten, aus thermoplastischem Material bestehenden Chipkartenkörper aufweist, wobei in den Chipkartenkörper mindestens ein mit Kontaktflächen versehenes elektrisches Bauelement eingegossen ist. Bei dem Verfahren werden entsprechend den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruches 1 nach dem Spritzgussvorgang die mit dem Spritzgussmaterial überdeckten Kontaktflächen des elektrischen Bauelementes freigelegt und diese Kontaktflächen anschließend mittels eines elektrisch leitenden Verbindungsmaterials mit korrespondierenden Kontaktflächen eines zusätzlich in den Chipkartenkörper einzusetzenden weiteren elektronischen Bauelementes verbunden.
Das beschriebene Verfahren wird im Rahmen der Produktion von Chipkarten eingesetzt, welche gegenwärtig für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungszwecken, beispielsweise als Identifikationsmittel oder zur Speicherung anderer personengebundener Daten eingesetzt werden. Die Speicherung und teilweise auch Verarbeitung der Daten erfolgt auf einem Mikrochip, welcher in ein so genanntes Chipmodul integriert ist, das wiederum in einen oftmals aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Chipkartenkörper eingesetzt wird. Das Chipmodul dient bei der Fertigung der Chipkarte und während seines späteren Einsatzes dem Schutz des darauf befindlichen Mikrochips.
In der DE 42 41 482 A1 wird ein Herstellungsverfahren zur Herstellung von IC-Karten beschrieben, bei dem in die aus Kunststoff bestehende Karte zunächst eine Mulde eingebracht, worauf in dieser Mulde ein IC-Baustein mit außenliegenden Kontaktflächen befestigt wird. Zur Verkürzung der Taktzeiten wird zur Herstellung der Mulden zunächst ein Sackloch in die Karte eingebracht und danach die Mulde mit Hilfe eines Prägestempels ausgeformt, wobei das vom Prägestempel verdrängte Material in das Sackloch ausweicht. Die Herstellung des Sackloches erfolgt vorzugsweise durch Fräsen, während das Ausformen der Mulde vorzugsweise durch Warmprägen vorgenommen wird.
Neben dem Chipmodul werden gemäß heutiger Technologie in eine Chipkarte oftmals weitere elektronische Bauelemente wie beispielsweise Batterien, Akkus oder aus Leiterbahnen bestehende Antennenspulen zur kontaktlosen Kommunikation der Chipkarte mit externen Lesegeräten eingebracht. Diese zusätzlichen Bauelemente dienen der Erhöhung der Funktionalität der Chipkarten, wobei neben den genannten Bauelementen selbstverständlich zusätzliche weitere optische bzw. elektronische Elemente in die Karte integriert sein können. Zur Gewährleistung der Funktion und des Zusammenspiels der einzelnen Bauelemente ist deren interne Verschaltung erforderlich. Hierzu besitzen die einzelnen Komponenten Kontaktflächen, wobei bei der Herstellung derartiger Chipkarten die Kontaktflächen einzelner Bauelemente beispielsweise mittels löttechnischer Maßnahmen oder durch Verklebung mit einem so genannten Leitkleber elektrisch miteinander verbunden werden. Bevor eine derartige Verbindung der Kontaktflächen erfolgen kann, müssen diese jedoch von einer sie bedeckenden Kunststoffschicht befreit werden, da die angesprochenen elektronischen Bauelemente, wie Akkus, Batterien, Antennenspulen und dergleichen nach dem Herstellen des Chipkartenkörpers im Spritzgussverfahren durch eine Schicht des Spritzgussmaterials überdeckt sind.
Herkömmlich erfolgt dieses Freilegen durch einen Fräsvorgang, bei dem naturgemäß in Folge dieser spanabhebenden Bearbeitung Material freigesetzt wird, welches einer sauberen Arbeitsumgebung abträglich ist.
Um die Schwierigkeiten, die sich bei der Herstellung von Chipkarten mit eingebetteten Bauteilen, insbesondere Antennen, also bei kontaktlosen Chipkarten ergeben, wenn man Ausnehmungen im Kartenkörper derart anbringen will, dass Kontaktflächen der Antenne zugänglich sind, zu umgehen, wird in der DE 197 20 226 C1 vorgeschlagen, während eines Einsenkvorganges mittels eines Einsenkwerkzeuges (z. B. ein Fräswerkzeug) den Einsenkvorgang dann abzubrechen, wenn eine elektrische Messung ergibt, dass das Einsenkwerkzeug einen Kontaktabschnitt der Antenne berührt.
Die DE 196 47 846 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Chipkarten, wobei ein auf einem Modul befindlicher Halbleiterchip in einer Ausnehmung eines Kartenträgers eingesetzt und mit einer induktiven Signalübertragungseinrichtung in Form einer Antennenspule kontaktiert wird. Gemäß der Erfindung dieser Schrift ist die Antennenspule bzw. sind die Antennenspulenenden mindestens im Bereich von elektrischen Anschlußflächen des Moduls oder des Halbleiterchips innerhalb der Ausnehmung zur Aufnahme von Biege- und Torsionskräften mäander- oder spiralförmig ausgebildet. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dieser Schrift erfolgt die Ausbildung der Antennenspulenenden derart, dass die Mäander- oder die Spiralwindungen mit einem zur Ausnehmungsmitte hin bezogenen zum Kartenlängs- oder querschnitt ansteigenden Verlauf versehen wird. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass beim nachträglichen Einbringen der Ausnehmung in den Kartenkörper, vorzugswese durch Fräsen, eine hinreichend große Kontaktstelle gegeben ist.
In der DE 198 31 565 C1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Chipkarten beschrieben, das sich sich zum Freilegen von Antennenanschlußflächen einer im wesentlichen vollständig in einem Kartengrundkörper einer Chipkarte eingebetteten Antenne eignet. Bei dem Verfahren wird eine Kavität den Kartengrundkörper eingearbeitet und im Bereich der Kavität die Anschlußflächen mittels eines Lasers zumindest bereichsweise freigelegt. Das Freilegen der Anschlußflächen soll verbessert und die Sicherheit erhöht werden. Hierzu wird die Kavität durch Materialabtrag unter Belassung einer die Anschlußflächen vollständig abdeckenden Schutzschicht hergestellt und anschließend durch Zerstören der Schutzschicht mittels des Lasers die Anschlußflächen freigelegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Bauelementen einer Chipkarte bereitzustellen, bei der das Freilegen der Kontaktflächen zur Verbindung der Bauelemente untereinander ohne spanabhebende Bearbeitung schnell und einfach erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Freilegen der Kontaktflächen mittels eines über die Schmelztemperatur des Spritzgussmaterials des Chipkartenkörpers erhitzten Druckstempels erfolgt, welcher in das die Kontaktflächen überdeckende Spritzgussmaterial so weit eingepresst wird, bis der Druckstempel an den verdeckten Kontaktflächen zur Anlage kommt, wobei das überdeckende Spritzgussmaterial im Bereich der Kontaktflächen aufgeschmolzen und verdrängt wird.
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens lassen sich im Rahmen der Chipkartenherstellung aufwendige Fräsprozesse vermeiden, wobei insbesondere auch von Vorteil ist, dass eine aufwendige messtechnische Überwachung des Fräsvorganges zum Schutz der empfindlichen Kontaktflächen vor einer Zerstörung im Rahmen des Abfräsens des die Kontaktflächen bedeckenden Kunststoffmaterials nicht mehr notwendig ist. Darüber hinaus fällt keinerlei Abfallmaterial beim erfindungsgemäßen Verfahren an, welches mittels aufwendiger Abzugsvorrichtungen entfernt werden müsste.
Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ergänzend zur technischen Lehre des Anspruches 1 auch aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Der verwendete Druckstempel kann beispielsweise entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung zylinderförmig ausgebildet sein oder er kann eine kegelförmige Spitze aufweisen. Bei Ausbildung des Druckstempels entsprechend der letztgenannten Variante wird der Druckstempel nach dem Auftreffen auf die Kontaktfläche weiter auf diese aufgepresst, bis die Spitze des Druckstempels diese durchstoßen hat. Die Lochausbildung in der Kontaktfläche kann unter bestimmten Rahmenbedingungen eine Verbesserung der anschließend herzustellenden elektrischen Verbindung herbeiführen.
Eine Ausgestaltungsvariante der elektrischen Verbindung zwischen den einzelnen mit den Kontaktflächen versehenen Bauelementen kann mit Hilfe eines Leitklebers erfolgen, mit dem die freigelegten Kontaktflächen beschichtet werden, wobei die durch den Druckstempel gebildeten Ausnehmungen oberhalb der Kontaktflächen vollständig ausgefüllt werden. Anschließend wird beispielsweise ein Chipmodul in vorhandene Ausnehmungen des Chipkartenkörpers so eingesetzt, dass die an ihm vorhandenen korrespondierenden Kontaktflächen durch den Leitkleber mit den vorher freigelegten Kontaktflächen des im Chipkartenkörper bereits befindlichen Bauelementes verbunden sind.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren in seinen einzelnen Ablaufschritten anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen im Spritzgussverfahren hergestellten Chipkartenkörper vor Beginn der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte,
2A, 2B, 2C, 2D eine vergrößerte Darstellung des Details D aus
1 während verschiedener Ablaufschritte des Verfahrens,
2E eine Schnittdarstellung ähnlich den 2A bis 2D zur Erläuterung einer weiteren besonderen Abfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 den Chipkartenkörper nach Beendigung des Verfahrensablaufes mit eingesetztem elektronischen Bauelement in Form eines Chipmoduls.
In der Darstellung der 1 ist ein Teilbereich eines Chipkartenkörpers 1 dargestellt, welcher im Spritzgussverfahren hergestellt ist. Der Chipkartenkörper 1 besteht im Wesentlichen aus zwei an Ober- und Unterseite befindlichen Folienschichten 2 und 3 sowie einer spritzgegossenen Zwischenlage 4. Der Spritzgussherstellvorgang erfolgt dergestalt, dass die Folienschichten 2 und 3 in eine Spritzgusswerkzeugform eingelegt werden. Die Spritzgusswerkzeugform besteht üblicherweise aus zwei Teilen, in die im aufgeklappten Zustand die Folienschichten 2 und 3 problemlos eingelegt werden können. Nach dem Schließen der übereinander angeordneten Werkzeughälften wird in die innenliegende Kavität, in der die beiden Folienschichten eingelegt worden sind, ein flüssiges Spritzgussmaterial vorzugsweise aus thermoplastischem Werkstoff eingepresst, welches die Folienschichten 2 und 3 gegen die Aussenwandungen der Spritzgussform drückt und den Zwischenraum zwischen den Schichten vollständig ausfüllt. Im Zuge des Spritzgussvorganges können in den Chipkartenkörper 1 Ausnehmungen 5 eingebracht werden, die für die Aufnahme beispielsweise eines Chipmoduls vorgesehen ist. Dies geschieht durch Einbringen entsprechend gestalteter Zusatzelemente in die Werkzeugform.
Aus der 1 ist ersichtlich, dass die Folienschicht 3 an der Oberseite des Chipkartenkörpers an ihrer zum inneren gerichteten Oberfläche Leiterbahnen 6 mit daran befindlichen Kontaktflächen 7 aufweist. Die Leiterbahnen 6 bilden auf der Folienschicht 3 eine Antenne in Form einer Spule, die zur induktiven kontaktlosen Datenübertragung mit geeigneten externen Datenlesegeräten dient. Diese Daten sind üblicherweise in einem Mikrochip gespeichert, welcher auf einem Chipmodul angeordnet ist, das wiederum in die Ausnehmung 5 des Chipkartenkörpers 1 implantiert wird. Dieses Chipmodul weist in seiner in die Ausnehmung 5 hineinreichenden Unterseite Kontaktflächen auf, welche im Rahmen des Herstellvorganges für die Chipkarte mit den Kontaktflächen 7 verbunden werden müssen.
Wie der 1 entnehmbar ist, sind diese Kontaktflächen 7 nach dem Spritzgussvorgang jedoch von der Folienschicht 3 überdeckt. Um eine Kontaktierung der Kontaktflächen 7 zu ermöglichen, muss folglich das Folienschichtmaterial, welches die Kontaktflächen 7 überdeckt, zumindest in einem Teilbereich der Kontaktflächen entfernt werden.
Dies geschieht mit Hilfe eines Druckstempels 8, welcher von der Oberseite des Chipkartenkörpers 1 in die Ausnehmung 5 im Bereich der Kontaktfläche 7 eingefahren wird, wie dies anhand des Pfeilers P in der 2A verdeutlicht ist. Der Druckstempel 8 ist mit einer Heizvorrichtung versehen, die eine Aufheizung des Druckstempels 8 auf eine Temperatur ermöglicht, die oberhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials der Folienschicht 3 liegt. Da die Schmelztemperatur der verwendeten Kunststoffmaterialien sehr unterschiedlich ist, kann die Temperatur des Druckstempels in einem weiten Einstellbereich geregelt werden. Auf Grund der Aufheizung des Druckstempels 8 wird das Kunststoffmaterial der Folienschicht 3 im Moment des Auftreffens des Druckstempels 8 auf der Oberseite der Folienschicht 3 aufgeschmolzen im Bereich der Druckstempelspitze, wie dies in der 2B schematisch verdeutlicht ist.
Der Druckstempel 8 kann somit problemlos in das Kunststoffmaterial der Folienschicht 3 so weit eindringen, bis er, wie dies in der 2C verdeutlicht ist, an der Kontaktfläche 7 mit der daran angeschlossenen Leiterbahn 6 zur Anlage kommt.
Wird der Druckstempel 8 anschließend wieder nach oben aus der Ausnehmung 5 herausgefahren, so verbleibt, wie dies in der 2D dargestellt ist, in der Folienschicht 3 oberhalb der Kontaktfläche 7 eine zylinderförmige Durchbrechung 9.
Diese Durchbrechung 9 wird in einem anschließenden Verfahrensschritt mit einem Leitkleber 10 verfüllt, wobei gleichzeitig an der Oberseite der Folienschicht 3 ein Teilbereich ebenfalls mit dem Leitkleber bedeckt wird. Nach diesem Verfahrensschritt kann in die Ausnehmung 5 des Chipkartenkörpers 1 ein Chipmodul 11 eingesetzt werden. Dieses Chipmodul besteht im Wesentlichen aus einem Trägerelement 12 und einem daran angeordneten Mikrochip 13.
Die 3 macht deutlich, dass der Mikrochip an der zum Inneren des Chipkartenkörpers gerichteten Unterseite des Trägerelementes 12 angeordnet ist, wobei das Trägerelement 12 einen umlaufenden Randbereich 14 aufweist, mit dem es auf einem ebenfalls umlaufenden Absatz 15 der Ausnehmung 5 zur Anlage kommt. Trägerelement 12 und Mikrochip 13 sind so gestaltet, dass im Bereich des Randbereiches 14 das Trägerelement 12 an seiner zum Inneren des Chipkartenkörpers weisenden Unterseite Kontaktflächen 17 aufweist, die durch in der Figur nicht näher dargestellte Leiterbahnen mit dem Mikrochip 13 verbunden sind.
Wird das Chipmodul 11 in die Ausnehmung 5 eingesetzt, so wird gleichzeitig eine Verbindung zwischen den am Trägerelement 12 befindlichen Kontaktflächen und dem Leitkleber 10 hergestellt. Da der Leitkleber 10 gleichzeitig mit den Kontaktflächen 7 verbunden ist, ist somit gleichzeitig eine elektrische Verbindung zwischen dem Mikrochip 13 und den Leiterbahnen 6, die die Antenne zur kontaktlosen Datenübertragung bilden, hergestellt, so dass ein Datentransfer zwischen Mikrochip und externen Lesegeräten vonstatten gehen kann.
Selbstverständlich können anstelle der Leiterbahnen 6 an den Kontaktflächen 7 auch andere elektronische Bauelemente wie beispielsweise eine Batterie oder ein Akku angeschlossen sein.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es für bestimmte Rahmenbedingungen nützlich sein, wenn entsprechend der Darstellung der 2E der Druckstempel 8 an seinem freien Ende kegelförmig ausgebildet ist. Die Ausformung des Druckstempels 8 mit einer derartigen Spitze dient dazu, nicht nur eine Durchbrechung 9 in die Folienschicht 3 des Chipkartenkörpers 1 einzubringen, sondern darüber hinaus auch in die Kontaktfläche 7 einen Durchlass 16 zu formen. Dies geschieht dadurch, dass der Druckstempel 8 nach seinem Auftreffen auf die Oberfläche der Kontaktfläche 7 weiter in Richtung des Pfeilers P verfahren wird, so dass er unter Aufbietung eines entsprechenden Kraftaufwandes innerhalb der Kontaktfläche 7 den Durchlass 16 ausformt. Da sowohl die Leiterbahn 6 als auch die Kontaktfläche 7 aus Kupfermaterial bestehen, stellt die Herstellung des Durchlasses 16 bei entsprechender Spitzenausgestaltung des Druckstempels 8 keine Schwierigkeit dar. Nachdem der Druckstempel 8 wieder aus der Ausnehmung 5 entfernt worden ist, erfolgt die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Chipmodul 11 und den Kontaktflächen 7 analog der Beschreibung zur 3.

1: Chipkartenkörper
2: Folienschicht
3: Folienschicht
4: Zwischenlage
5: Ausnehmung
6: Leiterbahn
7: Kontaktfläche
8: Druckstempel
9: Durchbrechung
10: Leitkleber
11: Chipmodul
12: Tragelement
13: Mikrochip
14: Randbereich
15: Absatz
16: Durchlass
17: Kontaktfläche
P: Bewegungsrichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Bauelementen einer Chipkarte, welche einen im Spritzgussverfahren hergestellten, aus thermoplastischem Material bestehenden Chipkartenkörper (1) aufweist, wobei in den Chipkartenkörper (1) mindestens ein mit Kontaktflächen (7) versehenes Bauelement (6) eingegossen ist, bei dem nach dem Spritzgussvorgang die mit dem Spritzgussmaterial überdeckten Kontaktflächen (7) freigelegt werden und diese anschließend mittels eines elektrisch leitenden Verbindungsmaterials (10) mit Kontaktflächen eines zusätzlich in den Chipkartenkörper einzusetzenden elektronischen Bauelementes (11) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Freilegen der Kontaktflächen (7) mittels eines über die Schmelztemperatur des Spritzgussmaterials erhitzten Druckstempels (8) erfolgt, welcher in das die Kontaktflächen (7) überdeckende Spritzgussmaterial so weit eingepresst wird, bis der Druckstempel (8) an den verdeckten Kontaktflächen zur Anlage kommt, wobei das überdeckende Spritzgussmaterial im Bereich der Kontaktflächen (7) aufgeschmolzen und verdrängt wird.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Bauelementen einer Chipkarte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstempel (8) nach dem Auftreffen auf die Kontaktfläche (7) weiter durch die freigelegte Kontaktfläche (7) durchgestoßen wird.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Bauelementen einer Chipkarte nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die freigelegten Kontaktflächen (7) mit einem Leitkleber (10) beschichtet werden, wobei die durch den Druckstempel (8) gebildeten Ausnehmungen (9) vollständig ausgefüllt werden.