DE10065540A1 - Leiterbahn und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Abstract

Leiterbahn (4) aus einer kupferhaltigen Metallpartikel-Suspension, die auf die Oberfläche (3) eines Substrates, z. B. eines Kartenkörpers (1) aus Kunststoff, in einer allmählich zunehmenden Dicke aufgesprüht wird. Für das Aufsprühen wird eine Maske (z. B. Stencilmaske) oder eine fokussierende Sprühvorrichtung verwendet. Eine dafür geeignete Metallpartikel-Suspension ist eine Art Lack aus Metallpartikeln, einem Lösungsmittel und einem polymeren Bindemittel, das dafür vorgesehen ist, nach dem Aufsprühen ein Aushärten der Metallpartikel-Suspension zu bewirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterbahn auf einem Substrat und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lei­ terbahn, insbesondere auf flexiblen Substraten. Diese Erfin­ dung ist vor allem zur Ausbildung von flachen Antennenstruk­ turen mit niedrigen ohmschen Widerständen und hohen Genauig­ keiten auf Kunststoffkörpern oder Folien, insbesondere für kontaktlose Chipkarten und Transponder, geeignet.

Antennenstrukturen, die durch spiralig angeordnete Leiterbah­ nen gebildet sind, werden bei Chipkartenkörpern für eine kon­ taktlose Übermittlung von Daten und Energie eingesetzt. Auch Aufkleber mit elektronischen Transpondern zur Identifizierung (so genannte Ident Tags) sind mit Antennenstrukturen aus me­ tallischen Leitern versehen. Bei Halbleiterschaltungen in halbleitenden Kunststoffen wie Polymeren werden auch die Lei­ terbahnen in dem Kunststoff ausgebildet. Polymere Leiterbah­ nen sind aber üblicherweise zu hochohmig.

Leiterbahnen auf Trägermaterialien wie Kunststoff oder Papier können hergestellt werden als Laminate aus Metallisierungen auf dem Trägermaterial; diese Laminate werden nach dem Auf­ bringen durch eine aufwendige Fotomaskentechnik mit einem sich daran anschließenden Ätzprozess strukturiert. Alternativ kann die Metallleiterbahn durch eine Metall-Bedampfung des Trägermaterials hergestellt werden; auch hier ist anschlie­ ßend eine aufwendige Fotomaskentechnik mit einem Ätzprozess zur Strukturierung der Metallschicht erforderlich. Im An­ schluss daran müssen die Leiterbahnen außerdem noch mit gal­ vanisch abgeschiedenem Metall verstärkt werden. Auch eine strukturierte Metall-Bedampfung eines Kunststoffträgers ist möglich; das erfordert aber eine aufwendige vorhergehende Strukturierung des Kunststoffträgers und ebenfalls ein nach­ trägliches Verstärken der aufgebrachten Leiterbahnen durch galvanische Abscheidung von Metall. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, elektrisch leitende Pasten (z. B. polymere Tinte mit Silberleitpartikeln) auf den Kunststoffträger auf­ zupressen, was allerdings mit hohen Kosten verbunden ist.

In der EP 0 913 711 A1 ist ein Identifizierungselement mit einer Antenne auf einem Kunststoffkörper beschrieben. Die An­ tenne wird dabei aus einer Aluminiumfolie ausgestanzt und un­ ter Verwendung dielektrischer Zwischenschichten aufgebracht, z. B. aufgeklebt. Auch aus Draht gewickelte Spulen lassen sich auf der Oberfläche einer Trägerfolie oder Chipkarte be­ festigen. Alle diese Verfahren haben den Nachteil, dass die Herstellung aufwendig und teuer ist. Außerdem tritt das Pro­ blem auf, wie ein dauerhaftes Anhaften der Leiterbahn auf dem Trägermaterial erreicht wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leiterbahn anzugeben, die mit geringem Aufwand dauerhaft auf einem im Prinzip beliebigen Trägermaterial, insbesondere einem flexi­ blen Substrat, aufgebracht werden kann. Außerdem soll ein einfaches Herstellungsverfahren für Leiterbahnen angegeben werden, das insbesondere zur Ausbildung von Antennenstruktu­ ren auf Kunststoffkörpern oder Folien, speziell zur Herstel­ lung von Chipkarten oder Transpondern, geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mit der Leiterbahn mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit dem Verfahren mit den Merkmalen des An­ spruches 8 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab­ hängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Leiterbahn ist eine ausgehärtete Metall­ partikel-Suspension, die zumindest einen Anteil Kupferparti­ kel enthält. Es sind vorzugsweise Additive darin enthalten, die eine Korrosion des Kupfers verhindern oder zumindest ver­ langsamen. Um zu erreichen, dass die Leiterbahn einen mög­ lichst niedrigen ohmschen Widerstand besitzt, sind die Me­ tallpartikel vorzugsweise schuppenförmig, so dass ihre Ober­ flächen sich in der Suspension überlappen können. Die Metall­ partikel-Suspension kann bei einer bevorzugten Ausführungs­ form der Leiterbahn ausschließlich Kupferpartikel als Metall­ partikel enthalten. Die Leiterbahn kann nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren durch Aufsprühen hergestellt werden. Die Leiterbahn ist besonders für ein Substrat aus einem Kunst­ stoffkörper, einer Folie oder einem anderen flexiblen Materi­ al geeignet.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet eine Metallpartikel- Suspension, die auf die Oberfläche des Substrates, insbeson­ dere einen Kunststoffkörper oder eine Folie, aufgesprüht wird. Für das Aufsprühen wird vorzugsweise eine Maske (z. B. eine Schattenmaske, "Stencilmaske") oder eine ausreichend fo­ kussierende Sprühvorrichtung (insbesondere eine fokussierte Sprühdüse) verwendet. Eine dafür geeignete Metallpartikel- Suspension ist eine Art Lack, der in einer allmählich zuneh­ menden Dicke auf die Oberfläche des Substrats aufgesprüht wird, so dass das aufgesprühte Material eine gut haftende Leiterbahn, zum Beispiel eine Antennenstruktur, bildet.

Auf diese Weise kann z. B. eine Antennenstruktur auf einer Chipkarte hergestellt werden, wie sie in der beigefügten Fi­ gur als Beispiel dargestellt ist. Auf einem rechteckigen Kar­ tenkörper 1 aus einem Plastikmaterial, das für die Chipkarte vorgesehen ist, ist ein IC-Chip 2 angebracht, vorzugsweise in einer dafür geeignet bemessenen Aussparung des Kartenkörpers. Die betreffende Oberfläche 3 des Kartenkörpers 1 wird durch das erfindungsgemäße Aufsprühen einer Metallpartikel-Suspen­ sion mit den hier in diesem Beispiel spiralig gewundenen Lei­ terbahnen der Antennenstruktur 4 versehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, die Leiterbahn als elektrisch leitende Verbindung in elektro­ nischen Schaltungen in halbleitendem Kunststoff, insbesondere in Polymer-Schaltungen, vorzusehen. Die Leiterbahnen aus ei­ ner kupferhaltigen Metallpartikel-Suspension sind dafür be­ sonders geeignet, da sie auf das Kunststoffmaterial dauerhaft aufgebracht werden können und einen niedrigen ohmschen Wider­ stand besitzen, der deutlich unter dem Widerstand herkömmli­ cher Polymer-Leiterbahnen liegt.

Die Metallpartikel-Suspension ist vorzugsweise ein Verbundma­ terial aus Metallpartikeln, einem Lösungsmittel und einem po­ lymeren Bindemittel. Es können verschiedene Metalle sowie Mi­ schungen aus Lösungsmitteln und Bindemitteln verwendet wer­ den. Die Lösungsmittel werden so gewählt, dass ein Aufsprühen der Metallpartikel-Suspension in einem ausreichend flüssigen Zustand möglich ist. Die polymeren Bindemittel sind dafür vorgesehen, nach dem Aufsprühen ein Aushärten der Metallpar­ tikel-Suspension zu bewirken. Der Metallgehalt des Verbundma­ terials kann sehr hoch gewählt werden, so dass Leiterbahnen mit spezifischen Widerständen von weniger als 20 µΩ ausge­ bildet werden können.

Der Metallpartikel-Suspension können bei bevorzugten Ausge­ staltungen des Verfahrens Additive zur Verhinderung von Kor­ rosion (zum Beispiel Stickstoffheterozyklen), zur Einstellung der Thixotropie und/oder zur Einstellung von Eigenschaften, die beim Aufsprühen und Absetzen des Lackes auf der Kunst­ stoffoberfläche zutage treten, beigefügt sein. Die Größe der verwendeten Metallpartikel liegt vorzugsweise im Bereich von Durchmessern zwischen 0,1 µm und 100 µm, besondere Vorteile können sich im Bereich von 50 µm bis 100 µm ergeben. Um den Trocknungsvorgang einheitlich ablaufen zu lassen, sind Gemi­ sche aus Lösungsmitteln bevorzugt. Es sind organische und wässrige Lösungsmittel geeignet.

Die Metallpartikel-Suspension wird vorzugsweise durch eine Schattenmaske (Stencilmaske) aufgesprüht. Alternativ kann das Aufsprühen direkt mit einer fokussierten Sprühdüse erfolgen. Unter Verwendung einer Stencilmaske aus 30 µm Edelstahl wurde probeweise eine Metallspule als Antennenstruktur mit fünf Windungen und einer Gesamtlänge von 185 cm in einer Schicht­ dicke von 70 µm auf eine Folie aufgesprüht, wie sie für Over­ head-Projektoren verwendet wird. Die nominale Breite der Lei­ terbahn betrug 600 µm. Nach fünf Sekunden Vortrocknung wurde die Stencilmaske von der Folie abgezogen und die Trocknung unter einem Infrarot-Strahler vervollständigt, während einer Zeit von etwa einer Minute. Der an den Spulenenden gemessene Widerstand betrug 6,9 Ω.

Claims (15)

1. Leiterbahn, die eine ausgehärtete Metallpartikel-Suspension mit zumindest ei­ nem Anteil an Kupferpartikeln ist.

2. Leiterbahn nach Anspruch 1, die ausschließlich Kupferpartikel als Metallpartikel enthält.

3. Leiterbahn nach Anspruch 1 oder 2, die Additive enthält, die eine Korrosion des Kupfers verhindern oder zumindest verlangsamen.

4. Leiterbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als elektrisch leitende Verbindung in elektronischen Schaltungen in halblei­ tendem Kunststoff.

5. Leiterbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf einem Kunststoffkörper, einer Folie oder einem flexiblen Substrat.

6. Leiterbahn nach Anspruch 5, die eine Antennenstruktur bil­ det.

7. Leiterbahn nach Anspruch 6, die spiralig gewunden ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahn (4) auf einem Substrat, bei dem die Leiterbahn als Metallpartikel-Suspension unter Verwendung einer Maske oder einer fokussierenden Sprühvorrichtung aufge­ sprüht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Metallpartikel-Suspension aus Metallpartikeln, Lösungs­ mittel und polymerem Bindemittel hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Metallpartikel-Suspension mit Additiven zur Verhinderung von Korrosion; zur Einstellung der Thixotropie und/oder zur Einstellung von Eigenschaften, die beim Aufsprühen und Abset­ zen zutage treten, versehen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem Metallpartikel von Durchmessern zwischen 0,1 µm und 100 µm verwendet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem Metallpartikel von Durchmessern zwischen 50 µm und 100 µm verwendet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem zumindest anteilig Kupferpartikel als Metallpartikel verwen­ det werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem ausschließlich Kupferpartikel als Metallpartikel verwendet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem die Metallpartikel-Suspension zur Ausbildung einer Antennen­ struktur auf einen Kartenkörper aufgebracht wird.