DE19637214C2

DE19637214C2 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung eines in einer Ausnehmung eines Kartenträgers einer Chipkarte eingesetzten Moduls

Info

Publication number: DE19637214C2
Application number: DE19637214A
Authority: DE
Inventors: Robert Wilm
Original assignee: PAV Card GmbH
Current assignee: PAV Card GmbH
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: DE19637214A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung eines in einer Ausnehmung eines Kartenträgers einer Chipkarte eingesetzten Moduls unter Verwendung eines Heiß- oder Schmelzklebers.

Chipkarten für die kontaktbehaftete aber auch kontaktlose d. h. induktive Datenübertragung weisen einen mit dem Kartenkörper verbundenen Chip karten-Modul auf, der einen auf einem Kunststoffträger befindlichen Halbleiterchip umfaßt, welcher bei kontaktbehafteten Karten mit einem galvanischen Kontaktfeld verbunden ist. In einem Kartenlesegerät werden diese Kontaktflächen elektrisch abgetastet, so daß die erforderliche Kommu nikation möglich wird.

Bei kontaktlos, induktiv arbeitenden Systemen erfolgt die Datenübermittlung durch elektromagnetische Wechselfelder mittels wenigstens einer in der Chip karte bzw. im Kartenträger angeordneten Induktionsspule.

Bei sogenannten Kombikarten sind beide oben erwähnten Systeme in einer Karte vereint. Die Kombikarte verfügt demnach sowohl über ein Kontaktfeld für die kontaktbehaftete Übertragung als auch über einen induktiv koppel baren Kontakt. Hierfür ist es erforderlich, neben den elektrisch leitenden Verbindungen vom Halbleiterchip zum System für die kontaktbehaftete Datenübertragung auch Verbindungen zum System für die induktive Daten übermittlung herzustellen.

Zur Lösung dieses Problems wurde bereits vorgeschlagen, die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Anschlußstellen und dem Mittel für die kontaktlose Datenübertragung mittels eines anisotrop leitenden Klebstoffes herzustellen. Dieser anisotrop leitende Klebstoff weist elektrisch leitende Partikel auf, welche dem Klebstoff bei der Herstellung gleichmäßig verteilt zugesetzt werden. Die Menge der leitenden Partikel im Klebstoff soll dabei so gewählt werden, daß zwischen den Anschlußstellen und dem Mittel zur kon taktlosen Datenübertragung z. B. einem entsprechenden Kontaktfeld einer Antenne genügend Partikel vorhanden sind, um eine ausreichende elektrische Verbindung entsprechender Kontaktgüte aufzubauen.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren kommt die elektrisch leitende Verbindung dadurch zustande, daß der anisotrop leitende Klebstoff zumindest im Bereich der Anschlußstellen und unter den Verbindungsstellen des Mittels für die kontaktlose Datenübertragung aufgetragen und der Klebstoff zumindest im Bereich der Anschlußstellen so weit unter Druck komprimiert wird, daß eine elektrisch leitende Brücke d. h. ein Strompfad zwischen den Anschlußstellen und dem Mittel zur kontaktlosen Datenübertragung gebildet wird. Im Falle des oben erwähnten Klebstoffes mit elektrisch leitenden Partikeln führt dies dazu, daß die Partikel im Bereich zwischen Anschluß stellen und dem Mittel für die kontaktlose Datenübertragung quasi verdichtet werden, so daß sich die einzelnen Partikel untereinander sowie die Anschluß- und Verbindungsstellen berühren, so daß die leitende Verbindung resultiert.

Üblicherweise wird der mit einem Halbleiterchip versehene Modul in eine in den Kartenträger eingebrachte Ausnehmung implantiert, wobei hierfür auf ein Klebeverfahren unter Verwendung eines Heiß- oder Schmelzklebers (Hotmelt- Verfahren) zurückgegriffen wird.

Für die Herstellung von Kombikarten wird der erwähnte Modul mit einer weiteren Kontaktebene versehen, die mit den Anschlußstellen für das Mittel zur kontaktlosen Datenübertragung, z. B. einer Spule elektrisch zu verbinden sind. Diese elektrische Verbindung soll möglichst in einem Arbeitsgang mit der mechanischen Verbindung des Moduls bezogen auf die Ausnehmung im Kartenträger realisiert werden. Die im Kartenträger vorhandene z. B. Kupferdraht-Spule führt zu Verbindungsstellen, die beim Herstellen der Ausnehmung für den Modul z. B. durch Fräsen teilweise freigelegt werden. Bei einer derartigen Anordnung kann die Montage und das Verkleben des Moduls mit dem Kartenträger gleichzeitig mit der Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Mittel für die kontaktlose Datenübertra gung und den Anschlußstellen des Moduls durchgeführt werden, wenn der anisotrop leitende Klebstoff im wesentlichen über die gesamte Oberfläche der Kartenträgerausnehmung aufgetragen wird und für eine entsprechende Temperatur und Druckeinwirkung Sorge getragen wird.

Es ist jedoch nachteilig, den anisotrop leitenden Klebstoff über die gesamte Berührungsfläche aufzutragen, da der Klebstoff zum einen teuer ist, wodurch Kostenerhöhungen resultieren, zum anderen optimale elektrische Verbin dungen oft mit nicht ausreichender Klebeverbindung oder Haftung zwischen Modul und Kartenträger einhergehen. Darüber hinaus werden für das Kompri mieren der leitenden Bestandteile des anisotropen Klebers höhere Druckkräfte benötigt, die an sich zur Ausführung einer sicheren Heißklebeverbindung im gleichen Maße nicht notwendig sind.

Die DE 44 41 931 C1 zeigt eine Chipkarte, die einen Kunststoff-Kartenkörper aufweist, in dem ein Halbleiterchip angeordnet ist. Die dortige Anordnung richtet sich auf eine kontaktbehaftete Karte. Konkret wird der Halbleiterchip nach DE 44 41 931 C1 zunächst auf einen Kontaktfahnen umfassenden Leiterträger geklebt und anschließend mittels Bonddraht elektrisch mit den Kontaktfahnen verbunden. Durch ein Umspritzen des Chips einschließlich der Bonddrähte wird eine schützende Umhausung ausgebildet. Der so ent standene Kunststoffkörper mit dort vorgesehenen Kontaktfahnen wird in bekannter Weise aus einem Rahmen ausgestanzt und nun mittels eines Mehrschicht-Klebemittels in eine Kartentasche der Karte eingeklebt. Das Mehrschicht-Klebemittel soll eine mittlere flexible Schicht aufweisen, die bei Biegebelastung der Chipkarte unerwünschte Kraftübertragungen auf den eigentlichen Kontaktbereich verhindert bzw. solche Kräfte aufnimmt. Offen bart ist ebenfalls die Verwendung eines beheizten Formenstempels sowie das Ausbilden des Klebemittels in Bandform. Offen bleibt jedoch, wie elektrische Kontaktierungen auszubilden sind, wenn eine kontaktlose oder eine Kombi karte hergestellt werden soll.

Die DE 28 31 984 A1 geht auf elektrische Verbindungen zwischen zwei auf getrennten Trägern aufgebrachten elektrischen Schaltkreisen ein. Konkret geht es dort um flexible Leiterplatten, die mit LSI-Schaltkreisen zu kontaktieren sind. Offenbart wird der Einsatz eines elektrisch leitenden Schmelzklebers zwischen begrenzten Kontaktbereichen eines Schaltkreis musters, wobei zusätzlich zur Verbesserung der physikalischen Festigkeit elektrisch nicht leitender Schmelzkleber eingesetzt werden kann.

Bei dem Verfahren zum Präparieren von Heißkleber-Verbindungsanordnungen nach US 5,041,183 geht es um eine Kombination von leitendem und nicht leitendem Kleber mit anisotropen Eigenschaften zur Benutzung bei einer Verbindung von elektrischen Mitteln.

Die EP 0 671 705 A2 betrifft ein Herstellungsverfahren zur Erstellung von kontaktbehafteten oder kontaktlosen Karten, wobei dort ein Modul mit einem Halbleiterchip vorkonfektioniert und in einer Ausnehmung eines Kartenkörpers eingesetzt wird.

Beim Einsetzen des Moduls in die Ausnehmung des Kartenkörpers werden gegenüberliegende Kontaktflächen in üblicher Weise elektrisch verbunden, ohne daß Vorteile bezüglich des Freihaltens eines Lötstellenbereichs von mechanischen Spannungen oder Kräften gegeben sind.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung für in Chip karten einzusetzende Module anzugeben, das eine ausreichende Langzeit stabilität ermöglicht, wobei insbesondere mechanische Biegekräfte im täglichen Gebrauch der Chipkarte so aufgenommen werden sollen, ohne daß die Kontaktsicherheit der elektrischen Elemente in der Chipkarte beein trächtigt wird.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Die Unteransprüche umfassen zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung.

Zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung eines in einer Ausnehmung eines Kartenträgers einer Chipkarte eingesetzten Moduls wird auf eine auf einem folienartigen Träger befindliche, nicht leitende Heiß- oder Schmelzkleberschicht zurückgegriffen, wobei diese Heiß- oder Schmelz kleberschicht im Bereich auszubildender elektrischer Kontakte zwischen Modul und Kartenträger mit einer zusätzlichen leitfähigen Schicht oder mit leit fähigen Partikeln zu versehen ist. Diese zusätzliche leitfähige Schicht oder die leitfähigen Partikel können durch Lochung der Heiß- oder Schmelzkleber schicht mit anschließendem Verfüllen unter Rückgriff auf leitfähiges Material ausgebildet werden.

Die so vorbereitete Heiß- oder Schmelzkleberschicht mit leitfähigen Abschnitten wird dann am Modul oder in der Ausnehmung des Kartenträgers vorfixiert. Dieses Fixieren erfolgt so, daß die mit der zusätzlichen leitfähigen Schicht oder den leitfähigen Partikeln versehenen Abschnitte sich zwischen den Kontaktflächen des Moduls und der Ausnehmung des Kartenträgers befinden. Im Anschluß an dieses Fixieren wird in einem einzigen Druck- Temperatur-Einwirkungsschritt sowohl die mechanische Verbindung zwischen Modul und Kartenträger als auch die elektrische Kontaktierung zwischen den sich gegenüberstehenden Kontaktflächen realisiert.

Es ist erfindungsgemäß nicht notwendig, daß die in der Regel bezogen auf die genannte Verbindungsfläche nur kleinen Kontaktflächenabschnitte wesentlich zur Klebeverbindung beitragen, vielmehr sollen hier optimierte elektrische Eigenschaften wie geringe Leitungsinduktivitäten oder ein geringer Über gangswiderstand erzielt werden. Durch die an sich übliche Heiß- oder Schmelzklebeverbindung wird für eine ausreichende Pressung und Verdich tung der leitfähigen Partikel Sorge getragen, so daß sich die gewünschte Kontakt-Langzeitstabilität ergibt.

In dem Falle, wenn erfindungsgemäß für die leitfähigen Partikel auf eine Lötpaste oder eine Lötkugel zurückgegriffen wird, kann durch definiertes Zuführen von Wärmeengergie im Kontaktbereich nach oder während des Verklebens des Moduls im Kartenträger ein Löten erfolgen, wodurch eine weitere Erhöhung der Kontaktsicherheit gegeben ist. Die Lötstelle wird in diesem Fall von mechanischen Spannungen, Scher- oder sonstigen Kräften freigehalten, da diese auch im laufenden Einsatz der Karte von der Klebe verbindung großflächig aufgenommen werden.

Gemäß der Erfindung kann je nach Material des Kartenträgers oder des Moduls ein geeigneter vorkonfektionierter Heiß- oder Schmelzkleber ausgewählt und hinsichtlich Schichtdicke und Auswahl der leitfähigen Partikel für den jeweiligen Einsatzfall individuell präpariert und damit optimiert werden.

Die leitfähigen Partikel oder die leitfähige Schicht sind auf die Heiß- oder Schmelzkleberfolie beispielsweise mittels eines Dispensers, einer Walze oder einem Stempel lokal aufbringbar, wobei wenn erforderlich auf eine Maske zurückgegriffen werden kann, so daß sich die Reproduzierbarkeit beim Aufbringen leitfähiger Beschichtungen erhöht. Im Falle des oberflächen seitigen Aufbringens einer leitfähigen Schicht oder von leitfähigen Partikeln wird in einer Ausführungsform der Erfindung die so aufgebrachte Schicht kurzzeitig einer thermischen Behandlung ausgesetzt, so daß ein gewisses Anschmelzen der jeweiligen Partikel und damit Haften und Verbinden mit dem Heißkleber bzw. dem Schmelzkleber die Folge ist. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, daß beim nachfolgenden Handling die leitfähige Schicht bzw. das leitfähige Material vor unerwünschtem Abtrag geschützt ist.

Da die Heiß- oder Schmelzkleberschicht Ausnehmungen oder Lochungen aufweist, die mit leitfähigen Partikeln wie Lötkugeln oder Lötpaste verfüllt werden, kann auf übliche und bewährte Lötmittel zurückgegriffen werden. Die Dosierung der Menge einzubringender Partikel in die Ausneh mungen oder Lochungen ist unkritisch, da Materialüberschuß bei Löten und/oder Anpressen und gleichzeitigem Verkleben in die Kleberschicht hinein verdrängt werden kann, ohne daß die Kontaktsicherheit insgesamt beein trächtigt wird.

Alles in allem gelingt es mit der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung eines in einer Ausnehmung eines Kartenträgers einer Chipkarte eingesetzen Moduls anzugeben, wobei einerseits auf bekannte Heiß- oder Schmelzkleber zurückgegriffen werden kann und andererseits sowohl qualitativ hochwertige elektrische Kontakte bzw. elektrische Verbindungen realisiert werden können und die geforderte mechanische Festigkeit des Moduls im Kartenträger gegeben ist, ohne daß im laufenden Betrieb nachteilige Scher- oder sonstige Kräfte auf die Kontaktbe reiche einwirken.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für kontaktlose Chipkarten oder auch Kombikarten geeignet, bei welchen sowohl mechanisch kontak tierbare Kontaktflächen als auch induktive Komponenten vorhanden sind. Durch die Verwendung der erfindungsgemäß modifizierten Heiß- oder Schmelzkleberfolien können die Kosten bei der Kartenherstellung gesenkt werden, da es nicht notwendig ist, auf kostenintensive anisotrop leitende Klebstoffe zurückzugreifen, die im übrigen zum Verkleben der Module mit dem Kartenträger nur sehr bedingt geeignet sind:

Durch das nur partielle elektrische Verbinden an den jeweiligen elektrischen Kontaktierungsstellen verbleibt genügend Fläche zur Ausführung der stoff schlüssigen Klebeverbindung, um das Modul sicher im Kartenträger zu befestigen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Hotmelt-Klebstoffilm;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen präparierten Hotmelt-Film;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Hotmelt-Film mit im Innern befindlichen leitfähigen Partikeln und

Fig. 4 eine prinzipielle Schnittdarstellung der Einbauposition des Moduls in der Ausnehmung eines Kartenträgers unter Verwendung des Verbindungsmittels gemäß Ausführungsbeispiel.

Der in Fig. 1 gezeigte Schnitt durch einen Hotmelt-Film weist eine Trägerfolie 1 auf, die mit einem Heiß- oder Schmelzkleber 2 beschichtet ist. Die Schicht dicke liegt im Bereich zwischen 20 und 80 µm, wobei je nach Kartenmaterial wie ABS, PVC, PC oder PET verschiedene Kleber zum Einsatz kommen.

Der in Fig. 2 gezeigte präparierte Heiß- oder Schmelzkleber weist Lochungen 3 für die Aufnahme des Chips sowie jeweils seitlich angeordnete Abschnitte 4 auf, die aus einer leitfähigen Schicht oder aus leitfähigen Partikeln 16 bestehen bzw. diese enthalten.

Diese Abschnitte 4 können beispielsweise Lochungen oder Ausnehmungen sein, die mit Lötpaste verfüllt wurden. Wie anhand der Fig. 2 erkennbar, ist der auf einer Trägerfolie 1 befindliche Heiß- oder Schmelzkleber 2 kon fektioniert. Auf diesen blisterartigen Folienstreifen kann das mit einem Chip 11 versehene Modul 10 (Fig. 4) befestigt werden, um dann in einem nächsten Arbeitsgang das derart mit Trägerfolie 1 und Heiß- oder Schmelzkleber 2 versehene Modul 10 hin zur Ausnehmung 12 eines Kartenträgers 13 zu positionieren (Fig. 4).

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden Lötkugeln mit einem Durch messer von 25 µm auf die Heiß- oder Schmelzkleberschicht selektiv aufge bracht, so daß in einem nachfolgenden Druck-Temperatur-Prozeß sowohl eine Lötverbindung zwischen den sich gegenüberliegenden Kontaktflächen unter Rückgriff auf die Lötkugel als auch die Klebeverbindung zwischen Modul und Kartenträger realisiert werden kann.

Bei dem in der Fig. 3 gezeigten Heiß- oder Schmelzkleber 2 weist dieser eine im Innern befindliche Schicht 5 aus leitfähigen Partikeln auf. In dem Falle, wenn die Konfiguration nach Fig. 3 verwendet wird, sind erhaben ausge bildete Kontaktflächen am Modul bzw. am Kartenträger in der Lage, beim Druck-Temperatur-Behandlungsschritt den in den halbflüssigen Zustand übergehenden Heiß- oder Schmelzkleber zu verdrängen, um so in Wirkver bindung mit den leitfähigen Partikeln der inneren Schicht zu treten, wodurch sich die gewünschte Kontaktierung ausbildet.

Mit Hilfe der Fig. 4, die eine prinzipielle Schnittdarstellung durch einen Kartenträger 13 zeigt, welcher eine Ausnehmung 12 aufweist, soll nun das Verfahren zur Verbindungsherstellung erläutert werden.

Der mit der präparierten Heiß- oder Schmelzkleberschicht 2 versehene Modul 10, welcher einen Chip 11 umfaßt, wird z. B. mittels eines geeigneten Werk zeuges in die Ausnehmung 12 positioniert.

Kontaktflächen 14, die mit einer Induktionsspule zur kontaktlosen Daten übermittlung in Verbindung stehen, befinden sich auf der inneren Ober flächenseite der Ausnehmung 12. Durch Ausübung einer Druckkraft in Pfeilrichtung sowie durch Temperatureinwirkung erwärmt sich der Heiß- oder Schmelzkleber in der Schicht 2. Gleichzeitig stellen die leitfähigen Partikel 16, die sich in den Abschnitten 4 bzw. in der Schicht 5 befinden, eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 14 und den gegenüberliegenden Kontaktflächen 15 des Moduls her. Mit dem Erkalten und Aushärten des Klebers ergibt sich sowohl eine sichere mechanische Verbindung des Moduls 10 in der Ausnehmung 12 des Kartenträgers 13 als auch eine entsprechende elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 14 und 15. In dem Falle, wenn beispielsweise Lötpaste in Ausnehmungen oder Lochungen des Heiß- oder Schmelzklebers 1 eingebracht wird, dient diese zur Realisierung der elektrischen Verbindung zwischen den sich gegenüberliegenden Kontakt flächen 14 und 15.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann bei Verwendung einer Lötkugel im Kleberfilm während oder nach des Druck-Temperatur-Einwirkschrittes zusätzlich lokal Wärme im Bereich der Kontaktflächen 14 und/oder 15 zur Einwirkung gebracht werden, so daß der gewünschte Lötprozeß vollzogen wird.

Aus den voranstehend geschilderten Ausführungsbeispielen wird deutlich, daß die leitfähigen Partikel oder die leitfähige Schicht sowohl im Innern der Heißklebefolie befindlich sein kann, als auch oberflächenseitig aufbringbar ist. Ein Fixieren einer oberflächenseitig aufgebrachten Schicht oder von oberflächenseitig angeordneten Partikeln kann durch kurzzeitige Wärme behandlung erfolgen, wodurch die entsprechenden Partikel am Kleber anhaften. Für die Wärmebehandlung kann beispielsweise auf eine beheizte Walze, die über die Folie geführt wird, zurückgegriffen werden, wobei die Walze auch gleichzeitig zum Auftragen der leitfähigen Partikel nutzbar ist.

Bezugszeichenliste

1

Trägerfolie
2. Heiß- oder Schmelzkleber

3

Lochung für Chip

4

Abschnitte

5

innere Schicht

10

Modul

11

Chip

12

Ausnehmung

13

Kartenträger

14

Kontaktflächen Kartenträger

15

Kontaktflächen Modul

16

leitfähige Partikel

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung eines in einer Ausnehmung eines Kartenkörpers einer Chipkarte eingesetzten Moduls unter Verwendung eines Heiß- oder Schmelzklebers, wobei
in die auf einem folienartigen Träger befindliche, nicht leitende Heiß- oder Schmelzkleberschicht im Bereich auszubildender elektrischer Kontakte zwischen Modul und Kartenkörper Ausnehmungen oder Lochungen eingebracht werden, welche mit leitfähigen Lot-Partikeln verfüllt werden,
anschließend die so vorbereitete Heiß- oder Schmelzkleberschicht am Modul oder in der Ausnehmung des Kartenkörpers fixiert wird, wobei die mit den leitfähigen Lot-Partikeln versehenen Abschnitte sich zwischen den Kontaktflächen des Moduls und der Ausnehmung des Kartenkörpers befinden und
weiterhin in einem Druck-Temperatur-Einwirkungsschritt sowohl die mechanische Verbindung zwischen Modul und Kartenkörper als auch die elektrische Kontaktierung, letztere durch Lötung realisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je nach gegebenem Material des Kartenkörpers und des Moduls geeignete Heiß- oder Schmelzkleber ausgewählt und diese hinsichtlich ihrer Schichtdicke und Auswahl der leitfähigen Lot-Partikel für den jeweiligen Einsatzfall individuell präpariert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Lot-Partikel mittels Dispenser, Walze oder Stempel lokal, gegebenenfalls mittels einer Maske aufgebracht werden, wobei durch gleichzeitige oder anschließende kurzzeitige Wärmebehandlung die Lot- Partikel oder die Schichtbestandteile mit der Kleberschicht haftend verbunden werden.