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WO2000019513A1 - Verfahren zum eingiessen eines flachen elektronikmoduls in einem kunststoffkartenkörper durch thermoplastisches spritzgiessen - Google Patents

Verfahren zum eingiessen eines flachen elektronikmoduls in einem kunststoffkartenkörper durch thermoplastisches spritzgiessen Download PDF

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WO2000019513A1
WO2000019513A1 PCT/DE1999/002659 DE9902659W WO0019513A1 WO 2000019513 A1 WO2000019513 A1 WO 2000019513A1 DE 9902659 W DE9902659 W DE 9902659W WO 0019513 A1 WO0019513 A1 WO 0019513A1
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WO
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shot
electronic module
module
card body
injected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE1999/002659
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jean-Pierre Dekeyser
Helge Schmidt
Peter Preiner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TE Connectivity Solutions GmbH
Siemens Electromechanical Components GmbH and Co KG
Original Assignee
Tyco Electronics Logistics AG
Siemens Electromechanical Components GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Tyco Electronics Logistics AG, Siemens Electromechanical Components GmbH and Co KG filed Critical Tyco Electronics Logistics AG
Priority to EP99953592A priority Critical patent/EP1118111A1/de
Publication of WO2000019513A1 publication Critical patent/WO2000019513A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
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    • G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
    • G06K19/07—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
    • G06K19/077—Constructional details, e.g. mounting of circuits in the carrier
    • G06K19/07745—Mounting details of integrated circuit chips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/14—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles
    • B29C45/14639—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles for obtaining an insulating effect, e.g. for electrical components
    • B29C45/14647—Making flat card-like articles with an incorporated IC or chip module, e.g. IC or chip cards
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/16—Making multilayered or multicoloured articles
    • B29C45/1671—Making multilayered or multicoloured articles with an insert
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a method for casting a flat electronic module with external contacts into a plastic card body by thermoplastic injection molding.
  • the electronic module described there consists of a leadframe with a chip mounted thereon, which are embedded in a plastic housing in such a way that external contacts of the module protrude from the housing in one plane.
  • This module is then embedded in a flat plastic object, for example a chip card, which typically has a thickness of only about 0.8 mm, by injection molding.
  • the module is not cast with thermoplastic on either one of the flat sides, that is, the thickness of the electronic module is equal to the thickness of the thermoplastic material of the plastic card body.
  • the housed module the flat underside of which is typically formed by the exposed lead frame, is inserted into an injection mold with an upper and lower mold half and then the module, with the material of the chip card exactly in alignment, is cast around its edges, using centering pins the mold is additionally positioned in the mold cavity.
  • At least one surface of the module is also on the today
  • the object of the invention is therefore to provide a method of the type mentioned at the outset which allows the central injection of relatively large-area electronic modules into card bodies up to approximately 3 mm thick.
  • FIG. 1 shows a finished injection-molded plastic card body in a schematic sectional illustration
  • FIG. 1 a plastic card body in a molding tool after the first or after the second shot
  • FIG. 4 to 6 in a schematic plan view from above, an equipped chip carrier before the encapsulation (FIG. 4) and after the first (FIG. 5) and after the second (FIG. 6) shot, with the associated side views as parts of the figure below FIG. 5 and 6 are attached.
  • the present invention is based on the knowledge that, on the one hand, it is a necessary prerequisite for injecting an electronic module in the middle, in particular if it comprises a lead frame as the chip carrier, not to stress the lead frame or the module in such a way that the chip is functional loses what can only be prevented if there is a balance of forces during the injection process.
  • this is not possible with the known one-shot method for the following reasons:
  • the injection molding is not completely reproducible in the area of high pressures.
  • the increase in the mold temperature leads to a warping of the card body.
  • the bigger the de chip carrier area the higher the uncontrollable surface forces.
  • the chip carriers cannot be fixed in the mold, or only with difficulty.
  • turbulence occurs and leaves traces. It turns out that unevenness leads to an uneven flow, in which transverse forces arise despite the symmetrical position of the chip carrier to be injected, which press the lead frame or the module against the injection mold wall.
  • the invention is therefore based on the fact that the balance of forces in the middle injection is not immediate, which does not appear to be possible, but rather indirectly in two injection phases with two different molding tools, one half of which in each case has the necessary counterforce to the forces occurring in the opposite half of the mold due to the injection process forms to manufacture.
  • FIG. 1 shows a lead frame 8 on which an encapsulated chip, that is to say provided with a plastic housing 9, is arranged.
  • the production of such a plastic housing 9, which belongs to the electronics module 1 itself, is in principle independent of the method according to the invention.
  • the finished card body 2 in Figure 1 is on both sides Injection molded plastic, except in the area of the contact area 10 of the leadframe, which is designed as a via.
  • the position of the module 1 on the first shot can be seen in FIG.
  • the upper mold half 3 of the first mold is so pronounced that the relief of the module 1 bears completely and without gaps on the side to be covered.
  • the lead frame or module side with more relief structure is sprayed out, possibly together with a contact area 10, since then the negative for the module side with less structure, i.e. the upper mold half 3, can be made simpler, which is particularly the case with unhoused modules or PCB is important. Due to the fact that the upper side of the module 1 is fully in contact, infiltration during spraying is not possible and it is ensured that the chip carrier 8 does not bend.
  • the position of the partially injected card body 7 in the second shot can be seen in Figure 3.
  • the remaining card body areas 2 are filled in according to the upper mold half 5 of the second mold, while the mold half 6 lies flat.
  • the chip carrier 8 is completely enclosed. It is also possible to inject labeling labels that are inserted into one of the injection molds in the two injection molding processes.
  • FIGS. 4 to 6 A further exemplary embodiment is shown in FIGS. 4 to 6, in which a chip carrier 8 equipped with two chips 11 and without a plastic housing is encapsulated directly in the two-shot method according to the invention.
  • the plastic body 7 can be seen in FIG. 5 after the first shot, a preferred flow channel 12 for the second shot also being shown on the left and right.
  • the connecting seam 13 between the first and the second weft is also indicated in the finished injection-molded card.
  • the sprue for the second shot opens into the preferred flow channel 12 for the second shot and is already formed with the first shot by means of a mold insert.
  • ABS, PBT, PET, LCP, PA and PC are the most suitable plastic thermoplastics.

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Abstract

Das Modul (1) wird mittig im Kunststoffkartenkörper (2) eingespritzt, wobei die obere Formhälfte (3) des beim ersten Schuss verwendeten ersten Formwerkzeugs (3, 4) so ausgeprägt ist, dass auf der abzudeckenden, zunächst von Spritzmasse freibleibenden oberen Seite das Relief des Moduls (1) vollständig und lückenlos an der oberen Formhälfte (3) anliegt, während die untere Seite des Moduls (1) ausgespritzt wird, und wobei die untere Formhälfte (6) des beim zweiten Schuss verwendeten zweiten Formwerkzeugs an den beim ersten Schuss gespritzten Kartenkörperbereichen (7) anliegt.

Description

VERFAHREN ZUM EINGIESSEN EINES FLACHEN ELEKTRONIKMODULS IN EINEM KUNSTSTOFFKARTENKÖRPER DURCH THERMOPLASTISCHES
SPRITZGIESSEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eingießen eines flachen Elektronikmoduls mit Außenkontakten in einen Kunststoffkartenkörper durch thermoplastisches Spritzgießen.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 599 194 AI bekannt geworden. Das dort beschriebene Elek- tronikmodul besteht aus einem Leadframe mit darauf montiertem Chip, die so in ein Kunststoffgehäuse eingebettet sind, daß in einer Ebene liegende Außenkontakte des Moduls aus dem Gehäuse hervorstehen. Dieses Modul wird anschließend durch Spritzgießen in einen flachen Kunststoffgegenstand, beispielsweise eine Chipkarte, die typischerweise eine Dicke von lediglich etwa 0,8 mm aufweist, eingebettet.
Bei dem bekannten Verfahren wird das Modul weder an der einen noch an der anderen Flachseite mit Thermoplast hintergossen, das heißt, die Dicke des Elektronikmoduls ist gleich der Dik- ke des Thermoplastmaterials des Kunststoffkartenkörpers . Das gehäuste Modul, dessen flache Unterseite typischerweise durch das freiliegende Leadframe gebildet wird, wird in eine Spritzgießform mit einer oberen und unteren Formhälfte eingelegt und anschließend wird das Modul, mit dem Material der Chipkarte genau fluchtend, an seinen Rändern rings umgössen, wobei es durch Zentrierstifte der Gießform im Formhohlraum zusätzlich positioniert wird.
Ähnlich, wie früher die Module in einen vorgefertigten Kartenkörper aus Kunststoff eingefügt wurden, liegt auch heute, wie beschrieben, mindestens eine Fläche des Moduls an der
Oberfläche des Chipkartenkörpers an und wird nicht vom Kunststoff bedeckt. Der frühere Aufbau wurde also in die jetzt üb- liehe Spritzgußtechnik übernommen, wobei das Modul einseitig an der Spritzgußform plan aufliegt und beim Spritzgießen angedrückt wird.
Es hat sich herausgestellt, daß diese bekannte Technik nicht auf das thermoplastische Spritzgießen von relativ großen Elektronikmodulen, das heißt mit einer Fläche von mehr als etwa 100 mm2, die mittig in relativ dicke Kartenkörper mit einer Dicke bis etwa 3 mm, eingebettet werden sollen, über- tragbar ist. Bei derartigen Kartenkörpern ist, wie bei den noch dünneren ein hoher Einspritzdruck, der im Bereich von 600 bis 1200 bar liegt, erforderlich, damit die Spritzmasse in der Spritzform noch ausreichend dünn ausfließt. Dieser hohe Druck ist bei mittig und/oder innig zu positionierenden Modulen nicht beherrschbar, während es beim Umspritzen in größeren Dimensionen nur einfacher Haltemaßnahmen für mittig zu positionierende Teile bedarf, da in diesen Fällen der erforderliche Spritzdruck viel geringer ist.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, das das mittige Einspritzen von relativ großflächigen Elektronikmodulen in Kartenkörper bis zu etwa 3 mm Dicke erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Elektronikmodul im Zwei-Schuß- Verfahren mittig im Kunststoffkartenkörper eingespritzt wird, wobei die obere Formhälfte des beim ersten Schuß verwendeten ersten Formwerkzeugs so ausgeprägt ist, daß auf der abzudek- kenden, zunächst von Spritzmasse freibleibenden oberen Seite das Relief des Elektronikmoduls vollständig und lückenlos an der oberen Formhälfte anliegt, während die untere Seite des Elektronikmoduls entsprechend der unteren Formhälfte ausgespritzt wird, und wobei die untere Formhälfte des beim zwei- ten Schuß verwendeten zweiten Formwerkzeugs so ausgeprägt ist, daß sie mindestens an den beim ersten Schuß gespritzten Kartenkörperbereichen vollständig anliegt, während die rest- liehen Kartenkörperbereiche entsprechend der oberen Formhälf¬ te mit Spritzmasse ausgefüllt werden.
Zweckmäßige weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in schematischer seitlicher Schnittdarstellung einen fertig gespritzten Kunststoffkartenkör- per,
Figur 2 und 3 in gleicher Darstellung wie Figur 1 einen Kunststoffkartenkörper in einem Formwerkzeug nach dem ersten bzw. nach dem zweiten Schuß,
Figur 4 bis 6 in einer schematischen Draufsicht von oben einen bestückten Chipträger vor der Umspritzung (Figur 4) und nach dem ersten (Figur 5) und nach dem zweiten (Figur 6) Schuß, wobei unterhalb der Figur 5 und 6 die zugehörigen Seitenansichten als Figurenteile angefügt sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es einerseits eine notwendige Voraussetzung zum mittigen U - spritzen eines Elektronikmoduls ist, insbesondere wenn dieses ein Leadframe als Chipträger umfaßt, den Leadframe bzw. das Modul nicht so zu belasten, daß der Chip seine Funktionsfä- higkeit verliert, was nur bei Bestehen eines Kräftegleichgewichts beim Einspritzvorgang verhindert werden kann. Dies ist jedoch aus folgenden Gründen beim bekannten Ein-Schuß- Verfahren nicht möglich:
Der Spritzguß ist im Bereich hoher Drücke nicht vollständig reproduzierbar. Die Erhöhung der Formtemperatur führt zu einem Verziehen des Kartenkörpers . Je größer die zu umspritzen- de Chipträgerfläche ist, desto höher sind die unbeherrschba- ren Flächenkräfte. Die Chipträger lassen sich trotz aller Bemühungen im Formwerkzeug nicht oder nur schlecht fixieren. Außerdem treten Turbulenzen auf und hinterlassen Spuren. Es stellt sich heraus, daß Ungleichmäßigkeiten zu einem ungleichmäßigen Fließen führen, bei dem trotz symmetrischer Lage des einzuspritzenden Chipträgers Querkräfte entstehen, die das Leadframe bzw. das Modul an die Spritzgußformwand pressen. Sobald eine geringfügige asymmetrische Lage des Chipträ- gers durch derartige Querkräfte eingetreten ist, besteht die Tendenz, diese asymmetrische Lage zu verstärken, da aufgrund der großen Viskosität der Spritzgußmasse der Fließwiderstand in dünneren Fließkanälen größer als in breiten ist. Dadurch gelangt die Kuststoff asse in den breiten Kanälen schneller in die Flußrichtung voran, womit das Kräftegleichgewicht aus der Waage kommt. Querkräfte werden insbesondere durch Turbulenzen generiert, die beim Einspritzen an Unstetigkeitsstel- len, wie Kanten und Verengungen, aufgrund des hohen Spritzdruckes und der damit verbundenen großen Fließgeschwindigkei- ten entstehen. Diese Wirbelstellen sind äußerlich auch nach dem Entformen als "Wellenberg" noch gut sichtbar.
Die Erfindung beruht mithin darauf, das Kräftegleichgewicht beim mittigen Einspritzen nicht unmittelbar, was nicht mög- lieh erscheint, sondern mittelbar in zwei Spritzphasen mit zwei verschiedenen Formwerkzeugen, von denen eine Formhälfte jeweils die notwendige Gegenkraft zu den in der gegenüberliegenden Formhälfte durch den Spritzvorgang auftretenden Kräfte bildet, herzustellen.
In Figur 1 ist ein Leadframe 8 erkennbar, auf dem ein gekapselter, also mit einem Kunststoffgehäuse 9 versehener Chip angeordnet ist. Die Herstellung eines derartigen, zum Elektronikmodul 1 selbst gehörenden Kunststoffgehäuses 9 ist prinzipiell unabhängig vom erfindungsgemäßen Verfahren. Der fertige Kartenkörper 2 in Figur 1 ist auf beiden Seiten mit Kunststoff umspritzt, außer im Bereich des Kontaktbereiches 10 des Leadframes, der als Durchkontaktierung ausgeführt ist.
In Figur 2 ist die Lage des Moduls 1 beim ersten Schuß er- kennbar. Die obere Formhälfte 3 des ersten Formwerkzeugs ist so ausgeprägt, daß auf der abzudeckenden Seite das Relief des Moduls 1 auf dieser Seite vollständig und lückenlos anliegt. Vorteilhafterweise wird erst die mehr Reliefstruktur aufweisende Leadframe- bzw. Modulseite, möglicherweise zusammen mit einem Kontaktbereich 10, ausgespritzt, da dann das Negativ für die Modulseite mit weniger Struktur, also die obere Formhälfte 3, einfacher gestaltet werden kann, was besonders bei ungehäusten Modulen bzw. Leiterplatten wichtig ist. Dadurch, daß die obere Seite des Moduls 1 vollständig anliegt, ist kein Unterwandern beim Spritzen möglich und sichergestellt, daß ein Verbiegen des Chipträgers 8 nicht stattfindet.
Die Lage des teilgespritzten Kartenkörpers 7 beim zweiten Schuß ist in Figur 3 erkennbar. Beim zweiten Schuß werden die restlichen Kartenkörperbereiche 2 entsprechend der oberen Formhälfte 5 des zweiten Formwerkzeugs ausgefüllt, während die Formhälfte 6 plan anliegt. Nach den Entformung, also dem Aushärten, Öffnen des Formwerkzeugs 5, 6 und Austreiben des fertigen Spritzteils, ist der Chipträger 8 vollständig einge- schlössen. Es besteht die Möglichkeit, auch Beschriftungslabel, die in eine der Spritzformen eingelegt werden, in den beiden Spritzgußvorgängen mit einzuspritzen.
In den Figuren 4 bis 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei ein mit zwei Chips 11 bestückter Chipträger 8 ohne Kunststoffgehäuse direkt im erfindungsgemäßen Zwei- Schuß-Verfahren umspritzt wird. In Figur 5 ist der Kunststoffkörper 7 nach dem ersten Schuß erkennbar, wobei auch links und rechts ein bevorzugter Fließkanal 12 für den zwei- ten Schuß dargestellt ist. In Figur 6 ist bei der fertig gespritzten Karte auch die Verbindungsnaht 13 zwischen dem ersten und dem zweiten Schuß angedeutet. Vorteilhafterweise mündet der Anguß für den zweiten Schuß in den bevorzugten Fließkanal 12 für den zweiten Schuß und wird mittels Formeinsatz beim ersten Schuß bereits mit geformt.
Als Kunststoff-Thermoplaste bieten sich vornehmlich ABS, PBT, PET, LCP, PA und PC an.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Eingießen eines flachen Elektronikmoduls mit Außenkontakten in einen Kunststoffkartenkörper durch thermo- plastisches Spritzgießen, dadurch gekennzeichnet, daß
- das Elektronikmodul (1) im Zwei-Schuß-Verfahren mittig im Kunststoffkartenkörper (2) eingespritzt wird, wobei
- die obere Formhälfte (3) des beim ersten Schuß verwendeten ersten Formwerkzeugs (3, 4) so ausgeprägt ist, daß auf der abzudeckenden, zunächst von Spritzmasse freibleibenden oberen Seite das Relief des Elektronikmoduls (1) vollständig und lückenlos an der oberen Formhälfte (3) anliegt, während die untere Seite des Elektronikmoduls entsprechend der un- teren Formhälfte (4) ausgespritzt wird, und wobei
- die untere Formhälfte (6) des beim zweiten Schuß verwendeten zweiten Formwerkzeugs (5, 6) so ausgeprägt ist, daß sie mindestens an den beim ersten Schuß gespritzten Kartenkör- perbereichen (7) vollständig anliegt, während die restli- chen Kartenkörperbereiche entsprechend der oberen Formhälfte (5) mit Spritzmasse ausgefüllt werden.
2 . Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Elektronikmodul (1) ein bestücktes Leadframe (8), eine bestückte Leiterplatte oder ein Multichipmodul verwendet wird, und daß zuerst, also im ersten Schuß, die mehr Reliefstruktur aufweisende Seite des Elektronikmoduls (1) ausgespritzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schuß ein bevorzugter Fließkanal (12) für den zweiten Schuß gespritzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Anguß für den zweiten Schuß in den bevorzugten Fließkanal (12) mündet und mittels Ausprägung des ersten Formwerk- zeugs (3, 4) beim ersten Schuß geformt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Beschriftungslabel in mindestens einem der Spritzvorgänge in ein Formwerkzeug (3, 4, 5, 6) eingelegt und mit eingespritzt werden.
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