DE19601203A1 - Datenträgerkarte und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine flächig ausgebildete Datenträger­ karte mit mindestens einem Chip, der auf der Karte montiert ist und mit mehreren auf der Karte vorhandenen Leiterbahnen elektrisch verbunden ist, die eine Kontaktierung von der Da­ tenträgerkarte nach außen hin ermöglichen.

Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von transportablen Halbleiterspeicher- und verarbeitungsmedien bekannt. Der Auf­ bau und die Ausstattung mit unterschiedlichen Chips ist viel­ fältig. Die bekannten Chipkarten bestehen üblicherweise aus einem Modul und einem Kartenrohling, der eine Vertiefung auf­ weist, in die ein Modul eingesetzt wird. Jedes Modul besteht aus einem Träger, beispielsweise aus Glas/Epoxi-Material, aus laminiertem Epoxid oder aus Polyester, wobei Träger Goldkon­ takte und der Halbleiterchip gegenüberliegend montiert und miteinander kontaktiert sind.

Weitere Ausführungen von Datenträgerkarten beinhalten einen Träger, z. B. eine Leiterplatte, der mit irgendeinem Halblei­ terchip belegt ist. Der Chip kann auf irgendeine Art und Wei­ se an dem Träger befestigt und verschaltet sein. Diese eben­ falls als IC-Modul bezeichnete Einheit wird, wie oben be­ schrieben, in einen Kartenkörper eingebaut, wodurch die Da­ tenträgerkarte entsteht.

Ein mit der Zeit zunehmend wichtiger Nachteil besteht in der Verwendung eines Trägers. Dieses erfordert eine bestimmte An­ zahl von Verarbeitungsschritten bei der Fertigung, sowie Ma­ terial, verbunden mit entsprechenden Kosten.

Eine Chipkarte aus dem Stand der Technik wird beispielsweise in der amerikanischen Patentschrift US-5,289,349 beschrieben.

Des weiteren ist im Stand der Technik die Ausbildung von dreidimensionalen Leiterplatten bzw. von dreidimensional aus­ gebildeten Leiterbahnen oder insbesondere die MID-Technik be­ kannt. MID ist die Abkürzung für Molded Interconnect Device (spritzgegossene verschaltete Vorrichtung). Derartige Vor­ richtungen werden in der Regel aus Thermoplasten, insbesonde­ re hochtemperaturbeständigen Thermoplasten, hergestellt, auf die durch verschiedene Verfahren dreidimensionale Leiter­ strukturen aufgebracht werden. Der Begriff dreidimensional bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Leiterbahnen nicht nur in einer Ebene verlaufen, sondern sich auch in die dritte räumliche Dimension erstrecken. In diesem Zusammenhang sind zwei Artikel zu nennen. "Dreidimensionale Leiterplatten", H. Schaaf, Faller und Zwick; Feinwerktechnik und Meßtechnik 97 (1989) 5; Carl Hanser Verlag München 1989; High Temperature Thermoplastic Substrate having a Vaccuum Deposited Solderable Electrical Conductor; D. W. Dorinski; Motorola Technical De­ velopments; Vol. 13 (1991) Juli, Schaumburg, Illinois, USA).

Zur MID-Technik ist allgemein zu sagen, daß standardisierte Aufbau- und Verbindungskomponenten für den Zusammenbau elek­ tronischer Geräte die Nutzung vieler Einsatzmöglichkeiten der Mikroelektronik behindern. Lange Signalverbindungswege be­ grenzen die Verarbeitungsgeschwindigkeit. Mit der MID-Technik ist eine weitere Miniaturisierung von elektronischen Geräten möglich. In dreidimensionalen Kunststoffteile mit struktu­ rierter Metallisierung sind mehrere mechanische und elektri­ sche Funktionen integrierbar. Die Gehäuseträgerfunktion kann gleichzeitig Führungen und Schnappverbindungen mitbeinhalten, während die Metallisierungsschicht elektromagnetische Ab­ schirmung, Wärmeabfuhr, elektrische Verdrahtung und Verbin­ dungsfunktion erfüllt. Eine allgemeine Übersicht über diese Technik bietet der Artikel "Integration mit SIL-Technik"; Luc Boone, . . .; Siemens-Zeitschrift Special, FuE, Herbst 1992, Seite 4 bis 9.

Weitere Literaturstellen zur Herstellung dreidimensionaler Leiterbahnstrukturen sind beispielsweise die deutsche Offen­ legungsschrift DE 37 32 249, die europäischen Patentanmeldun­ gen EP 0 645 953 und EP 0 647 089.

Wie bereits angedeutet, besteht ein wesentlicher Nachteil bei der Herstellung einer Datenträgerkarte mit einem Chip darin, daß ein Zwischenschritt über den Einsatz eines, Trägers bei­ spielsweise aus Metall oder anderen Leiterplattenmaterialien, notwendig ist. Somit wird im Stand der Technik bisher durch­ weg der Einbau eines Chips mit einem Chipträger, wodurch ein Modul gebildet wird, daß in einen kartenförmigen Kunst­ stoffkörper zur Herstellung einer Datenträgerkarte beschrie­ ben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Datenträger­ karte zu schaffen, die aus einer geringen Anzahl von Einzel­ teilen zusammengebaut und mit wenigen Verfahrensschritten ko­ stengünstig herstellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 9.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein karten­ förmiger Kunststoffkörper kostengünstig und von hoher Quali­ tät herstellbar ist, der dreidimensional ausgebildete Leiter­ bahnen aufweist. Diese Leiterbahnen dienen einerseits zur Kontaktierung in Richtung Chip und andererseits zur Kontak­ tierung in Richtung eines Datenverarbeitungsgerätes, also von der Datenträgerkarte nach außen hin. Die Verwendung eines derartigen in MID-Technik hergestellten kartenförmigen Kunst­ stoffkörpers mit entsprechenden Leiterbahnen ermöglicht den Einbau eines Chips in Nacktchipmontage. Hierzu ist auf dem Kunststoffkörper eine Vertiefung vorgesehen, in der der Chip auf den Kunststoffkörper montiert und mit den Leiterbahnen kontaktiert wird und vollständig in der Vertiefung versenkt ist.

Als Kunststoff können insbesondere hochtemperaturbeständige Thermoplaste als Alternative zu kupferkaschierten Schicht­ preßstoffen verwendet werden. Wesentlich ist, daß die Leiter­ bahnen in der Höhe variabel ausführbar sind, so daß sie der Kontur des gespritzten Kartenkörpers auch entlang der Vertie­ fung oberflächlich oder verdeckt folgen können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent­ nommen werden.

Im folgenden wird anhand einer schematischen Figur ein Aus­ führungsbeispiel beschrieben.

Die Figur zeigt schematisch eine Datenträgerkarte bestehend aus einem Chip 1 und einem aus Kunststoff bestehenden Karten­ körper 5. Der Kartenkörper 5 weist nach außen hin offene Lei­ terbahnen 3 auf, die beispielsweise in einem Heißprägeverfah­ ren aufgebracht wurden. Der Chip 1 ist mittels des Klebstof­ fes 4 auf dem Kartenkörper 5 befestigt. Die elektrischen Kon­ taktierungen werden durch die Bonddrähte 2 sichergestellt. Es muß bemerkt werden, daß hierzu auch die Flip-Chip-Technik einsetzbar ist. Die Vertiefung 6 weist eine laterale Ausdeh­ nung auf, die geringfügig größer ist als der Chips 1. An den beiden Längsseiten des Kartenkörpers 5 ist die Vertiefung durch seitliche Ränder begrenzt. Die Leiterbahnen 3 verlaufen in diesem Fall unter dem Chip 1 hindurch, so daß beispiels­ weise eine Kontaktierung der Datenträgerkarte zu zwei Seiten hin möglich wäre. Der Abstand 7 der Leiterbahnen 3 von der Oberfläche des Kartenkörpers 5 ist bedingt durch das Herstel­ lungsverfahren.

Bei der Montage mehrerer Chips 1 auf einem Kartenkörper kön­ nen diese beispielsweise in einer einzigen Vertiefung 6 un­ tergebracht werden. Die in diesem Fall unter den verschiede­ nen Chips 1 verlaufenden Leiterbahnen 3 stellen dann ein Bus­ system dar. Andererseits könnte für jeden Chip eine einzelne Vertiefung vorgesehen sein.

Der Chip 1 ist entsprechend der Figur in Nacktchipmontage aufgesetzt worden. Das bedeutet, daß der Chip 1 keine Pla­ stikumhüllung aufweist. Die elektrische Kontaktierung ge­ schieht beispielsweise in einem Bondautomaten. Die in der Figur nicht dargestellte Schutzschicht für den Chip bzw. für Teile der Leiterbahnen 3 und insbesondere für die Bonddrähte 2 kann in Form einer Kunststoffabdeckung (Globe Top) durch Aufbringen eines Tropfens Kunststoff geschehen bzw. durch ei­ ne aufwendigere Laminierung oder durch einen den Kunst­ stoffkörper 5 teilweise oder vollständig abdeckenden Deckel.

Die Ausbildung der Leiterbahnen 3 an den Schmalseiten der Da­ tenträgerkarte können ebenfalls variabel gestaltet sein. Bei der Ausbildung galvanischer Kontakte ist auf die korrespon­ dierende Positionierung relativ zu der Auslegung des Datenle­ segerätes zu achten. Eine kontaktlose Übertragung ist auch denkbar. Für diesen Fall würden jedoch die Leiterbahnen an­ ders geführt und es würde an einer bevorzugten Stelle des Kartenkörpers 5 ein Übertragungselement vorgesehen sein, das ebenfalls in MID-Technik herstellbar ist.

Durch den Einsatz der MID-Technik zum Aufbringen von Leiter­ bahnen direkt auf den Kunststoffkartenkörper 5 in Verbindung mit einem direkt auf den Kartenkörper 5 montierten Chip 1 können wesentliche Einsparungen an Material und an Prozeß­ schritten erzielt werden.

Die Herstellung der Leiterbahnen 3 kann beispielsweise auch in einem SIL-Verfahren geschehen. Dieses ist ein Verfahren zur Herstellung von Spritzgießteilen mit integrierten Leiter­ zügen, wie das MID-Verfahren, wobei die Strukturierung durch einen Laser geschieht. Zum Einsatz kommen hochwertige Thermo­ plaste, wie beispielsweise ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol). Diese müssen zum Spritzgießen von dreidimensionalen, d. h. räumlich geformten Teilen geeignet sein und sie sind allge­ mein Basis für die MID-Technik. Diese Kunststoffe weisen gute mechanische, thermische, chemische, elektrische und umwelt­ technische Eigenschaften auf. Sie überstehen beispielsweise nachfolgende Lötprozesse ohne Defekte. Eine weitere Gruppe von Kunststoffen, die mehrere Vorteile wie leichte Spritzbar­ keit, Eignung zum Löten, geringe Kosten, marktgängiger Kunst­ stoff und allgemein ausreichende physikalische Eigenschaften auf sich vereinen, sind beispielsweise die PPS (Poly-Pheny­ len-Sulfid). Darüber hinaus wären zu nennen PSU (Polysulfon), PES (Polyethersulfon), PEI (Polyetherimid) oder PEK, PEEK (Polyether-Etherketon).

Erfindungsgemäß wird eine Nacktchipmontage vorgenommen, wobei die Leiterbahnen 3 auf der gleichen Seite wie der Chip 1 po­ sitioniert sind, wie es in der Figur dargestellt wird. Es be­ steht auch die Möglichkeit Durchkontaktierungen in dem Kunst­ stoffkartenkörper 5 vorzusehen, so daß beispielsweise die Leiterbahnen auf dem Kartenkörper 5 gegenüberliegend zum Chip 1 angeordnet sind. Für diesen Fall wäre ein sogenanntes Zwei- Schuß-Verfahren zur Herstellung des thermoplastischen Kunst­ stoffkörpers 5 verwendbar.

Es muß erwähnt werden, daß der Kartenkörper 5 mit allen Funk­ tionen des Gehäuses und der Elektrik ausgestattet ist. Dies sind z. B. Versteifungen, umspritzte Teile, EMV-Schirmung, EDS-Schutz, Aufdruck von Graphik usw. In diesen Kunst­ stoffkörper wird in die Vertiefung 6 mindestens ein Chip 1 in Nacktchipmontage eingebaut. Somit ist eine sehr flache Daten­ trägerkarte herstellbar.

Maßnahmen zur mechanischen Steifigkeit einer Datenträgerkarte wurden bisher üblicherweise durch Versteifungselemente, bei­ spielsweise ringförmige Versteifungen aus Metall, am Chipmo­ dul vorgenommen. Dabei wurde insbesondere das Augenmerk auf den empfindlichen Chip gerichtet. In einer erfindungsgemäßen Datenträgerkarte können Versteifungselemente in vorteilhafter Weise am Einbauplatz eines Chips 1 im Kunststoffkartenkörper 5 enthalten sein. Diese sind nicht auf die lateralen Ausmaße eines Chipmodules eingegrenzt. Das Umspritzen von in eine Ka­ vität eingelegten und nicht aus Kunststoff bestehenden Teilen bereitet keine wesentlichen Probleme.

Eine derartige Kartenträgerkarte kann beispielsweise eine Hö­ he 1,0 bis 1,4 mm aufweisen. Die Leiterbahnen 3 sind vorzugs­ weise aus Kupfer und an den Außenkontaktierungselementen bei­ spielsweise vergoldet. Die Abdeckung des Chips 1 und der Bonddrähte 2 mit einer Kunststoffmasse oder einem Laminat dient dem üblichen Schutz vor mechanischem oder korrosivem Angriff.

Claims (9)

1. Datenträgerkarte bestehend aus:

• - einem flächigen Kartenkörper (5) aus Kunststoff mit min­ destens einer flächigen Vertiefung (6),
• - mindestens einem in einer Vertiefung (6) montierten Chip (1),
• - mehreren Leiterbahnen (3) zur elektrischen Verbindung ei­ nes Chips (1) mit Außenkontaktelementen, wobei der Kartenkörper (5) und die Leiterbahnen (3) eine formgegossene verschaltete Vorrichtung mit dreidimensio­ nal ausgebildeten Leiterbahnen (3) darstellen, die Chips (1) auf die Leiterbahnen (3) in Nacktchipmontage direkt aufgebracht und vollständig in der Vertiefung (6) enthal­ ten sind, und zumindest die Chips (1) durch eine Ab­ deckung geschützt sind.

2. Datenträgerkarte nach Anspruch 1, worin die Leiterbahnen (3) ein Bussystem zur gleichzeitigen Verbindung mehrerer Chips (1) darstellen.

3. Datenträgerkarte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen (3) unter einem Chip (1) verlaufen.

4. Datenträgerkarte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Außenkontakte an ein oder zwei gegenüberliegenden Schmalseiten des Kartenkörpers (5) nebeneinander beabstandet positioniert sind.

5. Datenträgerkarte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Abdeckung zum Schutz vor chemischen und physikali­ schen Belastungen mittels eines zumindest die Vertiefung (6) überdeckenden Deckels geschieht.

6. Datenträgerkarte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die dreidimensional ausgebildeten Leiterbahnen (3) mit­ tels eines Heißprägeverfahrens auf einem thermoplastischen Kartenkörper (5) aufgebracht sind.

7. Datenträgerkarte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Kartenkörper (5) im Bereich der Vertiefung (6) ein Versteifungselement aufweist.

8. Datenträgerkarte nach Anspruch 7, worin das Versteifungs­ element ringförmig ausgebildet und vollständig vom Kunststoff des Kartenkörpers (5) umgeben ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Datenträgerkarte nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 8, worin ein aus einem thermoplasti­ schem Kunststoff bestehender spritzgegossener Kartenkörper (5) mit dreidimensional darauf ausgebildeten Leiterbahnen (3) hergestellt wird, mindestens ein Chip (1) in einer im Karten­ körper (s)vorgesehenen Vertiefung mechanisch befestigt und elektrisch mit den Leiterbahnen (3) verbunden wird und zumin­ dest der Chip (1) mit einer Schutzschicht abgedeckt wird.