DE10006514A1

DE10006514A1 - Verfahren zum Einbau von Chips in Kartenkörper

Info

Publication number: DE10006514A1
Application number: DE2000106514
Authority: DE
Inventors: Ruediger Kreuter
Original assignee: Datacard Corp
Current assignee: Entrust Corp
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2001-08-30
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: AU3175401A; DE10006514C2; DE10006514C5; WO2001061642A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen von ICs und Kontaktflächen an bzw. in einen Kartenkörper sowie eine auf diese Art und Weise teilweise oder ganz fertiggestellte Karte, wobei der integrierte Schaltkreis in Kontakt mit dem Kartenkörper gebracht und durch Aufbringen von Druck sowie Ultraschall-Schwingungen die beiden Bauteile miteinander verbunden werden.

Description

I. Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft mit einem Chip bzw. integrierten Schaltkreis (IC) ausge stattete Ausweise, Pässe, andere Identifikationselemente, Karten wie etwa Telefonkarten, Bankkarten, Kreditkarten, Guthabenkarten und dergleichen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Karten dargestellt, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken.

II. Technischer Hintergrund

Bei derartigen Karten wird zunächst der Kunststoffkörper hergestellt, in der Regel aus einem Kunststoffmaterial, und anschließend der IC sowie die mit dem IC verbundenen, an der Außenseite der Karte notwendigen, Kontaktflächen am bzw. im Kartenkörper fixiert.

Einerseits sind unterschiedliche Kartenkörper bekannt:

Die kostengünstigen, in der Regel für nur einmalige Verwendung vorgesehenen Karten weisen einen Monoblock-Kartenkörper, meist aus ABS, auf.

Hochwertige Kartenkörper weisen einen mehrschichtigen Aufbau auf, beispiels weise mit einer opaken, undurchsichtigen Mittelschicht sowie beidseitigen, z. B. durchsichtigen, Deckschichten.

Andererseits sind die Verfahren zum Einbetten der ICs und Kontaktflächen unterschiedlich, einerseits abhängig von dem Aufbau des Kartenkörpers, andererseits abhängig vom Aufbau der IC-Einheit.

Bisher wird der IC bzw. die Kontaktflächen nicht alleine gehandhabt, da die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des ICs, der Kontaktflächen oder der dazwischen bestehenden elektrisch leitfähigen Verbindungen zu groß wäre. Daher sind sowohl der IC einerseits als auch die Kontaktflächen andererseits an einem Trägermaterial, dem sogenannten Substrat, auch Modul genannt, befestigt, welches ebenfalls wieder aus nicht leitfähigem Material, in der Regel Kunststoff, besteht und in Form einer dünnen Platte oder Folie vorliegt.

Dabei befinden sich die Kontaktflächen auf der einen Außenseite des Substrates, während der IC sich entweder auf der davon abgewandten Außenseite oder in einer Durchgangsöffnung des Substrates befindet, und über elektrisch leitende Stege mit den Kontaktflächen verbunden ist.

Bei der Handhabung dieses mit IC und Kontaktflächen ausgestatteten Substrates wird darauf geachtet, auf den IC selbst keine zu hohen Belastungen hinsichtlich Druck, Temperatur etc. auftreffen zu lassen.

Bekannt ist es, das Substrat mittels Heißkleber oder Kaltkleber mit dem Kartenkörper zu verkleben.

Um dabei eine ebene Oberfläche der fertigen Karte zu erzielen, wird hierfür - nach dem Aufbringen der Deckschichten - vor dem Verkleben im Kartenkörper eine entsprechende, meist abgestufte, Vertiefung hergestellt, in der Regel durch Ausfräsen. Der mittlere, tiefere Teil dieser Vertiefung dient der Aufnahme des vom Substrat nach unten in Richtung des Kartenkörpers vorstehenden ICs, während der umgebende flachere Teil der Vertiefung der Aufnahme des Substrates dient.

Damit wird erzielt, daß nach dem Verkleben entweder das Substrat selbst mit seiner Frontseite bündig mit der Vorderseite des Kartenkörpers ist, oder die auf dem Substrat angeordneten und über dieses leicht vorstehenden elektrisch leitenden Kontaktflächen.

Unregelmäßigkeiten der Kartenoberfläche können vor allem dadurch auftreten, daß aus Gründen der automatisierten Herstellbarkeit die das Substrat aufneh mende Vertiefung mit größerer Grundfläche gewählt werden muß als das Substrat selbst, und an den umlaufend verbleibenden Fugen somit entweder über schüssiger Kleber austreten kann und damit Aufwölbungen nach außen ergeben, oder durch überschüssigen Kleber eben nicht vollständig ausgefüllt werden, und dadurch Vertiefungen verbleiben. Zur Erzielung einer glatten Oberfläche kann nur mit Kleberüberschuß gearbeitet werden, der dann jedoch immer über die Oberfläche vorquillt und in einem separaten Arbeitsschritt mechanisch entfernt werden muß.

Dabei soll jedoch unbedingt vermieden werden, daß der aus Entlastungsgründen im tieferen Teil der Kavität frei hineinragende IC, die sogenannte "Pille", dort durch Kleberüberschuß aus dem flacheren Teil der Kavität verklebt wird.

III. Darstellung der Erfindung a) Technische Aufgabe

Es ist daher die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Befestigen von ICs und Kontaktflächen an bzw. in einen Kartenkörper zu schaffen sowie eine auf diese Art und Weise teilweise oder ganz fertiggestellte Karte.

b) Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 22 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch das Verschweißen mittels Ultraschall, also Aufbringen von Druck und Ultraschall-Schwingungen, sind einerseits sehr kurze Taktzyklen möglich, da die Verschweißung unmittelbar nach Beenden der Ultraschallschwingung verfestigt.

Im Gegensatz zur direkten Einbringung von Wärmeenergie mittels z. B. eines Heizstempels, wie es heute bei dem Verkleben mittels Heißklebern bzw. Schmelz klebern angewandt wird, bietet das Ultraschallschweißen den Vorteil, daß die zum Verkleben notwendige Energie in Form von mechanischen Schwingungen in die zu erzeugende Verbindung eingebracht wird, die erst an der Kontaktstelle zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen umgesetzt und zum Aufbrechen der molekularen Bindungen des festen Materials, in diesem Falle des Substrates einerseits und des Kartengrundkörpers andererseits, sowie zur Änderung des Zustandes von fest zu teigig bzw. flüssig, in der Nähe der Kontaktstelle eingesetzt wird. Sofern beim Ultraschallschweißen über diese Materialerweichung hinaus Energie durch Aufbringen von Druck und/oder Schwingungen zugeführt wird, kommt es auch beim Ultraschallschweißen an der Kontaktstelle zu einer Materialerwärmung, was jedoch durch möglichst genaue Steuerung der zugeführten Energie, also Höhe und Zeitdauer des aufgebrachten Druckes sowie Frequenz und Zeitdauer der Schwingungen, so geregelt werden kann, daß keine oder eine nur möglichst geringe Erwärmung an der Schweißstelle auftritt.

Zum einen sind beim Ultraschallschweißen somit die Abkühlzeiten sehr gering bzw. entfallen vollständig, was die Taktzeiten bei der Massenproduktion derartiger Karten bzw. Ausweise reduziert, zum anderen beschränkt sich die Erwärmung, sofern eine solche stattfindet, auf den unmittelbaren Verklebungsbereich, also die miteinander in Kontakt gebrachten Klebeflächen, während davon weiter entfernte Bereiche, insbesondere die nach außen weisende Seite des Substrates und der IC selbst bereits keiner Erwärmung mehr unterworfen werden. Auch optisch nachteilige Veränderungen auf der Außenseite der Karte, wie sie beim Aufsetzen eines Heizstempels häufig die Folge sind, und die beispielsweise die Auswahl der verwendbaren Materialien einschränkt, werden vollständig vermieden.

Ein weiterer Vorteil der Ultraschallschweißung besteht darin, daß die Verklebung entweder mit Hilfe eines Ultraschall-fähigen Klebers durchgeführt werden kann, oder ohne zusätzlichen Kleber, sofern das Material mindestens eines der an der Verklebung beteiligten Bauteile Ultraschall-schweißfähig ist, also bei Energie zufuhr klebfähig wird. Vorzugsweise sollten beide Materialien diese Eigenschaft aufweisen und insbesondere die Materialien beider Bauteile identisch sein, da dies eine optimale Ultraschallverschweißung ergibt.

Auf diese Art und Weise kann - wie bisher bekannt - ein Substrat, in der Regel ebenfalls eine Kunststoffolie oder eine Kunststoffplatte, die ihrerseits den eigentlichen integrierten Schaltkreis sowie die Kontaktflächen und die Verbin dungsstege zwischen beiden aufweist, mit dem Kartenkörper verbunden werden, oder es können unter Wegfall des Substrates der integrierte Schaltkreis und/oder die Kontaktflächen direkt mit dem Kartenkörper verbunden werden. Um dabei ein Ankleben von erwärmtem Material an der Sonotrode, mittels welcher die Ultraschallschwingung und der Druck aufgebracht werden, zu vermeiden, ist ein wechselbarer Überzug der Sonotrode vorstellbar, beispielsweise ein über die Sonotrode abschnittsweise darüber gelegtes endloses Band aus einem Material mit niedriger Haftfähigkeit, wie beispielsweise Teflon.

Ein weiterer Vorteil der Ultraschallverbindung besteht darin, daß durch die Ultraschallbeaufschlagung - auch bei Verwendung eines Klebers - auch das Material des Kartenkörpers im Beaufschlagungsbereich teigig und damit fließfähig wird. Damit ist es möglich, eine Materialverdrängung im Kartengrundkörper zu erreichen, und damit das Herstellen einer Vertiefung für den Chip bzw. das Substrat im Kartenkörper entweder vollständig zu vermeiden oder zumindest zu vereinfachen, indem diese Vertiefung nicht nachträglich durch Fräsen, sondern beispielsweise durch Umformung oder direkt beim Spritzgußvorgang, also auf einfache Art und Weise, hergestellt werden kann.

So könnte beispielsweise die Aussparung für den Chip selbst ausreichen, während das wesentlich dünnere Substrat durch Materialverdrängung in die Oberfläche des Kartenkörpers hinein gebracht wird bis zur Bündigkeit der jeweiligen Außenflächen von Substrat und Kartengrundkörper.

Dabei kann insbesondere eine oder mehrere zusätzliche Vertiefungen als Volumenpuffer für bei der Verdrängung anfallendes überschüssiges Kartenkörper- Material bzw. Klebermaterial bei Verwendung eines Klebers, benutzt werden, z. B. ein Ringkanal knapp innerhalb des äußeren Randes des Substrates.

Das seitliche Austreten von Kleber bzw. Überschußmaterial entlang des Umfangs des Substrates kann durch zusätzliche Maßnahmen vermieden werden:

Zum einen kann die Sonotrode von ihrer Fläche her deutlich größer gewählt werden als das Substrat, so daß die seitlich überstehenden Bereiche der Sonotrode ein Austreten des Materials bzw. Klebers verhindern, und gleichzeitig in diesen angrenzenden Bereichen eine Komprimierung des Materials stattfindet, mit deren Hilfe das verdrängte Volumen kompensiert wird.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch sehr paßgenaue und insbesondere konische Kanten entweder des Substrates oder auch der Flanken der Vertiefung im Kartenkörper beim Eindrücken des Substrates unter Ultraschallbeaufschlagung eine Keilwirkung zu erzielen, die eine gute Abdichtung am Rand bietet und damit ein Austreten von Überschußmaterial bzw. Kleber in diesem Bereich verhindert. Dabei kann die Handhabung auch durch spezifische Gestaltung der Sonotrode in Abstimmung auf die der Sonotrode zugewandte Oberseite des Substrates erleich tert werden. In der Regel stehen auf dieser Seite über das Substrat die dort aufgebrachten metallischen Kontaktflächen etwas nach oben vor. Diese vorstehenden Kontaktflächen können einerseits zum Positionieren der Sonotrode benutzt werden. In diesem Fall weist die Sonotrode in ihrer Frontfläche Vertiefungen auf, die den vorhandenen Kontaktflächen entsprechen.

Sind diese Vertiefungen tiefer als es der Dicke der Kontaktflächen entspricht, liegt die Sonotrode nur an den Substratfreiflächen außerhalb der Kontaktflächen am Substrat an und bringt nur dort Druck und Ultraschallschwingung auf. Sofern die Grundfläche dieser Vertiefungen exakt der Fläche der Kontaktflächen entspricht, werden die Kontaktflächen zum formschlüssigen Positionieren und Zentrieren der Sonotrode verwendet, allerdings mit der Folge, daß auf die Kanten der Kontaktflächen ebenfalls Ultraschallschwingungen übertragen werden. Soll dies vermieden werden, muß die Grundfläche der Vertiefungen größer sein als die der Kontaktflächen. Weiterhin kann eine Vertiefung in der Frontfläche der Sonotrode im Bereich des eigentlichen integrierten Schaltkreises vorgesehen sein, um in diesem Bereich weder Druck noch Ultraschallschwingungen in das Substrat einzuleiten.

Ebenso ist es jedoch denkbar, die Frontfläche der Sonotrode eben auszubilden, und - bei über das Substrat vorstehenden Kontaktflächen - damit die Sonotrode nur in Kontakt mit den metallenen Kontaktflächen zu bringen, was insbesondere in den darüber hinausstehenden Randbereichen eine Verformung des Substrates nach sich zieht, was jedoch angesichts des für das Substrat verwendeten Kunststoffmateriales in der Regel zu keinen Beschädigungen am Substrat führt.

Bei der Beaufschlagung mittels Ultraschall ist dabei auch nach der Richtung der Ultraschallschwingung, also der Amplitudenrichtung der Schwingung, zu unter scheiden. Diese Schwingungsrichtung kann quer zur Kartenhauptebene, insbe sondere lotrecht hierzu, gewählt werden, oder in der Kartenhauptebene, insbesondere in den beiden Raumrichtungen abwechselnd.

Der Vorteil einer lotrechten Schwingungsrichtung liegt darin, daß hierbei sehr geringe bzw. überhaupt keine Relativbewegungen der miteinander zu verbindenden Teile in der Kartenebene stattfinden, also beispielsweise die für das Substrat oder den integrierten Schaltkreis vorgesehenen Vertiefungen im Kartenkörper hinsichtlich ihrer Grundfläche nicht größer, sondern exakt der Größe dieser Bauteile gewählt werden können.

Der Vorteil von Schwingungen in der Kartenebene liegt darin, daß hierdurch der Fließprozeß des teigigen Materials, sei es Material der beteiligten Bauteile und/oder Klebermaterial, in Kartenhauptebene gefördert wird. Dadurch kann insbesondere das Transportieren von Material in definiert vorhandene Puffer zonen hinein gefördert werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht deshalb darin, zunächst eine Beauf schlagung mit einer Schwingungsrichtung lotrecht zur Kartenebene vorzunehmen und anschließend Ultraschallschwingung mit Schwingungsrichtung in der Karten ebene, insbesondere nacheinander in beiden Richtungen der Kartenebene oder kreisend in der Kartenebene durchzuführen. Durch den ersten Schritt wird die Energieeinbringung soweit vorangetrieben, daß das Material teigig wird, und durch den zweiten Schritt, der insbesondere gegenüber dem ersten Schritt bei reduziertem Druck oder ganz ohne Druck vonstatten gehen kann, wird aus schließlich die Materialförderung in die gewünschten Zonen hinein gefördert.

Diese Zonen können das bereits erwähnte Differenzvolumen in separat herge stellten Pufferzonen sein, beispielsweise regelmäßig im Boden der Vertiefung des Kartengrundkörpers nochmals eingebrachte kleinere punktförmige Vertiefungen, oder eine entlang des Randbereiches der Vertiefung des Kartengrundkörpers in dessen Boden eingearbeitete, insbesondere geschlossen umlaufende Rinne, die Überschußmaterial aufnimmt, bevor dieses entlang der Außenränder des Substrates über die Kartenoberfläche hochsteigen kann.

Im Idealfall soll natürlich gar kein Material fließen, sondern ausschließlich die Oberfläche des kontaktierenden Materials nur bis zur Klebfähigkeit erweichen.

Auch und gerade beim Befestigen von IC und Kontaktflächen ohne Substrat, also direkt auf bzw. im Kartengrundkörper, bietet die Verschweißung mittels Ultraschall Vorteile:

Zum einen ist es möglich, die Kontaktflächen nicht wie bisher als durchgängige Fläche auszubilden, sondern als fein gewickelte Spirale, jedenfalls aus einer Vielzahl von in einer Ebene liegenden Drahtwicklungen etc. auszuführen. Den gleichen Zweck erfüllt eine gitterartige Kontaktfläche. Die Kontaktierung ist mit einer solchen durchbrochenen Kontaktfläche in gleicher Weise möglich, jedoch ist das Verdrängungsvolumen einer solchen durchbrochenen Kontaktfläche sehr viel kleiner und damit auch das Verdrängungsvolumen beim Einpressen mittels Druck und Ultraschall in eine ebene Kartenoberfläche, also ohne hierfür vorgesehene eingearbeitete Vertiefung.

Zum anderen können derartige für sich allein sehr instabile Bauteile wie Gitter folien aus Metall oder Drahtwicklungen, wie sie als durchbrochene Kontaktflächen verwendet werden könnten, oder auch die sehr dünnen Verbindungsstege zwischen den Kontaktflächen und dem integrierten Schaltkreis, mit einer Sono trode vergleichsweise leicht gehandhabt werden, indem hierfür in der Frontfläche der Sonotrode speziell gestaltete Vertiefungen angepaßter Größe und Tiefe vorgesehen werden können. Dabei kann insbesondere die Tiefe so gewählt werden, daß sie nur einem Bruchteil der Dicke dieser Elemente entspricht, so daß diese Elemente noch über die übrige Frontfläche der Sonotrode hervorstehen und dadurch bei Aufbringen von Druck und Ultraschall in die ebene Außenfläche des rohen Kartengrundkörpers eingepreßt werden können.

Auch ein - vor dem Einbringen des Substrats bzw. der elektrisch leitfähigen Bauteile - stattfindender separater Vorbearbeitungsschritt ist denkbar, der in der ebenen Außenfläche des rohen Kartengrundkörpers durch Aufbringen von Druck und Ultraschall mittels einer Sonotrode in einem definierten Bereich das Material des Kartengrundkörpers zunächst erweicht, um erst danach - wiederum mittels Aufbringen von Druck und/oder Ultraschall - die gewünschten Bauteile auf oder in den Kartengrundkörper zu implementieren. Dies reduziert die in die elektrischen Bauteile eingebrachten Schwingungen und Drücke erheblich.

Bei der Verbindung von zwei thermoplastischen Kunststoffmaterialien kann ferner durch gezielte Wahl der Materialien hinsichtlich ihrer Erweichungsenergie ein Vorteil erzielt werden. Wenn beispielsweise das Material des Kartengrundkörpers früher erweicht als das Material des Substrates, welches die elektrischen Bauteile trägt, so ist bei noch relativ stabilem Substrat bereits eine gute Fließfähigkeit des Grundkörpermaterials und dessen Fließen in die gewünschten Pufferzonen hinein erzielbar.

c) Ausführungsbeispiele

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: die Vorgehensweise bei einer Monoblockkarte,

Fig. 2: die Vorgehensweise bei einer Mehrschichtkarte,

Fig. 3: eine ähnliche Darstellung gegenüber Fig. 1, und

Fig. 4: eine Aussicht auf das Trägerelement 4 beim Einsetzen in den Kartenkörper 2.

In den Fig. 1-3 ist die Karte 1, bzw. vor Zusammenbau deren Einzelteile jeweils im Querschnitt, also geschnitten quer zur Hauptebene, der Kartenebene 10, dargestellt.

In Fig. 1a ist der Kartenkörper 2 einer plattenförmigen Karte aus Kunststoff, mit vorzugsweise zueinander paralleler Vorderseite 14 und Hinterseite 15 dargestellt, in welche ein Trägerelement 4 eingesetzt werden soll, welches aus einem Substrat 5, ebenfalls ein plattenförmiges Kunststoffelement oder Folienstück, umfaßt, auf dessen dem Kartenkörper 2 zugewandten Rückseite 12 ein inte grierter Schaltkreis IC aufgesetzt und mittels einer linsenförmigen Umhüllung 19 geschützt ist, und auf dessen dem Kartenkörper 2 abgewandten Frontseite 13 Kontaktflächen 6 aus Metall aufgebracht sind, die dem späteren Kontaktieren des ICs dienen. Die ebenfalls vorhandenen elektrisch leitenden Verbindungen zwischen diesen Kontaktflächen 6 und dem IC sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, sind jedoch ebenfalls Bestandteil des Trägerelementes 4.

Das Trägerelement 4 weist somit bei dieser Bauform eine etwa plattenförmige Ge stalt mit nach unten vorstehendem IC bzw. Umhüllung 19 auf.

Zur Aufnahme im Kartenkörper 2 ist daher in dessen dem Trägerelement 4 zuge wandten Vorderseite 14 eine Vertiefung in Form einer Aussparung 3 einge arbeitet, die vom Umfang her etwas größer ist als das Substrat 5 des Träger elements 4, über dessen Außenrand die Kontaktflächen 6 nicht vorstehen. Im Boden dieser Aussparung 3 ist eine weitere Vertiefung in Form einer Aussparung 3' topfförmig eingearbeitet, an der Position des ICs bzw. dessen Umhüllung 19, und ebenfalls wieder vom Umfang her größer dimensioniert als die Umhüllung 19 und auch etwas tiefer. Die Aussparung 3' ist bei einem einschichtigen Karten aufbau, wie er in Fig. 1a, 1b vorzugsweise dargestellt ist, keine Durchgangs öffnung bis zur Hinterseite 15 des Kartenkörpers 2.

Die Tiefe der ersten Aussparung 3 ist größer als die Dicke des Substrates 5, vor zugsweise auch größer als die gemeinsame Dicke von Substrat 5 und darauf aufgesetzten metallischen Kontaktflächen 6. Auf dem Boden dieser Aussparung 3, insbesondere um die zweite Aussparung 3' herum, ist eine Schicht aus Kleber 8 aufgebracht. Dieser könnte statt dessen auch an der Rückseite 12 des Substrates 5 außerhalb der Umhüllung 19 für den IC angeordnet sein.

Wie in Fig. 1b dargestellt, wird dieses Trägerelement 4 in den Aussparungen 3 bzw. 3' positioniert und mittels einer von der einen Seite der Kartenebene 10 aufgesetzten Sonotrode 11 bzw. 11' und einem von der Gegenseite her abstützenden Amboß 9 einerseits mit Druck und andererseits mittels Ultraschall schwingungen beaufschlagt, mit welcher die Sonotrode 11 bzw. 11' schwingt, während der Amboß 9 vorzugsweise stillsteht.

Bei dem Kleber 8 handelt es sich dabei um einen Kleber, der durch die bei der Einwirkung der Ultraschallschwingung an der Kontaktfläche zwischen Kartenkörper 2 und Substrat 5, also im Bereich des Klebers 8, teigig bzw. klebfähig wird und das Trägerelement 4 mit dem Kartenkörper 2 verklebt. Die Schicht des Klebers 8 wird dadurch in ihrer Höhe zusammengedrückt und - so wenig wie möglich - Material des Klebers zur Seite hin verdrängt, wenn mittels der Sonotrode 11 bzw. 11' das Trägerelement 4 soweit in die Aussparung 3 des Kartenkörpers 2 hineingedrückt wird, daß dessen Frontseite 13 mit der Vorderseite 14 des Kartenkörpers 2 fluchtet.

Der Kleber 8 wird daher zur Seite hin verdrängt, und dringt einerseits in den Frei raum in der tieferen Aussparung 3' vor, die aus diesem Grunde größer gewählt ist, als es für den IC und dessen Umhüllung 19 notwendig ist. Insbesondere wird die Aussparung 3' als Aussparung mit senkrecht dem Boden stehenden Flanken aus geführt, während die Umhüllung 19 des ICs linsenförmig gewölbt ist. Andererseits dringt der Kleber 8 dadurch in die außen umlaufende Fuge zwischen den äußeren Flanken 24 der Aussparung 3 und die Außenkante 23 des Substrates 5 vor. Je nach Breite dieser Fuge dringt der Kleber 8 dabei über die Vorderseite 14 des Kartenkörpers 2 nach außen vor, und bildet dabei eine unerwünschte Aufwölbung 21, oder er bleibt hinter dieser Vorderseite 14 zurück, und bildet dabei eine nutförmige unerwünschte Vertiefung.

Wie Fig. 1b zeigt, bei welcher die Sonotrode 11 bzw. 11' auf die Frontseite 13 bzw. Vorderseite 17 des Substrates 5 bzw. des Kartenkörpers 2 aufgesetzt wird, während die Hinterseite 15 des Kartenkörpers 2 vom Amboß 9 abgestützt wird.

In der rechten Bildhälfte der Fig. 1b befindet sich dabei die Sonotrode 11' nur auf dem Substrat 5, so daß also die Fuge zwischen der Außenkante des Substrates 5 und dem äußeren Rand der Aussparung 3 frei bleibt und dort die Aufwölbung 21 austreten kann.

In der linken Bildhälfte erstreckt sich die Sonotrode 11 dagegen über diese Fuge hinweg und würde ein solches Austreten verhindern, statt dessen die Verdrängung des Klebers 8 in den Freiraum der Aussparung 3' hinein erzwingen.

Die Sonotrode 11 weist an ihrer Frontfläche 17 flächenförmige Vorsprünge 16 auf, die nur außerhalb der elektrischen Kontaktflächen 6 und auch außerhalb des Bereiches des ICs auf dem Substrat 5 anliegen. Die dazwischen befindlichen Vertiefungen 22 in der Frontfläche 17 des Sonotrode 11 bzw. 11' sind entweder - sowohl hinsichtlich ihrer Tiefe als auch ihres Umfanges - größer als die entsprechende Kontaktfläche 6, wie an der Vertiefung 22 in der linken Bildhälfte dargestellt, oder sie weisen zwar eine größere Tiefe, jedoch passende Außenkontur bezüglich der Kontaktfläche 6 auf, wie bei der Vertiefung 22' in der rechten Bildhälfte der Fig. 1b dargestellt.

Dann liegen die äußeren Ränder der Vertiefung 22' in der Regel an den Seitenkanten der über das Substrat 5 vorspringende Kontaktfläche 6 an, und werden - bei einer Schwingung der Sonotrode 11' in der Kartenebene 10 - mit diesem mitbewegt. Die Tiefe der Aussparung 22' ist jedoch größer als die Dicke der Kontaktfläche 6, so daß eine Druckeinleitung in die Kontaktfläche 6 vertikal zur Kartenebene 10 nicht stattfindet.

Der in Fig. 2 dargestellte Ablauf unterscheidet sich primär dadurch, daß der Kartenkörper 2c, in welchen das Trägerelement 4 eingearbeitet wird, nur die Mittelschicht eines mehrschichtigen Kartenaufbaus darstellt, und vorher eine untere Schicht 2b auf die Hinterseite 15, also auch eine obere Schicht 2a, auf die Vorderseite 14 der Mittelschicht 2c aufgebracht wurde.

Dies stellt zwar zusätzlichen Arbeitsaufwand dar, bietet jedoch auch Vorteile, bei spielsweise, daß die zentrale Aussparung 3" für den IC als die Mittelschicht 2c durchdringende Aussparung ausgebildet, also z. B. ausgestanzt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die in den Randbereichen zwischen Außen umfang des Substrates 5 und äußerem Rand der Aussparung 3 bestehende Aufwölbung 21 nach außen oder nutförmige Vertiefung 21' nach innen durch die darüber angebrachte ober Deckschicht 2a egalisiert werden kann.

Weiterhin ist anhand der Fig. 2c dargestellt, daß sich der integrierte Schaltkreis IC nicht - wie in den Fig. 1a-2b dargestellt - auf der Rückseite 12 des Substrates 5 befinden muß, sondern sich in einer hierfür vorgesehenen Aussparung innerhalb des Substrates 5 befindet, welches in der Regel zu diesem Zweck auch dicker ausgebildet ist.

Die zentrale Aussparung 3", in der ansonsten der nach unten vorstehende IC bzw. dessen Umhüllung 19 aufzunehmen ist, dient dann nur noch der Aufnahme von überschüssigem Material des Klebers 8, und kann ggf. auch vollständig weggelas sen werden, wie in der linken Bildhälfte der Fig. 2c dargestellt. Eine Verklebung des IC erfolgt nicht.

Anhand der Darstellung der verwendeten Sonotroden 11" bzw. 11''' in Fig. 2b sind weitere Möglichkeiten der Gestaltung der Vertiefungen 22' in deren Frontfläche 17 dargestellt: Während in der linken Hälfte, also an der Sonotrode 11", der Vorsprung 16 in der Frontfläche der Sonotrode 11" nur entlang des äußeren Randbereiches verläuft, und somit nur in diesem Bereich Druck und Ultraschallschwingungen auf das Substrat 5 ausgeübt werden, ist in der rechten Bildhälfte der Fig. 2b bei der Sonotrode 11''' dargestellt, daß dessen Vertiefungen 22''' eine Tiefe aufweist, die der Dicke der Kontaktfläche 6 entspricht, so daß sowohl die Freiflächen 7 außerhalb der Kontaktflächen 6 als auch die Kontaktflächen 6 selbst mit Druck/Ultraschallschwingung beaufschlagt werden.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung gegenüber den Darstellungen der Fig. 1, in dem einerseits eine Zentrierung des Substrates 5 in der Aussparung 3 bewirkt wird, und andererseits eine Sperrwirkung für den Kleber 8' bzw. 8", der beim Verbindungsvorgang in der Aussparung 3 vorhanden ist, erzielt wird.

Während in der linken Bildhälfte die Flanke 24 der Aussparung 3 schräg gestellt nach außen verläuft, während die sich dort annähernde Außenkante 23 des Substrates 5 lotrecht zur Hauptebene des Substrates 5 verläuft, ist in der rechten Bildhälfte umgekehrt die Außenkante 23 des Substrates 5 schräg gestellt nach außen verlaufend, während die Flanke 24 der Aussparung 3, in welcher der Kleber 8" angeordnet ist, rechtwinklig zur Bodenfläche der Aussparung 3 verläuft.

Zusätzlich ist in der linken Bildhälfte die Kleberschicht 8' dünner als die Höhe der Aussparung 3, während in der rechten Bildhälfte die Kleberschicht 8" sogar dicker als die Höhe der Aussparung ist. Die Dimensionierung und Erstreckung der Sonotrode 11" 11' entspricht denjenigen in Fig. 1b.

Fig. 4 zeigt in der Aufsicht auf die Vorderseite 14 das Trägerelement 4, mit dem Substrat 5, auf dessen Oberseite und damit sichtbar sich die Kontaktflächen 6 befinden, und unter dem und somit zwar eingezeichnet, aber unsichtbar sich der integrierte Schaltkreis IC befindet.

Die Außenkanten des Substrates 5 liegen damit vollständig innerhalb der Flanken 24 der Aussparung 3. Getrennt für rechte und linke Bildhälfte sind mit unterbrochenen Linien der Umfang und die Vertiefungen 22 der Sonotrode 11 bzw. 11' aus den Fig. 1b und 3b dargestellt. Dabei erstreckt sich in der linken Bildhälfte der Außenumfang der Sonotrode 11 über die Fuge zwischen dem Substrat 5 und dem Rand der Aussparung 3 in beiden Richtungen der Zeichenebene hinaus, und die Aussparung 22, in der die auf der linken Seite insgesamt drei Kontaktflächen 6 angeordnet sind, ist also eine einzige, alle Kontaktflächen dieser Seite übergreifende Aussparung gestaltet.

Die Sonotrode 11 drückt somit nur mit ihren verbleibenden randseitigen Erhebungen 16 sowie der zur Mitte hin verbleibenden Erhebung auf das Trägerelement 4.

Im Gegensatz dazu erstreckt sich die in der rechten Bildhälfte der Fig. 4 dargestellte Sonotrode 11' nicht über den äußeren Rand des Substrates 5 des Trägerelementes 4 hinaus, und die für die elektrischen Elemente in der Sonotrode vorgesehenen Vertiefungen 22 umfassen einzeln jeweils eine der Kontaktflächen 6, also auch die Fläche des integrierten Schaltkreises IC mittels einer einzelnen Aussparung 22.

Bei der rechten unteren Kontaktfläche 6 ist dargestellt, daß diese Aussparung 22' exakt der Größe der Kontaktfläche entspricht, während in allen anderen Fällen die Aussparungen größer sind und einen umlaufenden Rand zwischen der Außenkante der Kontaktfläche 6 bzw. des integrierten Schaltkreises und dem Rand der Aussparung 22 lassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Karte

2

Kartenkörper

2

a obere Deckschicht

2

b untere Deckschicht

2

c Mittelschicht

3

Aussparung

3

' Aussparung

4

Trägerelement

5

Substrat

6

Kontaktfläche

7

Substratfreifläche

8

Kleber

9

Amboß

10

Kartenebene

11

Sonotrode

12

Rückseite

13

Frontseite

14

Vorderseite

15

Hinterseite

16

Vorsprünge

17

Frontfläche

18

Erhebungen

18

',

18

" linienförmige Erhebungen

19

IC-Umhüllung

21

Aufwölbung

22

Vertiefungen

23

Außenkante

24

Flanke
IC integrierter Schaltkreis

Claims

1. Verfahren zum Einbau eines integrierten Schaltkreises (IC) an bzw. in einen Grundkörper, insbesondere einen Kartenkörper (2), dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (IC) in Kontakt mit dem Kartenkörper (2) gebracht und durch Aufbringen von Druck sowie Ultraschall-Schwingungen die beiden Bauteile miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (IC) zuvor auf einem Substrat (5) angeordnet wurde und das Substrat (5) mittels Ultraschall mit dem Kartenkörper (2) verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ultraschallverbindung ein mittels Druck und Ultraschall verbindbarer Kleber (8) zwischen Substrat (5) und Kartenkörper (2) eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Ultraschall-aktivierbaren Kleber (8) um einen Schmelzkleber handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Materialien, entweder des Substrates (5) oder des Karten körpers (2), insbesondere die mit dem Substrat (5) in Kontakt gelangende Schicht des Kartenkörpers (2) ein mittels Druck und Ultraschall aktivierbares Material, insbesondere ein mittels Druck und Ultraschall aktivierbarer Kunststoff, insbe sondere ein mittels Ultraschall und Druck aktivierbarer thermoplastischer Kunst stoff ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Substrates (5) und des Kartenkörpers (2), insbesondere das Material der mit dem Substrat (5) in Kontakt kommenden Schicht des Karten körpers (2), aus dem gleichen Material bestehen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (IC) auf der dem Kartenkörper (2) zugewandten Rückseite (12) des Substrates (5) angeordnet ist und in einer Aussparung (3) der dem Substrat (5) zugewandten Vorderseite (14) des Kartenkörpers (2) positioniert wird und das Einbringen von Druck- und Ultraschallschwingungen nur im Bereich außerhalb der Aussparung (3) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen von Druck und Ultraschallschwingungen mittels einer Sonotrode (11) erfolgt, die auf der Frontseite (13) des Substrates (5) aufgesetzt wird, wäh rend ein abstützender Amboß (9) den Kartenkörper (2) an dessen Hinterseite (15) im gleichen Bereich abstützt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) in einer zweiten Aussparung (3') der Vorderseite (14) des Kartenkörpers (2) angeordnet wird und bei Verwendung eines Klebers (8) die Tiefe dieser Aussparung (3') geringer ist als die Summe der Dicken der Schicht des Klebers (8) im Ausgangszustand und des Substrates (5), insbesondere des Substrates (5) einschließlich der darauf aufgebrachten Kontaktflächen (6).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (3') in beiden Richtungen der Kartenebene (10) größer als die Abmessungen des Substrates (5) ist, insbesondere um wenigstens eine Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung größer ist als das Substrat (5) und die Schwingungsrichtung der Sonotrode in Richtung der Kartenebene (10) erfolgt, insbesondere in wenigstens einer, insbesondere beiden, Kantenlängs richtungen des rechteckigen Substrates (5).

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) zunächst mit Druck in Richtung quer zur Kartenebene (10) und Ultraschallschwingung mit einer Schwingungsrichtung quer zur Kartenebene (10) beaufschlagt, und zum Abschluß der Ultraschallbefestigung mit Druck quer zur Kartenebene (10) und Ultraschallschwingungen mit Schwingungsrichtung in der Kartenebene (10), insbesondere beiden Raumrichtungen der Kartenebene (10), beaufschlagt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Aussparung (3) für den integrierten Schaltkreis (IC) größer als das Volumen des integrierten Schaltkreises einschließlich dessen eventueller Umhüllung ist und in das Differenzvolumen das überschüssige Volumen an Kleber (8) gedrückt wird, ohne den integrierten Schaltkreis (IC) zu erreichen und mit dem Grundkörper zu verkleben.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (11) ausschließlich an den Substratfreiflächen (7), also außerhalb der Kontaktflächen (6), angesetzt wird, insbesondere am äußeren umlaufenden Rand des Substrates.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (11) an ihrer Kontaktfläche gegen das Substrat (5) weisende Vor sprünge (16) aufweist, die um mehr als die Dicke der Kontaktflächen (6) gegen über dem Substrat über die übrige Frontfläche (17) der Sonotrode (11) vorstehen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (16) den Freiflächen zum Aufbringen von Druck und Ultraschall entsprechen und beim Anlegen der Sonotrode an das Substrat (5) in der Kartenebene (10) an den Seitenkanten der Kontaktflächen (6) angelegt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (16) kleiner sind, insbesondere um wenigstens eine Amplitude der aufgebrachten Ultraschallschwingung kleiner sind, als die Substratfreiflächen (7) zum Aufbringen von Druck und Ultraschall des Substrates (5).

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Karte auch außerhalb des Substrates mehrschichtig aufgebaut ist, und der Kartenkörper (2) nach Aufbringen des Substrates zumindest auf seiner Vorder seite (14) mit einer oberen Deckschicht (2a) abgedeckt wird, die die Kontakt flächen (6) auf der Frontseite (13) des Substrates (5) freiläßt.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingung eine Frequenz von 10-50 kHz, vorzugsweise von 20- 40 kHz, aufweist.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Klebers (8) die Schichtdicke des Klebers 10-50 µm, insbesondere 15-25 µm, beträgt.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck 20-50, insbesondere 30-40 Kilopond/cm² beträgt.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als ultraschallaktivierbares Material Polypropylen (PP) oder Polyethilen (PE) verwendet wird.

22. Bausatz, insbesondere Kartenbausatz, bestehend aus einem Grundkörper, insbesondere einem Kartengrundkörper (2) und einem integrierten Schaltkreis (IC) sowie einer Sonotrode (11) zum Verbinden von integrierten Schaltkreis (IC) und Kartengrundkörper (2) mittels Druck und Ultraschall-Schwingungen an der Kontaktfläche (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (11) an die Abmessungen der elektrischen Bauteile, integrierter Schaltkreis (IC) und Kontaktfläche (6), angepaßt ist.

23. Bausatz, insbesondere Kartenbausatz, bestehend aus einem Grundkörper, insbesondere einem Kartengrundkörper (2) und einem daran zu befestigenden Trägerelement (4), bestehend aus wenigstens einem Substrat (5) und darauf angeordneten integrierten Schaltkreis (IC) sowie einer Sonotrode (11) zum Verbinden von Trägerelement (4) und Kartengrundkörper (2) mittels Druck und Ultraschall-Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (11) an die Abmessungen des Trägerelements (4) angepaßt ist.

24. Bausatz, insbesondere Kartenbausatz nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (11) ausschließlich auf denjenigen Substratfreiflächen (7), die außerhalb des integrierten Schaltkreises (IC) - in der Aufsicht betrachtet - liegen, angesetzt wird.

25. Bausatz, insbesondere Kartenbausatz nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (11) eine größere Grundfläche als das Substrat (5) aufweist und die Vertiefung (3) für das Substrat (5) gleich oder größer dem Volumen an verdrängtem Kleber (8) ist, dessen Verdrängung notwendig ist, um die Frontseite (13) des Substrates (5), insbesondere die Oberfläche der auf der Frontseite angeordneten Kontaktflächen (6) auf eine Ebene mit der Vorderseite (14) des Kartenkörpers (2) zu bringen.

26. Bausatz, insbesondere Kartenbausatz nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (11) eine größere Grundfläche als das Substrat (5) und auch eine größere Grundfläche als die Fläche der Aussparung (3') für das Substrat (5) auf weist und der Überstand der Sonotrode (11) der Verhinderung des Austretens von Kleber (8) entlang des Außenrandes des Substrates (5) dient.

27. Bausatz, insbesondere Kartenbausatz nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (11) mit einem wechselbaren Überzug, insbesondere in Form eines endlosen Bandes, aus einem Material mit geringer Haftfähigkeit, insbesondere Tetra-Fluor-Ethylen (Teflon) ausgestattet ist.

28. Bausatz, insbesondere Kartenbausatz nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der Aussparung (3) und/oder der äußeren Schmalseiten des Sub strates (5) konisch sich erweitern zur Vorderseite (14) bzw. zur Frontseite (13) hin verlaufen.

29. Bausatz, insbesondere Kartenbausatz nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägstellung der Flanken bzw. umlaufenden Schmalseiten gegenüber der Lotrechten zur Kartenebene (10) 10-50, vorzugsweise 30-50° beträgt.