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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft mit einem
Chip bzw. integriertem Schaltkreis (IC) ausgestattete 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.
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II. Technischer Hintergrund
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Bei derartigen Karten wird zunächst der Kunststoffkörper hergestellt,
in der Regel aus einem Kunststoffmaterial, und anschließend der
IC sowie die mir dem IC verbundenen, an der Außenseite der Karte notwendigen,
Kontaktflächen
am bzw. im Kartenkörper
fixiert.
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Einerseits sind unterschiedliche
Kartenkörper
bekannt:
Die kostengünstigen,
in der Regel für
nur einmalige Verwendung vorgesehenen Karten weisen einen Monoblock-Kartenkörper, meist
aus ABS, auf.
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Hochwertige Kartenkörper weisen
einen mehrschichtigcn Aufbau auf, beispielsweise mit einer opaken,
undurchsichtigen Mittelschicht sowie beidseitigen, z. B. durchsichtigen,
Deckschichten.
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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.
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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 Kontakflächen andererseits
an einem Trägermaterial,
dem sogenannten Substrat, befestigt, welches ebenfalls wieder aus nicht
leitfähigem
Material, in der Regel Kunststoff, besteht und in Form einer dünnen Platte
oder Folie vorliegt.
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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.
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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.
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Bekannt ist es, das Substrat mittels
Heißkleber
oder Kaltkleber mit dem Kartenkörper
zu verkleben.
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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
umgehende flachere Teil der Vertiefung der Aufnahme des Substrates
dient.
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Damit wird erzielt, daß nach dem
Verkleben entweder das Substrat selbst mir seiner Frontseite bündig mit
der Vorderseite des Kartenkörpers
ist, oder die auf dem Substrat angeordneten und über dieses leicht vorstehenden
elektrisch leitenden Kontaktflächen.
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Unregelmäßigkeiten der Kartenoberfläche können vor
allem dadurch auftreten, daß aus
Gründen
der automatisierten Herstellbarkeit die das Substrat aufnehmende
Vertie fung mit größerer Grundfläche gewählt werden
muß als
das Substrat selbst, und an den umlaufend verbleibenden Fugen somit
entweder überschüssiger 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.
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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.
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Die
US
4,737,630 offenbart ein Verfahren zur Befestigung eines
Chipmoduls an einem Kartenkörper,
wobei der Kartenkörper über eine
Ausnehmung verfügt.
In der Ausnehmung zur Aufnahme des Chipmoduls sind Höcker (
130)
vorgesehen. Die Höcker werden
entsprechend Punkt c) des Patentanspruchs 1 auf ihre Erweichungstemperatur
erwärmt
und durch Aufpressen des Chipmoduls in ihrer Form soweit verändert, bis
die Oberfläche
des Chipmoduls mit der Oberfläche
des Kartenträgers
bündig
abschließt.
Anschließend
wird ein isolierender Klebstoff in die Zwischenräume zwischen Höckern und
dem Chipmodul zur Befestigung desselben am Kartenkörper eingebracht.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum formschlüssigen Befestigen von ICs und
elektrischen Kontaktflächen
an bzw. in einem Kartenkörper
zu schaffen.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Anspruches gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Durch das Aufbringen einer dreidimensionalen
Struktur, beispielsweise sich abwechselnden Erhebungen und Tälern, auf
wenigstens einer, vorzugsweise beiden Kontaktflächen der miteinander zu verbindenden
Bauteile, insbesondere auf der Kontaktfläche des Kartenkörpers, kann
ein Verkleben oder Verschweißen
mittels Ultraschallschwingungen der Bauteile zueinander deutlich
erleichtert werden. Insbesondere kann es damit erreicht werden,
daß das Nacharbeit
erfordernde Austreten von fließfähigem Material über die
Vorderseite des Kartenkörpers
hinaus vermieden wird. Das fließfähige Material,
das Kunststoffmaterial der miteinander zu verbindenden Bauteile
selbst, welches durch Ultraschall aktivierbar ist, fließt dabei
in die Täler
zwischen den Erhebungen hinein, die vorzugsweise dabei jedoch nicht
vollständig
ausgefüllt
werden, sondern sozusagen einen Volumenpuffer für das bei der Verbindung fließfähig werdende
Material darstellen.
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Wird das Material eines der Bauteile
selbst fließfähig, so
werden die Spitzen der Erhebungen abgebaut und deren Material in
die Täler
hinein verlagert.
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Dadurch ist es möglich, die Höhenlage
des einzubringenden Bauteiles, also des Substrates mit dem IC und
den elektrischen Kontaktflächen,
oder diese elektrischen Bauteile alleine während des Einbringprozesses
exakt zu steuern und damit eine durchgehend fluchtende plane Ober fläche der
fertigen Karte zu erzielen, was insbesondere zur Vermeidung des
Aufbringens weiterer Deckschichten sehr notwendig ist. Gerade beim
Aufbringen mittels Ultraschall kann die dabei verwendete Sonotrode
gleichzeitig als mechanischer Glättungsstempel
dienen.
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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.
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Im Gegensatz zur direkten Einbringung
von Wärmeenergie
mittels z. B. eines Heizstempels, wie es heute bei dem Verkleben
mittels Heißklebern
bzw. Schmelzklebern 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.
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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.
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Ein weiterer Vorteil der Ultraschallschweißung besteht
darin, daß die
Verklebung ohne zusätzlichen
Kleber, sofern das Material mindestens eines der an der Verklebung
beteiligten Bauteile Ultraschall-schweißfähig ist, also bei Energiezufuhr
klebfähig
wird. Vorzugsweise sollten beide Materialien diese Eigenschaft aufweisen
und insbesondere die Materialien beider Bauteile identisch sein,
da dies eine optimale Ultraschallverschweißung ergibt.
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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 Verbindungsstege 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.
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Ein weiterer Vorteil der Ultraschallverbindung
besteht dann, 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.
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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.
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Dabei kann insbesondere eine oder
mehrere zusätzliche
Vertiefungen als Volumenpuffer für
bei der Verdrängung
anfallendes überschüssiges Kartenkörper-Material
benutzt werden, z. B, ein Ringkanal knapp innerhalb des äußeren Randes
des Substrates.
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Das seitliche Austreten von 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 verhindern, und gleichzeitig
in diesen angrenzenden Bereichen eine Komprimierung des Materials
stattfindet, mit deren Hilfe das verdrängte Volumen kompensiert wird.
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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
in diesem Bereich verhindert. Dabei kann die Handhabung auch durch
spezifische Gestaltung der Sonotrode in Abstimmung auf die der Sonotrode
zugewandte Oberseite des Substrates erleichtert 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.
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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.
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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.
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Bei der Beaufschlagung mittels Ultraschall ist
dabei auch nach der Richtung der Ultraschallschwingung, also der
Amplitudenrichtung der Schwingung, zu unterscheiden. Diese Schwingungsrichtung
kann quer zur Kartenhauptebene, insbesondere lotrecht hierzu, gewählt werden,
oder in der Kartenhauptebene, insbesondere in den beiden Raumrichtungen
abwechselnd.
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Der Vorteil einer lotrechten Schwingungsrichtung
legt 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.
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Der Vorteil von Schwingungen in der
Kartenebene liegt darin, daß hierdurch
der Fließprozeß des teigigen
Materials der beteiligten Bauteile in Kartenhauptebene gefördert wird.
Dadurch kann insbesondere das Transportieren von Material in definiert vorhandene
Pufferzonen hinein gefördert
werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
besteht deshalb darin, zunächst
eine Beaufschlagung mit einer Schwingungsrichtung lotrecht zur Kartenebene vorzunehmen
und anschließend
Ultraschallschwingung mit Schwingungsrichtung in der Kartenebene, insbesondere
nacheinander in beiden Richtungen der Kartenebene oder kreisend
in der Kartenebene durchzuführen.
Durch den ersten Schritt wird die Wärmeerzeugung 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 vollzogen werden
kann, wird ausschließlich
die Materialförderung
in die gewünschten
Zonen hinein gefördert.
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Diese Zonen können das bereits erwähnte Differenzvolumen
in der Aussparung für
den IC sein, oder auch separat hergestellte Pufferzonen, 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.
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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.
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Zum anderen können derartige für sich allein sehr
instabile Bauteile wie Gitterfolien 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 Sonotrode 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.
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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.
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Bei der Verbindung von zwei thermoplastischen
Kunststoffmaterialien kann ferner durch Wahl der Materialien hinsichtlich
ihrer Erweichungstemperatur 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.
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c) Ausführungsbeispiele
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Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist
im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Die 1 bis 3 zeigen den Stand der Technik. Es zeigen:
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1 die
Vorgehensweise bei einer Monoblockkarte,
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2 die
Vorgehensweise bei einer Mehrschichtkarte,
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3 eine
Aufsicht auf das Trägerelement 4 beim
Einsetzen in den Kartenkörper 2,
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4 eine
Aufsicht auf den Kartenkörper 2 von
dessen Vorderseite 14 her,
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5 eine
vergrößerte Schnittdarstellung
in gleicher Blickrichtung wie die 1 und 2,
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6 eine
Darstellung ähnlich 5,
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In den 1-2 ist die Karte 1,
bzw. vor Zusammenbau deren Einzelteile jeweils im Querschnitt, also
geschnitten quer zur Hauptebene, der Kartenebene 10, dargestellt.
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In 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
integrierter 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 Ver bindungen
zwischen diesen Kontaktflächen 6 und
dem IC sind der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt, sind jedoch ebenfalls Bestandteil des
Trägerelementes 4.
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Das Trägerelement 4 weist
somit bei dieser Bauform eine etwa plattenförmige Gestalt mit nach unten
vorstehendem IC bzw. Umhüllung 19 auf.
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Zur Aufnahme im Kartenkörper 2 ist
daher in dessen dem Trägerelement 4 zugewandten
Vorderseite 14 eine Vertiefung in Form einer Aussparung 3 eingearbeitet,
die vom Umfang her etwas größer ist als
das Substrat 5 des Trägerelements 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 Kartenaufbau,
wie er in 1a, 1b vorzugsweise dargestellt
ist, keine Durchgangsöffnung
bis zur Hinterseite 15 des Kartenkörpers 2.
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Die Tiefe der ersten Aussparung 3 ist
größer als
die Dicke des Substrates 5, vorzugsweise 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.
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Wie in 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 Ultraschallschwingungen beaufschlagt,
mit welcher die Sonotrode 11 bzw. 11' schwingt, während der
Amboß 9 vorzugsweise
stillsteht.
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Bei dem Kleber 8 handelt
es sich dabei um einen Heißkleber
bzw. Schmelzkleber, der durch die bei der Einwirkung der Ultraschallschwingung
an der Kontaktfläche
zwischen Kartenkörper 2 und
Substrat 5, also im Bereich des Klebers 8, in
Wärmeenergie umgesetzt
wird, wodurch der Kleber teigig bzw. flüssig wird und das Trägerelement 4 mit
dem Kartenkörper 2 verklebt.
Die Schicht des Klebers 8 wird dadurch in ihrer Höhe zusammengedrückt und
das 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.
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Der Kleber 8 wird daher
zur Seite hin verdrängt,
und dringt einerseits in den Freiraum 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 zum
Boden stehenden Flanken ausgeführt,
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.
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Wie 1b zeigt,
ist die Sonotrode 11 bzw. 11' auf die Frontseite 13 bzw.
Vorderseite 17 des Substrates 5 bzw. des Kartenkörpers 2 aufgesetzt, während die
Hinterseite 15 des Kartenkörpers 2 vom Amboß 9 abgestützt wird.
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In der rechten Bildhälfte der 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.
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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.
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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 der
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 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 je größer als
die Dicke der Kontaktfläche 6,
so daß eine
Druckeinleitung in die Kontaktfläche 6 vertikal
zur Kartenebene 10 nicht stattfindet.
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Der in 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 anschließend
eine untere Schicht 2b auf die Hinterseite 15,
also auch eine obere Schicht 2a, auf die Vorderseite 14 der
Mittelschicht 2c aufgebracht wird.
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Dies stellt zwar zusätzlichen
Arbeitsaufwand dar, bietet jedoch auch Vorteile, beispielsweise,
daß die
zentrale Aussparung 3, 2' für den IC als die Mittelschicht 2c durchdringende
Aussparung ausgebildet, also z. B. ausgestanzt werden kann. Ein
weiterer Vorteil besteht dann, daß die in den Randbereichen zwischen
Außenumfang
des Substrates 5 und äußerem Rand
der Aussparung 3 bestehende Aufwölbung 21 nach außen oder
die nutförmige
Vertiefung 21' durch
die darüber
angebrachte obere Deckschicht 2a egalisiert werden.
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Weiterhin ist anhand der 2c dargestellt, daß sich der
integrierte Schaltkreis IC nicht – wie in den 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.
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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
weggelassen werden, wie in der linken Bildhälfte der 2c dargestellt.
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Anhand der Darstellung der verwendeten Sonotroden 11'' bzw. 11''' in 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 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.
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3 zeigt
in der Aufsicht die Vorderseite 14 des Trägerelements 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.
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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 1b 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.
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Die Sonotrode 11 drückt somit
nur mit ihren verbleibenden randseitigen Erhebungen 16 sowie der
zur Mitte hin verbleibenden Erhebung auf das Trägerelement 4.
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Im Gegensatz dazu erstreckt sich
die in der rechten Bildhälfte
der 3 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.
-
4 zeigt
in der Aufsicht auf die Vertiefung 3 für das Substrat des Trägerelementes 4 unterschiedliche
Arten der Anordnung von Erhebungen 18.
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Während
im linken oberen Bereich der 4 rasterartig
punktförmige
Erhebungen 18, beispielsweise in Form von Pyramiden oder
Pyramidenstümpfen
angeordnet sind, sind in dem mittleren der drei Bereiche linienförmige Erhebungen 18', mit dazwischen
befindlichen Rinnen parallel zueinander angeordnet, in diesem Fall
parallel zu einer der Außenkanten
der rechteckigen Vertiefung 3. Im rechten Teil der 4 ist zu erkennen, daß von der
zentral in der Vertiefung 3 angeordneten Aussparung 3', die für den eigentlichen
IC vertieft vorgesehen ist, die ebenfalls linienförmigen Erhebungen 18'' radial nach außen laufen.
-
Um zu vermeiden, daß am äußeren Rand der
Aussparung 3 fließfähiges Material
nach oben aus der Vertiefung 3 austritt, kann im Randbereich umlaufend
entweder eine linienförmige
Erhebung 18' als
Stopper vorgesehen sein oder eine linienförmige Vertiefung 18,
deren Volumen als Puffervolumen für überschüssiges fließfähiges Material am Außenrand dient.
Das übrige
fließfähige Material
wird die Täler zwischen
den linienförmigen
Vertiefungen 18'' ausfüllen und
bei Überschuß in den
Freiraum der zentralen Aussparung 3' verdrängt werden, welche vom Volumen
her deutlich größer ist
als der dann aufzunehmende IC. Um dies zu fördern, wird bei Schwingungsbeaufschlagung
mittels Ultraschallschweißen bevorzugt,
insbesondere als letzter Beaufschlagungsschritt, eine Schwingungsrichtung,
also Amplitudenrichtung, in der Ebene des Kartenkörpers gewählt.
-
Die 5 und 6 zeigen in Blickrichtung
der 1 und 2 vergrößerte Detaildarstellungen,
in denen Erhebungen 18 bzw. 18' dargestellt sind, die Querschnitt
und Größe der Erhebungen 18, 18' erkennen lassen:
In
den 5 und 6 ist das zu applizierende
Bauteil, beispielsweise das Substrat 5, aber unter Umständen auch
direkt das aufzubringende elektrische Bauteil, also die Kontaktfläche 6 oder
der IC, bereits teilweise von oben her auf die im Ausgangszustand spitz
zulaufenden, gegen das Substrat 5 weisenden Erhebungen 18, 18' aufgedrückt. Das
Material der Erhebungen, welches ursprünglich in dessen Spitzenbereich
vorhanden war, hat sich bereits als Material 118 in die
Täfer 25 herabdrücken lassen,
füllt diese
jedoch noch nicht vollständig
aus. Eine Verbindung zwischen den einzelnen Erhebungen 18 ist
jedoch in den meisten Fällen
bereits erfolgt. Die Frontseite 13 des Substrates 5 befindet
sich dabei allerdings noch nicht auf einer Höhe mit der Vorderseite 14 bzw. 14' des Kartenkörpers 2,
so daß weiteres Herabdrücken notwendig
ist. Dadurch werden die Täler 25 zunehmend – und je
nach Dimensionierung der Höhe
der Vertiefung 3 fast vollständig – mit verdrängtem fließfähigem Material 118 aus
den Erhebungen 18 gefüllt.
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In 5 ist
die Grundfläche
des Substrates 5 deutlich kleiner als die der Aussparung 3,
weshalb neben dem Substrat 5 eine Erhebung 18 bzw. 18' unbeeinflußt bleibt
und weiterhin vollständig
aufragt und damit auch eine Sperre gegen seitliches Austreten von
fließfähigem Material 118 bildet.
-
Demgegenüber ist in 6 die Aussparung 3 nur so geringfügig größer als
das aufzubringende Substrat 5, daß sämtliche Erhebungen 18 vom
Substrat 5 niedergedrückt
werden. Um ein Austreten von fließfähigem Material 118 insbesondere
im Randbereich über
die Vorderseite 14 hinaus zu vermeiden, ist einerseits
das Spaltmaß zwischen
der Flanke 24 der Aussparung 3 und der Außenkante 23 des
Substrates 5 so klein zu wählen, daß hier der Widerstand zum Hindurchdringen
von fließfähigem Material 118 sehr
hoch wird. Zum anderen ist als Volumenausgleichsmöglichkeit
entlang des Randes im Boden der Vertiefung 3 eine umlaufende
Vertiefung 26 angeordnet, die überschüssiges fließfähiges Material 118 aufnehmen
kann.
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Die Vertiefungen 26 sind – bei linienförmigen Erhebungen 18 – insbesondere
quer zum Verlauf der linienförmigen
Erhebungen 18 angeordnet. Derartige als Puffer dienende
Vertiefungen können
bei großflächigen Kontaktflächen bzw.
Aussparungen 3 auch innerhalb dieser Fläche und nicht nur an dessen
Randbereich angeordnet werden.
-
Die dargestellten Erhebungsformen
können anstelle
an der Kontaktfläche
des Kartenkörpers 2 auch
an der entsprechenden entgegengerichteten Kontaktfläche z. B.
des Substrates 5 oder auch an beiden Flächen vorgesehen werden.
-
- 1
- Karte
- 2
- Kartenkörper
- 2a
- obere
Deckschicht
- 2b
- untere
Deckschicht
- 2c
- 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
- 25
- Täler
- 26
- Vertiefung
- 118
- Material
- IC
- integrierter
Schaltkreis