DE10062840A1 - Durchkontaktierung von flexiblen Leiterplatten - Google Patents

Abstract

Bei der Durchkontaktierung von flexiblen Leiterplatten werden zwei auf einander gegenüberliegenden Oberflächen befindliche elektrisch leitfähige Schichten miteinander elektrisch leitend verbunden, indem die Leiterplatte zunächst mittels einem einfachen Stechwerkzeug zur Erzeugung eines Durchgangslochs durchstochen wird und anschließend in das Durchgangsloch mittels einer Dosiernadel eine definierte Menge eines Leitklebers injiziert wird. Beim Durchstechen wird das Leiterplattenmaterial derart überdehnt, daß das Durchgangsloch auf einer Seite der Leiterplatte eine trichterartige Vertiefung und auf der gegenüberliegenden Seite eine erhabene Wulst bildet, wobei der die Durchgangsöffnung ausfüllende Leitkleber wulstartig zugeführt wird und einerseits die Oberfläche des Wulsts und andererseits die Oberfläche der trichterartigen Vertiefung benetzt.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Durchkontaktierung von flexiblen Lei­ terplatten im Zusammenhang mit Chipkarten und betrifft insbesondere ein Substrat für eine Karte mit integriertem Schaltkreis (IC-Karte bzw. Chipkar­ te), welches auf zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen elektrisch leitfähige Schichten besitzt, die durch das Substrat hindurch elektrisch lei­ tend miteinander verbunden sind, sowie eine entsprechende Karte und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Substrats.

Ein solches Substrat bzw. solche Leiterplatten werden üblicherweise in IC-Karten (Ausweiskarten, Kreditkarten, Geldkarten, etc.) als Karteninlett integriert und bilden häufig eine separate Schicht des Kartenkörpers. Auf der einen Seite der Leiterplatte kann sich beispielsweise ein durch die leitfä­ hige Schicht gebildeter, integrierter Schaltkreis mit weiteren elektronischen Bauelementen befinden, während die leitfähige Schicht auf der gegenüber­ liegenden Seite der Leiterplatte beispielsweise für den kontaktlosen Daten­ transfer vor und zum integrierten Schaltkreis als Antennenspule ausgebildet ist, die durch die Leiterplatte hindurch mit dem integrierten Schaltkreis elek­ trisch leitend verbunden ist. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von "Durchkontaktierung" der Leiterplatte.

Das Durchkontaktieren erfolgt in herkömmlicher Weise durch Ausstanzen oder Bohren eines Durchgangslochs, in welches eine Metallhülse zur elektri­ schen Verbindung der beiden einander gegenüberliegenden, leitfähigen Schichten eingesetzt wird. Solche Durchkontaktierungen sind aufwendig und dementsprechend teuer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Herstellung von durchkontaktierten flexiblen Leiterplatten zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Substrat für eine IC-Karte und eine entsprechende Karte sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon ab­ hängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung angegeben.

Demnach wird das Durchgangsloch weder aus der Leiterplatte ausgestanzt noch in die Leiterplatte gebohrt, sondern in einfacher Weise mittels einem spitzen Werkzeug, beispielsweise einer Art Stecknadel, erzeugt, indem die Leiterplatte mittels dem spitzen Werkzeug durchstochen wird. Anschließend wird das Durchgangsloch mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt, wobei es nicht erforderlich ist, daß das Durchgangsloch vollständig gefüllt wird, sondern daß jedenfalls eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden auf einander gegenüberliegenden Oberflächen der Leiterplatte liegenden, elektrisch leitfähigen Schichten hergestellt wird. Das elektrisch leitfähige Material muß also an beide Schichten angrenzen.

Als elektrisch leitfähiges Material kann jedes beliebige Material verwendet werden, wobei allerdings ein elektrisch leitfähiger Flüssigkleber bevorzugt wird, der in einfacher Weise auf die Durchgangsöffnung aufgebracht wird und in die Durchgangsöffnung hineinfließt, ggf. auch unter dem Einfluß von Kapillarkräften aufgrund des vergleichsweise kleinen Öffnungsquerschnitts der Durchgangsöffnung.

Besonders geeignet ist das Verfahren im Zusammenhang mit solchem Sub­ strat- bzw. Leiterplattenmaterial verwendbar, welches aufgrund des Durch­ stechens mit dem spitzen Werkzeug eine bleibende Verformung erfährt, so daß sich auf der einen Seite des Substrats eine trichterförmige Vertiefung und auf der gegenüberliegenden Seite ein entsprechender Wulst ergibt.

Um eine bleibende, plastische Verformung sicherzustellen, kann es je nach Substratmaterial sinnvoll sein, zumindest die Spitze und/oder das Sub­ stratmaterial jedenfalls zum Zeitpunkt des Durchstechens auf eine gegen­ über der Umgebungstemperatur wesentlich erhöhte Temperatur zu bringen.

Vorzugsweise wird das elektrisch leitende Material auf den Wulst aufge­ bracht, so daß es zumindest teilweise die elektrisch leitende Schicht auf der Oberfläche des Wulsts benetzt und außerdem soweit in das Durchgangsloch eindringt, daß es auch die elektrisch leitfähige Schicht auf der gegenüberlie­ genden Seite des Substrats zumindest teilweise benetzt, vorzugsweise be­ schränkt auf die trichterförmige Vertiefung.

Zum Aufbringen des elektrisch leitenden Materials, insbesondere leitfähigen Flüssigklebers, wird vorzugsweise eine Dosiernadel verwendet, die vor­ zugsweise hohl ist, so daß der Spitze der Dosiernadel eine definierte Menge des Materials durch die Dosiernadel hindurch zugeführt werden kann. Ge­ mäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird an der Spitze der Do­ siernadel zunächst eine definierte Menge des Materials, beispielsweise als an der Spitze hängender Materialtropfen, vorbereitet ("Vordosierung"), bevor die Dosiernadel an die Durchgangsöffnung bzw. Wulst herangeführt wird.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird die Dosiernadel erst an die Durchgangsöffnung bzw. der Wulst herangeführt ("Nachdosie­ rung") und dann das Material durch die Dosiernadel hindurch in die Durch­ gangsöffnung hineingespritzt. Vordosierung und Nachdosierung können auch miteinander kombiniert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die so hergestellten Substrate bzw. Leiterplatten sowie IC-Karten besitzen gegenüber herkömmlichen Durchkontaktierungen den Vorteil, daß sowohl das Erzeugen des Durchgangs­ lochs als auch die Kontaktherstellung mit einfachsten Mitteln sehr preiswert zu realisieren sind. Es bedarf keiner aufwendigen Vorrichtungen oder teuren Hilfsstoffe, und der Dosiervorgang zur Einbringung des elektrisch leitfähi­ gen Materials ist sehr einfach beherrschbar.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen bei­ spielhaft beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1a bis 1g das Durchkontaktieren einer flexiblen Leiterplatte gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit vordosiertem Leitkleber,

Fig. 2a bis 2f das Durchkontaktieren einer flexiblen Leiterplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit nachdosiertem Leitkleber,

Fig. 3 eine Detaildarstellung der Fig. 1g, und

Fig. 4 eine Detaildarstellung der Fig. 2f.

Fig. 1a bis 1g zeigen die einzelnen Schritte des Verfahrens zum Durchkon­ taktieren einer flexiblen Leiterplatte gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit vordosiertem Leitkleber.

Fig. 1a zeigt einen Ausschnitt aus einer Leiterplatte 1 bzw. aus einem Sub­ strat 1, an die von der Unterseite des Substrats 1 ein als Stecknadel ausgebil­ detes Stechwerkzeug herangeführt wird. Als Substratmaterial sind beson­ ders Kunststoffe geeignet, die zur Realisierung flexibler Leiterplatten oder zur Herstellung von Chipkarten verwendet werden, wie beispielsweise Po­ lyimid (PI), Polyethylentherephtalat (PET), Polyvinylchlorid (PVC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), oder Polycarbonat (PC). Alternativ eignet sich auch Papier, Kunststoff-Gewebe-Verbundmaterialien o. ä.

Fig. 1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1a, und es ist zu er­ kennen, wie die Spitze 11 des Stechwerkzeugs 10 auf die untere Oberfläche 3 des Substrats 1 gerichtet ist. Die untere Oberfläche 3 des Substrats 1 sowie die gegenüberliegende, obere Oberfläche 2 des Substrats 1 weisen jeweils eine leitfähige Beschichtung auf. Beispielsweise kann die Beschichtung 3 als gedruckte oder geätzte Spule ausgebildet sein und die Beschichtung 2 einen integrierten Schaltkreis oder einen Bestandteil desselben bilden.

Die Spitze 11 wird dann gegen die untere Oberfläche 3 gedrückt (Fig. 1c) und durch das Substrat 1 hindurchgestochen, bis zumindest die Spitze 11 aus der gegenüberliegenden Oberfläche 2 herausragt (Fig. 1d). Das Stechwerkzeug wird dann aus dem Substrat 1 entfernt und es verbleibt ein Durchgangsloch 4 in dem Substrat 1, welches an der Einstechoberfläche 3 eine trichterförmige Vertiefung 7 und an der Austrittsoberfläche 2 einen Wulst 6 besitzt. Die Erzeugung der Vertiefung 7 und der Wulst 6 setzt vor­ aus, daß sich das Material des Substrats 1 beim Durchstechen dauerhaft pla­ stisch verformt. Dies kann durch geeignete Materialauswahl erreicht werden und kann zusätzlich dadurch sichergestellt werden, daß entweder das Sub­ strat 1 oder zumindest die Spitze 11 des Stechwerkzeugs 10 oder beides zum Zeitpunkt des Durchstechens auf eine gegenüber der Umgebungstemperatur wesentlich erhöhte Temperatur erwärmt ist.

Im nächsten Schritt (Fig. 1e) wird mittels einer Dosiernadel 20 ein Tropfen Leitklebermaterial 5 dem Wulst 6 von oben zugeführt. Die Dosiernadel 20 ist hohl und der Leitkleber 5 wird durch die Dosiernadel 20 hindurch aus der Spitze 21 der Dosiernadel 20 herausgedrückt, wobei die Menge des herausgedrückten Leitklebermaterials 5 exakt auf die für die Durchkontaktierung benötigte Menge vordosiert ist. Als Leitkleber können handelsübliche Druckpasten eingesetzt werden, die mit einem bestimmten Prozentsatz, bei­ spielsweise 70%-80%, mit leitfähigem Material, beispielsweise Silber pig­ mentiert sind.

Die Spitze 21 der Dosiernadel 20 wird dann bis nahe an den Wulst 6 heran­ geführt (Fig. 1f, Pfeilrichtung), so daß der an der Spitze 21 hängende Leitkle­ bertropfen 5 mit dem Wulst 6 in Kontakt kommt. Das Leitklebermaterial be­ netzt den Wulst 6 zumindest teilweise und fließt gleichzeitig durch die Durchgangsöffnung 4 hindurch bis auf die gegenüberliegende Oberfläche 2, wo sie die dortige elektrisch leitfähige Schicht zumindest im Bereich der trichterförmigen Vertiefung 7 ebenfalls benetzt. Auf der unteren Oberfläche 2 des Substrats 1 bildet sich dabei zunächst ein Tropfen aus, der aufgrund seiner Oberflächenspannung größer ist als das Durchgangsloch 4 selbst und der sich daher an die trichterförmige Vertiefung 7 anlegt und auf diese Wei­ se mit der dortigen elektrisch leitfähigen Schicht eine elektrische Verbindung herstellt.

Nachdem das Durchgangsloch 4 mit Leitklebermaterial 5 gefüllt ist, wird die Dosiernadel 20 wieder von dem Wulst 6 wegbewegt (Fig. 1g, Pfeilrichtung), wodurch ein Teil des sich in der trichterförmigen Vertiefung 7 gebildeten Leitklebermaterialtropfens aus dem Durchgangsloch 4 in Richtung zur Wulst 6 aufgrund von Adhäsionskräften zurückgezogen wird. Der Querschnitt der endgültig erzeugten Leitkleberverbindung gemäß Fig. 1g ist in Fig. 3 noch einmal vergrößert dargestellt. Es ist zu erkennen, daß das Leitklebermaterial 5 einerseits die trichterförmige Vertiefung 7 mit der dort befindlichen elek­ trisch leitfähigen Schicht 3 und andererseits den Wulst 6 mit der dort befind­ lichen elektrisch leitfähigen Schicht 2 bedeckt und desweiteren das Durchgangsloch 4 vollständig ausfüllt, so daß insgesamt eine zuverlässige elek­ trisch leitende Verbindung zwischen den leitfähigen Schichten 2 und 3 her­ gestellt ist.

In den Fig. 2a bis 2f ist eine alternative Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Verfahrens dargestellt, bei dem der Leitkleber "nachdosiert" wird. Wie auch bei dem in Bezug auf Fig. 1a bis 1g beschriebenen Verfahren wird das Substrat 1 mit den auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordne­ ten, elektrisch leitfähigen Schichten 2 und 3 (Fig. 2a) mittels einer Nadel 10 durchstochen, bis die Spitze 11 der Nadel aus der gegenüberliegenden Ober­ fläche 2 des Substrats 1 herausragt (Fig. 2b). Dabei wird das Material des Substrats 1 wieder überdehnt und auf diese Weise plastisch verformt, so daß eine Durchgangsloch 4 verbleibt, welches auf der Einstichseite eine trichter­ artige Vertiefung 7 und auf der Austrittsseite einen erhabenen Wulst 6 be­ sitzt (Fig. 2c). Eine Dosiernadel 20 wird von oben an den Wulst 6 herange­ führt, wobei aber in diesem Falle anders als bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zu diesem Zeitpunkt noch kein Leitklebermaterial aus der hohlen Dosiernadel 20 herausgedrückt wird. Erst wenn die Dosiernadel 20 eine vor­ bestimmte Position nahe der Wulst 6 erreicht hat, wird Leitklebermaterial 5 durch die Dosiernadel 20 hindurch in das Durchgangsloch 4 hineingedrückt bzw. eingespritzt (Fig. 2d). Dabei bildet sich zunächst wieder ein Leitkle­ bermaterialtropfen auf der unteren Oberfläche 2 des Substrats 1 im Bereich der trichterförmigen Vertiefung 7 aus. Die Spitze 21 der Dosiernadel 20 wird dabei bis an die Oberfläche 3 der Wulst 6 herangefahren, um zu verhinden, daß zu viel Material über den Wulst 6 nach außen abfließt. Der Durchmesser der Spitze 21 der Dosiernadel 20 ist so bemessen, daß er den Wulst 6 hinrei­ chend überdeckt, um mittels dem Leitklebermaterial 5 einen zuverlässigen Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Schicht 3 herzustellen. Beim Zurück­ bewegen der Dosiernadel 20 von dem Wulst 6 weg fließt ein Teil des Leitklebermaterials 5 aus der trichterförmigen Vertiefung 7 durch das Durch­ gangsloch 4 hindurch zurück (Fig. 2f).

Der sich endgültig einstellende Querschnitt des die beiden Oberflächen 2 und 3 miteinander verbindenden Leitklebermaterials (Fig. 2f) ist in Fig. 4 noch einmal im Detail dargestellt. Man erkennt, daß im Vergleich zu der zu­ vor beschriebenen Ausführungsform mit vordosiertem Leitkleber (Fig. 1 und 3) der Wulst 6 mit vergleichsweise wenig Leitklebermaterial 5 benetzt ist, was darauf zurückgeführt werden kann, daß die Spitze 21 der Dosiernadel 20 bei der Ausführungsform mit nachdosiertem Leitkleber (Fig. 2 und 4) bis an den Wulst 6 herangeführt wird.

Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit vordosiertem und nach­ dosiertem Leitkleber können auch miteinander kombiniert werden, wodurch sich die Querschnittsform der Durchkontaktierung variieren läßt.

Claims (16)

1. Substrat (1) für eine Karte mit integriertem Schaltkreis, wobei das Substrat auf zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen mit elektrisch leitfähi­ gem Material (2, 3) beschichtet ist und wobei diese beiden elektrisch leitfähi­ gen Schichten durch das Substrat hindurch elektrisch miteinander verbun­ den sind, gekennzeichnet durch ein durch das Substrat und die beiden elek­ trisch leitfähigen Schichten hindurchgestochenes Durchgangsloch, welches mit elektrisch leitfähigem, an die beiden elektrisch leitfähigen Schichten (2, 3) angrenzenden Material (5) gefüllt ist.

2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gestochene Durchgangsloch (4) an einer der beiden einander gegenüberliegenden Ober­ flächen (2) des Substrats einen Wulst (6) und an der anderen der beiden Oberflächen (3) des Substrats eine trichterförmige Vertiefung (7) bildet.

3. Substrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige Füllmaterial (5) den Wulst (6) und die Vertiefung (7) zumindest teilweise bedeckt.

4. Karte mit integriertem Schaltkreis umfassend ein Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Karte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) eine Schicht des Kartenkörpers bildet.

6. Verfahren zur Herstellung eines Substrats (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend die Schritte:

• - zur Verfügungstellen des Substrats (1) mit zwei elektrisch leitfähigen Schichten (2, 3) auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Sub­ strats,
• - Durchstechen des Substrats (1) und der beiden elektrisch leitfähigen Schichten (2, 3) mittels einem spitzen Werkzeug (10), so daß nach dem Entfernen des Werkzeugs ein Durchgangsloch (4) zurückbleibt, und
• - Füllen des Durchgangslochs (4) mit einem elektrisch leitfähigen Material (5) derart, daß es an die beiden elektrisch leitfähigen Schichten (2, 3) an­ grenzt und diese elektrisch leitend miteinander verbindet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitfähiges Material (5) zum Füllen des Durchgangslochs (4) ein flüssiger Leitkleber verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial so ausgewählt wird, daß das nach dem Durchste­ chen des Substrats (1) zurückbleibende Durchgangsloch (4) an einer der ein­ ander gegenüberliegenden Oberflächen (2) des Substrats einen Wulst (6) und an der anderen der beiden Oberflächen (3) des Substrats eine trichterförmige Vertiefung (7) bildet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige Material (5) zum Füllen des Durchgangslochs (4) von der den Wulst (6) aufweisenden Oberfläche (2) des Substrats aus erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllen des Durchgangslochs (4) mit elektrisch leitfähigem Material mittels einer Dosiernadel (20) erfolgt, die eine spitze (21) besitzt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosier­ nadel (20) hohl ist und das elektrisch leitfähige Material (5) durch die Dosi­ ernadel hindurch der Spitze (21) der Dosiernadel (20) zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (21) der Dosiernadel (20) zum Füllen des Durchgangslochs (4) in die Nähe desselben gebracht wird und anschließend eine nachdosierte Menge des elektrisch leitfähigen Materials (5) durch die Dosiernadel (20) hindurch der Spitze (21) der Dosiernadel zugeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Spitze (21) der Dosiernadel (20) eine vordosierte Menge des elek­ trisch leitfähigen Materials (5) vorgesehen wird, bevor die Spitze (21) der Dosiernadel zum Füllen des Durchgangslochs (4) in die Nähe desselben ge­ bracht wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllen des Durchgangslochs (4) derart erfolgt, daß das elektrisch leitfähige Material (5) den Wulst (6) zumindest teilweise bedeckt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Spitze (11) des Werkzeugs (10) zum Zeitpunkt des Durchstechens des Substrats (1) eine gegenüber der Umgebungstemperatur wesentlich erhöhte Temperatur aufweist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) zum Zeitpunkt des Durchstechens mittels dem Werk­ zeug (10) eine gegenüber der Umgebungstemperatur wesentlich erhöhte Temperatur aufweist.