DE10108080C1 - Kontaktlos arbeitender Datenträger mit einer kapazitiv an das Modul gekoppelten Antennenspule - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Datenträger, bestehend aus einem Modul (20) mit einer integrierten Schaltung (21) sowie mit einem Trägerkörper (10) mit einer Ausnehmung (15) zur Aufnahme des Moduls (20), wobei auf oder in der Einsatzseite des Moduls (20) zumindest zwei kapazitive Koppelflächen darstellende Substratkontakte (23, 24) ausgebildet sind, die mit Anschlüssen der integrierten Schaltung (21) elektrisch verbunden sind. In oder auf der Ausnehmung (15) des Trägerkörpers (10) sind zumindest zwei kapazitive Koppelflächen darstellende Spulenanschlüsse (13, 14) aufgebracht oder eingeformt, welche eine elektrische Verbindung zu einer Spule (16) in dem Trägerkörper (10) zur Herstellung einer drahtlosen Verbindung zur Umgebung aufweist. Nach dem Einsetzen des Moduls (20) in die Ausnehmung (15) resultiert eine kapazitive Kopplung zwischen jeweiligen Spulenanschlüssen (13, 14) und Substratkontakten. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zwischen jeweiligen Spulenanschlüssen und Substratkontakten Abstandshalter vorzusehen, die einen vorgegebenen Abstand zwischen Spulenanschlüssen und Abstandshalter festlegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Datenträger, bestehend aus einem Modul mit einer integrierten Schaltung sowie mit einem Trä­ gerkörper mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Moduls.

Es ist bekannt, daß bei derartigen Datenträgern das Modul vorzugsweise in die Ausnehmung im Kartenkörper eingelegt und mittels Fügen oder dergleichen mit dem Kartenkörper unter Er­ halt einer entsprechenden mechanischen und elektrischen Ver­ bindung laminiert wird.

Die bei der Herstellung von Chipkarten verwendeten Module greifen in der Regel auf einen Kunststoffträger zurück, auf dem die eingangs erwähnte integrierte Schaltung, gegebenen­ falls mit ISO-Kontaktflächen versehen, angeordnet ist. Das so vorgefertigte Modul wird mit dem Trägerkörper, der z. B. aus Polycarbonat bestehen kann, verbunden. Das Verbindung bzw. das Einsetzen des Moduls in den Trägerkörper in eine, z. B. gefräste, Ausnehmung erfolgt üblicherweise unter Rückgriff auf ein Klebeverfahren unter Verwendung eines Heiß- oder Schmelzklebers.

Bei der Herstellung von Kombikarten, die sowohl zur kontakt­ losen als auch zur kontaktbehafteten Verwendung geeignet sind oder bei der Herstellung von ausschließlich kontaktlosen Kar­ ten, ist eine Kontaktebene mit Anschlußstellen für die Anten­ nenspule vorgesehen. Die Anschlußstellen befinden sich im Stand der Technik bevorzugt erhaben auf der Oberfläche des Moduls und/oder auf der Oberfläche oder an den Seitenflächen der Ausnehmung des Trägerkörpers. Bei konventionellen Anord­ nungen kann die Verklebung von Modul und Trägerkörper mittels der Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung in einem Arbeitsgang durchgeführt werden. Die Herstellung zuverlässiger sowohl elektrischer als auch mechanischer Verbindungen unterliegt engen Toleranzen, so daß bei nicht optimalen Ver­ fahrensparametern die Langzeitstabilität im Hinblick auf die mechanische Verbindung als auch die elektrischen Verbindungen beeinträchtigt werden können.

Aus der WO 98/15916 A1 ist ein gattungsgemäßer Datenträger be­ kannt, bei dem auf oder in der Einsatzseite des Moduls zumin­ dest zwei kapazitive Koppelflächen darstellende Sub­ stratkontakt ausgebildet sind, die mit Anschlüssen der inte­ grierten Schaltung elektrisch verbunden sind. Weiterhin sind in oder auf der Ausnehmung des Trägerkörpers zumindest zwei kapazitive Koppelflächen darstellende Spulenanschlüsse aufge­ bracht oder eingeformt. Diese weisen eine elektrische Verbin­ dung zu einer Spule in dem Trägerkörper zur Herstellung einer drahtlosen Verbindung zur Umgebung auf. Nach dem Einsetzen des Moduls in die Ausnehmung resultiert eine kapazitive Kopp­ lung zwischen jeweiligen Spulenanschlüssen und Substratkon­ takten.

Nachteilig bei dem oben genannten Datenträger ist die Tatsa­ che, daß die kapazitive Ankopplung stark mit den Fertigungs­ parametern, insbesondere im Abstand der üblicherweise gekleb­ ten Kondensatorflächen, schwankend sein kann, da lediglich sehr kleine Kondensator-Flächen zur Verfügung stehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen kon­ taktlos arbeitenden Datenträger anzugeben, der die kapazitive Ankopplung einer Antennenspule an ein Modul mit einer inte­ grierten Schaltung erlaubt und auch mit kleinen Koppelflächen zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß bei der Verwen­ dung kleiner Koppelflächen, d. h. kleiner Kondensatoren, zur Sicherstellung einer optimalen Spannungs-/Strom-Ausbeute die Übergangskapazität bei der Auslegung des Schwingkreises be­ rücksichtigt werden muß. Der Schwingkreis besteht dabei aus der Antennenspule und den kapazitiven Koppelflächen, die ei­ nen kleinen Kondensator bilden. Dieser muß in der Schal­ tungsanordnung, einem LC-Netzwerk, bei der Auslegung berück­ sichtigt werden. Für eine gute Übertragung werden deshalb konstante Parameter benötigt. Als Parameter sind hierbei die kapazitive Koppelfläche, der Abstand der beiden kapazitiven Koppelflächen (Spulenanschluß und Substratkontakte) sowie der Dielektrizitätswert des Mediums zwischen den Koppelflä­ chen zu berücksichtigen.

Es hat sich gezeigt, daß eine Schwankung des Abstandes der kapazitiven Koppelflächen den stärksten Einfluß auf die Über­ tragungseigenschaften aufweist. Die Erfindung sieht deshalb vor, zwischen der Einsatzseite des Moduls und dem Trägerkörper Abstandshalter vorgesehen sind zur Festlegung eines vorgege­ benen Abstands. Vorzugsweise werden zwischen jeweiligen oder zumindest neben jeweiligen Spulenanschlüssen und Substratkon­ takten Abstandshalter vorgesehen, welche zur Festlegung eines vorgegebenen Abstandes dienen. Hierdurch ist eine kapazitive Ankopplung mit einer konstanten Kapazität sichergestellt. Der vorgegebene Abstand berechnet sich dabei aus den jeweiligen Gegebenheiten, wie z. B. der Fläche der Spulenanschlüsse bzw. Substratkontakte, des Materials des Abstandhalters, das einen bestimmten Dielektrizitätswert aufweist, sowie des Klebers, der die Fixierung zwischen Modul und Trägerkörper vornimmt.

Der Abstandhalter ist vorzugsweise nicht elastisch, nicht komprimierbar oder verformbar. Hierdurch ist sichergestellt, daß der Abstandshalter beim Zusammenfügen von Modul und Trä­ gerkörper nicht verformt wird und somit einen anderen als den berechneten Abstand zwischen den kapazitiven Koppelflächen bestimmt.

Zur Vermeidung eines elektrischen Kontaktes zwischen den Sub­ stratkontakten und den Spulenanschlüssen besteht der Ab­ standshalter vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leit­ fähigen Material. Die Wahl des Materials hängt von dem ge­ wünschten oder benötigten Dielektrizitätswert ab.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Abstandshalter einen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt auf. Der Abstandshalter kann somit als Kugel, Würfel, Quader oder Elipsoid ausgeführt sein. Bevorzugt werden Abstandshalter vorgesehen, die in jeder Richtung die gleichen lateralen Ab­ maße aufweisen. Hierdurch muß bei der Fertigung des Daten­ trägers nicht berücksichtigt werden, wie der Abstandshalter zu dem Modul bzw. zu dem Trägerkörper ausgerichtet ist und ob diese Ausrichtung dem vorgegebenen Abstand entspricht.

Der Abstandshalter kann die integrierte Schaltung ringförmig umlaufen. Hierdurch entsteht für das Modul entlang seines ge­ samten Umfanges eine Auflagefläche, wodurch auf besonders gu­ te und effektive Weise der Abstand zwischen den kapazitiven Koppelflächen eingestellt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung besteht der Ab­ standshalter aus einem Material, das in seinem Dielektrizi­ tätswert an den eines den Abstandshalter umgebenden Kleber angepaßt ist, welcher die mechanische Verbindung von Modul und Trägerkörper sicherstellt. Sofern diese Bedingung erfüllt ist, können die Parameter zur Auslegung des Schwingkreises auf besonders einfache Weise berücksichtigt werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem Abstandshalter und dem Substratkontakt und/oder zwischen dem Abstandshalter und dem Spulenanschluß zumindest eine weitere nicht leitende Schicht gelegen ist. Bei der weiteren nicht leitenden Schicht kann es sich um Teile des Trägerkörpers handeln, welcher selbst aus mehreren übereinander angeordneten Schichten bestehen kann. Es kann sich jedoch auch um eine Schicht handeln, die zum Zwecke eines mechanischen Schutzes auf die kapazitiven Koppelflächen und die damit verbunden Leiterzüge aufgebracht ist.

Vorzugsweise weist die weitere Schicht eine vorgegebene Dicke auf, damit diese zusammen mit dem Abstandshalter für die Aus­ legung des Schwingkreises berücksichtigt werden kann. Bevor­ zugt weist die weitere Schicht oder die weiteren Schichten ebenfalls einen Dielektrizitätswert auf, welcher an den Ab­ standhalter und diesen umgebenden Kleber angepaßt ist.

Die Erfindung und deren Vorteile werden anhand der nachfol­ genden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä­ ßen Datenträgers,

Fig. 2 eine zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Datenträgers,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä­ ßen Datenträgers und

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Datenträgers.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Datenträgers. Der Datenkörper weist einen Trägerkör­ per 10 auf. In bekannter Weise sind eine Ausnehmung 15 und eine Vertiefung 17, welche breiter als die Ausnehmung 15, da­ für aber weniger tief ist, vorgesehen. Der Trägerkörper 10 kann einstückig ausgebildet sein, wobei die Ausnehmung 15 und die Vertiefung 17 durch einen Fräsvorgang hergestellt sein können. Gleichfalls ist es denkbar, den Trägerkörper 10 in der gewünschten Form mittels Spritzen herzustellen. Der Trä­ gerkörper 10 könnte alternativ auch aus mehreren Schichten bestehen, welche in bekannter Weise übereinander angeordnet werden.

Der Datenträger weist weiterhin in bekannter Weise ein Modul 20 auf. Dieses beinhaltet einen Substratträger 22, auf dem eine integrierte Schaltung 21 aufgebracht ist. Auf der glei­ chen Seite des Substratträgers 22 sind Substratkontakte 23, 24 aufgebracht, die jeweils über Drahtverbindungen 25 mit Kontakten der integrierten Schaltung 21 verbunden sind. Die Substratkontakte 23, 24 bilden kapazitive Koppelflächen, die mit entsprechend angeordneten Koppelflächen einer Spule, die sich im Trägerkörper 10 befinden, in Wirkverbindung treten sollen.

Zu diesem Zweck sind Spulenanschlüsse 13, 14 am Boden der Vertiefung 17 vorgesehen. Diese sind mit in der Figur nicht näher dargestellten Spulenwindungen verbunden, welche sich beispielsweise um das Modul 20 herum erstrecken können. Vor­ zugsweise liegen die Spulenwindungen in der gleichen Ebene wie die Spulenanschlüsse 13, 14, so daß diese beispielsweise in einer Drucktechnik hergestellt und auf eine Schicht des Trägerkörpers 10 aufgebracht werden können. Anschließend könnte die die Begrenzungswände der Vertiefung 17 bildende weitere Schicht des Trägerkörpers aufgebracht werden.

Gemäß dem Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spu­ lenanschlüsse 13, 14 mit den jeweiligen Substratkontakten 23, 24 in genau definiertem Abstand zueinander zum Liegen kommen. Zwischen dem Spulenanschluß 13 und dem Substratkontakt 23 ist deshalb ein Abstandshalter 30 gelegen, welcher im vorliegen­ den Ausführungsbeispiel einen kreisförmigen Querschnitt auf­ weist. Der Abstandshalter 30 ist von einer Klebermasse 32 um­ geben, die die mechanische Verbindung zwischen dem Spulen­ anschluß 13 und dem Substratkontakt 23 herstellt. Der Ab­ standshalter 30 weist einen genau definierten Querschnitt auf, welcher den Abstand zwischen dem Spulenanschluß 13 und dem Substratkontakt 23 definiert.

In entsprechender Weise ist zwischen dem Spulenanschluß 14 und dem Substratkontakt 24 ein entsprechend ausgebildeter Ab­ standshalter 31 vorgesehen.

Bevorzugt sind die Abstandshalter 30, 31 bereits im Kleber 32 enthalten. Die Abstandshalter 30, 31 bestehen aus einem Mate­ rial, welches nicht leitend, nicht elastisch oder verformbar ist. Vorzugsweise weisen Abstandshalter 30, 31 und der Kleber 32 einen Dielektrizitätswert auf, der zumindest ähnlich ist. Hierdurch ist es möglich, konstante Parameter zur Auslegung des Schwingkreises bereit zu stellen.

Der Schwingkreis wird aus der aus Fig. 1 nicht näher erkenn­ baren Spule und den durch die kapazitiven Koppelflächen 13, 23 sowie 14, 24 gebildeten Kondensatoren gebildet. Im Gegen­ satz zu konventionellen LC-Netzwerken werden zur Auslegung des Schwingkreises nicht vorab gefertigte Kondensatoren ver­ wendet. Die Kondensatoren entstehen vielmehr erst durch das Einbringen des Moduls in die dafür vorgesehene Ausnehmung des Trägerkörpers. Die Auslegung der Kondensatoren ist deshalb auf einfache Weise durch die Größe der Abstandshalter 30, 31 sowie - in geringerem Maße - durch die Größe der Koppelflä­ chen und den Dielektrizitätswert von Abstandshaltern und Kle­ ber einstellbar.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 stehen die Abstands­ halter 30, 31 unmittelbar mit den Spulenanschlüssen 13, 14 sowie den Substratkontakten 23, 24 in Verbindung. Gleiches gilt für das dritte Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, das sich von dem der Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß die Abstandshalter 30, 31 einen rechteckigen Querschnitt auf­ weisen. Die Abstandshalter 30, 31 sind auch von einem Kleber 32 umgeben, der die mechanische Verbindung zu dem Chipmodul 20 herstellt. Im Unterschied zu Fig. 1 weist das Chipmodul 20 zusätzlich externe Kontakte 28, 29 auf. Diese sind auf der gegenüber liegenden Hauptseite des Substratträgers 22 gelegen, auf dem sich die Substratkontakte 23, 24 zur kontaktlo­ sen Kopplung befinden. Das zweite Ausführungsbeispiel zeigt somit einen Datenträger, der sowohl auf kontaktbehaftete als auch auf kontaktlose Weise betreibbar ist. Auch wenn dies in der Fig. 2 nicht gezeigt ist, stehen die externen Kontakte 28, 29 selbstverständlich in elektrischem Kontakt mit der in­ tegrierten Schaltung 21. Dies kann auf die aus dem Stand der Technik bekannten Arten geschehen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele, bei denen die Spulenanschlüsse 13, 14 zu den Substratkontak­ ten 23, 24 zusätzlich zu den Abstandhaltern 30, 31 durch wei­ ter Schichten beabstandet sind.

In dem dritten Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist zwischen den Abstandshaltern 30, 31 und den Spulenanschlüssen 13, 14 eine weitere Schicht 18 der Dicke D gelegen, welche Teil des Trägerkörpers 10 ist. Die weitere Schicht 18 weist in diesem Bereich vorzugsweise die gleichen Eigenschaften wie die Ab­ standshalter 30, 31 auf. Die gezeigte Variante hat den Vor­ teil, daß die Spulenanschlüsse 13, 14 durch die weitere Schicht 18 geschützt sind.

Zusätzlich zu der weiteren Schicht 18 ist in dem vierten Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 4 zwischen den Abstandshaltern 30, 31 und den Substratkontakten 23, 24 eine Substratschicht 26 gelegen. Auch diese dient dem Zweck, die Substratkontakte 23, 24 vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. In ent­ sprechender Weise wird als Material für die Substratschicht 26 ein nicht leitendes, nicht verformbares und nicht kompri­ mierbares Material gewählt.

Die weitere Schicht 18 sowie die Substratschicht 26 ergänzen die Abstandshalter 30, 31 in ihrer Funktion und sind bei der Berechnung des vorgegebenen Abstandes zu berücksichtigen.

In der Fig. 4 sind zudem Spulenwindungen 16 im Querschnitt erkennbar, die in der gleichen Ebene wie die Spulenanschlüsse 13, 14 gelegen sind, und sich beispielsweise um das Modul 20 herum erstrecken.

Die wirksame Fläche der durch die kapazitiven Koppelflächen gebildeten Kondensatoren bilden lediglich diejenigen Bereiche der Spulenanschlüsse 13, 14 und der Substratkontakte 23, 24, die miteinander überlappen. Die nicht miteinander überlappen­ den Bereiche bilden, auch wenn sie flächenmäßig groß ausge­ bildet sind, bereits Teile der Leiterbahnstruktur, die entwe­ der mit den Antennenspule oder mit der integrierten Schaltung verbunden sind.

Allen Ausführungsbeispielen ist es gemeinsam, daß sie durch weiteres Hinzufügen externer Kontakte zu einem hybriden Da­ tenträger ausgebildet werden können.

Die kapazitive Kopplung zwischen dem Modul 20 und der Anten­ nenspule bietet gegenüber einer galvanischen Verbindung den Vorteil, daß ein Bruch an der Stelle der im Stand der Technik üblichen galvanischen Verbindung als Ausfall-Ursache stark verringert ist. Die Erfindung ermöglicht sogar flexible Ver­ bindungen, die die Biegebelastung des Moduls reduzieren. Wei­ terhin können statt teuren Leitklebern oder Lötverbindungen handelsübliche billige, normale Kleber eingesetzt werden.

Durch die Einführung der Abstandshalter wird ein konstanter Abstand zwischen den kapazitive Koppelflächen ermöglicht, wo­ durch eine genau definierte Kopplung zwischen der Antenne und dem Modul möglich ist. Hierdurch wird eine optimale Übertra­ gung von Signalen von der Antennenspule zu dem Modul ermög­ licht.

Bezugszeichenliste

10

Trägerkörper

11

Trägerschicht

12

Trägerschicht

13

Spulenanschluß

14

Spulenanschluß

15

Ausnehmung

16

Spulenwindung

17

Vertiefung

18

weitere Schicht

20

Modul

21

integrierte Schaltung

22

Substratträger

23

Substratkontakt

24

Substratkontakt

25

Drahtverbindung

26

Substratschicht

27

Bohrung

28

externer Kontakt

29

externer Kontakt

30

Abstandshalter

31

Abstandshalter

32

Kleber

Claims (10)

1. Datenträger, bestehend aus einem Modul (20) mit einer integrierten Schaltung (21) sowie mit einem Trägerkörper (10) mit einer Ausnehmung (15) zur Aufnahme des Moduls (20), wobei auf oder in der Einsatzseite des Moduls (20) zumindest zwei kapazitive Koppelflächen darstellende Substratkontakte (23, 24) ausgebildet sind, die mit Anschlüssen der integrierten Schaltung (21) elektrisch verbunden sind, und wobei in oder auf der Ausnehmung (15) des Trägerkörpers (10) zumindest zwei kapazitive Koppelflächen darstellende Spulenanschlüsse (13, 14) aufgebracht oder eingeformt sind, welche eine elektrische Verbindung zu einer 'Spule (16) in dem Trägerkörper (10) zur Herstellung einer drahtlosen Verbindung zur Umgebung aufweist und wobei nach dem Einsetzen des Moduls (20) in die Ausneh­ mung (15) eine kapazitive Kopplung zwischen jeweiligen Spu­ lenanschlüssen (13, 14) und Substratkontakten resultiert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Einsatzseite des Moduls (20) und dem Trägerkör­ per (10) Abstandshalter (30) vorgesehen sind zur Festlegung eines vorgegebenen Abstands.

2. Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (30, 31) zwischen jeweiligen Spulenanschlüssen (13, 14) und Substratkontakten (23, 24) vorgesehen sind.

3. Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (30, 31) zumindest neben jeweiligen Spulenan­ schlüssen (13, 14) und Substratkontakten (23, 24) vorgesehen sind.

4. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (30, 31) nicht elastisch, komprimierbar oder verformbar sind.

5. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (30, 31) nicht elektrisch leitfähig sind.

6. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter einen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.

7. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter die integrierte Schaltung (21) ringförmig umläuft.

8. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (30, 31) aus einem Material bestehen, das in seinem Dielektrizitätswert an einen den Abstandshalter umgebenden Kleber (32) angepaßt ist, der die mechanische Ver­ bindung von Modul (20) und Trägerkörper (10) sicherstellt.

9. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweiligen Abstandshaltern (30, 31) und Substratkon­ takten (23, 24) und/oder zwischen jeweiligen Abstandshaltern (30, 31) und Spulenanschlüssen (13, 14) zumindest eine wei­ tere nicht leitende Schicht (26; 18) gelegen ist.

10. Datenträger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (26; 18) eine vorgegebene Dicke aufweist.