DE10114355A1 - Verfahren zur Herstellung einer kontaktlosen multifunktionalen Chipkarte sowie entsprechend hergestellte Chipkarte - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer kontaktlosen multifunktionalen Chipkarte sowie entsprechend hergestellte Chipkarte

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Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Herstellung eines Transponders, insbesondere einer kontaktlosen Chipkarte (1), mit zumindest einem elektronischen Bauteil (Chipmodul 2) und zumindest einer Antenne (3), wobei das zumindest eine elektronische Bauteil (2) auf einem als Bauteileträger dienenden, nichtleitenden Substrat angeordnet ist. Auch die zumindest eine Antenne wird auf einem nichtleitenden Substrat angeordnet, wobei das zumindest eine elektronische Bauteil (2) auf einem ersten Substrat und die Antenne (3) auf einem zweiten aufgebracht wird und danach durch das lagerichtige Zusammenführen der einzelnen Substrate die gesamte Schaltung (1) hergestellt wird. DOLLAR A Die Kontaktierung der Bauelemente (2, 3) erfolgt nach dem Zusammenführen der verschiedenen Substrate mittels Hilfsstoffen wie Lot oder Klebstoff oder ohne Hilfsstoffe mittels Mikroschweißen. Die nichtleitenden Substrate bilden einen Grundkartenkörper aus.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Transpondereinheit mit zumindest einem Chip und eine Antenne, insbesondere zur Herstellung einer kontaktlosen Chipkarte, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine solche Transpondereinheit.
Kontaktlose Chipkarten bestehen im einfachsten Fall aus zwei elektrischen Komponenten, nämlich einem Chipmodul und einer elektrisch leitend mit dem Chipmodul verbundenen Antenne. In aufwendigeren Ausführungen können weitere Komponenten wie z. B. weitere Microchips zur Datenspeicherung, optische Displays, Batterien, etc. in der Chipkarte integriert werden. Diese elektronischen Komponenten werden auf einem elektrisch nichtleitenden Basissubstrat aufgebracht, welches herkömmlicherweise aus Kunststoff besteht, mit in die Karte eingebaut wird und somit einen Bestandteil der Karte bildet.
Bei bisherigen Verfahren werden die Chips zum Teil nackt verarbeitet, das heißt dass der Siliziumchip nicht zusätzlich in einem Gehäuse untergebracht wird, zum Teil werden die Siliziumchips aber andererseits vorher in ein entsprechendes Gehäuse eingebaut. Der im Gehäuse untergebrachte Chip wir dann im Allgemeinen als Chipmodul bezeichnet. Im nachfolgenden ist bei Chips sowohl die ungehäuste als auch die gehäuste Variante gemeint.
Da die Kartenherstellung in der Regel mehrnutzig erfolgt, werden auf einem Basissubstrat mehrere Transpondereinheiten angeordnet. Die Anordnung erfolgt in regelmäßiger, rasterförmiger Einteilung, wobei Anordnungen von ca. 3 × 8, oder 6 × 6 die üblichen Nutzgrößen sind.
Als nächstliegender Stand der Technik ist ein Verfahren zur Anordnung einer zumindest einen Chip und eine Drahtspule aufweisenden Transpondereinheit auf einem Substrat aus der DE 44 10 732 C2 bekannt. Bei dem dort vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung von kontaktlosen Chipkarten wird eine einzige Substratlage Verwendet um die verschiedenen Komponenten darauf aufzubauen. Dabei wird, wie bei allen anderen bekannten Verfahren die Antenne als erste Komponente auf das Substrat aufgebracht. Dabei muss zwischen drei Verschiedenen Verfahren unterschieden werden, nämlich das Ätzverfahren, das Druckverfahren und das Drahtlegeverfahren.
Beim Ätzverfahren wird das Basissubstrat vollflächig mit Kupfer überzogen. In einem anschließenden Photolitographieprozess die Spule abgebildet und das überschüssige Kupfer abgeätzt.
Beim Druckverfahren wird die Spulenkontour mittels elektrisch leitfähiger Tinte oder Paste aufgedruckt. In der Regel werden Siebdruckverfahren eingesetzt.
Beim Drahtlegeverfahren wird elektrisch leitfähiger Draht entlang der Spulenkontur auf ein Substrat aufgebracht und dort punktförmig, oder entlang der kompletten Kontur auf diesem befestigt.
Bei den bisherigen Verfahren wie bei dem bekannten Verfahren nach DE 44 10 732, bei denen nur eine einzige Substratlage verwendet wird, erfolgt als nächster Schritt das Aufbringen der Chipmodule und der weiteren elektronischen Komponenten, wobei bei allen bekannten Verfahren die Komponenten auf dasselbe Substrat montiert werden. Die Montage der Bauelemente erfolgt so, dass die Kontaktfläche des Bauelementes jeweils Deckungsgleich mit der Kontaktfläche des zuvor montierten Bauteiles zu liegen kommt. Das Aufbringen der Bauelemente erfolgt sequentiell.
Anschließend findet die elektrische Kontaktierung der Bauelemente statt. Hierbei werden die Kontaktflächen der einzelnen Bauteile miteinander verbunden. Hierbei kommen in der Regel folgende Prozesse zum Einsatz: Löten, elektrisch leitfähig Kleben und TC-Bonden, was auch Mikroschweißen genannt wird.
Beim Löten wird zwischen den Verbindungsstellen der Bauelemente zusätzliches Lotmaterial aufgebracht und nach der Bauteilmontage thermisch umgeschmolzen.
Beim leitfähigen Kleben wird zwischen den Bauelementen zusätzlich ein elektrisch Leitfähiger Klebstoff eingebracht, welche nach der Bauteilmontage ausgehärtet wird. Die Aushärtung erfolgt in der Regel unter Einwirkung von Temperatur oder UV-Licht.
Beim TC-Bonden erfolgt die Kontaktierung ohne zusätzliche Einbringung von Kontaktmaterial. Hierbei werden durch kurzzeitige Hitzeeinwirkung die zwei Kontaktmaterialien miteinander Verschweißt.
Die bekannten Verfahren, insbesondere das Verfahren nach DE 44 10 732, ist aber mit einigen Nachteilen verbunden, wobei als erstes die Ausbeute genannt werden muss. Wenn nämlich bei dem zweiten Schritt des Aufbringens des Chips auf das gemeinsame Substrat ein - durchaus nicht unwahrscheinlicher Fehler auftritt, ist das gesamte, zuvor hergestellte Verfahrensprodukt unbrauchbar, ein Nachteil, den es mit der vorliegenden Erfindung zu überwinden gilt. Weiterhin ist das Verfahren nach DE 44 10 732 mit dem Nachteil eines niedrigen Modularitätsgrades behaftet, da das mit der Spule und dem Chip beaufschlagte Substrat nur als ganzes hergestellt werden kann, also als einheitliches Produkt einer modularen Fertigung nicht oder nur schlecht zugänglich ist.
Die genannten Nachteile eines Verfahrens zur Herstellung einer Transpondereinheit mit zumindest einem Chip und eine Antenne, insbesondere zur Herstellung einer kontaktlosen Chipkarte gilt es durch die vorliegende Erfindung zu überwinden.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen Bauelemente, insbesondere Spule und Chip auf verschiedenen Substraten aufgebracht und getrennt voneinander montiert werden. Dabei haben die Maßnahmen der Erfindung zunächst einmal zur Folge, dass bei einem Fehler z. B. beim Aufbringen des Chips auf das entsprechende Substrat höchstens diese Teile unbrauchbar werden, während die getrennt gefertigte Antenneneinheit, in der ein erheblicher baulicher Aufwand steckt, von einem solchen Fehler nicht betroffen ist. Weiterhin haben die Maßnahmen der Erfindung zur Folge, dass die Antenneneinheit, bestehend aus dem zweiten Substrat und der Antennenspule unabhängig vom Chip vorgefertigt werden kann, so dass eine Antenneneinheit für verschiedene Chipteile, bestehend aus dem Substrat und auf dem ersten Substrat aufgebrachten oder eingelassenen Chip Verwendung finden kann. Dies ist erheblich, da sich verschiedene Chipteile teilweise nur durch die darin eingebrachte Software oder unterschiedlichen Daten unterscheiden mögen.
Die Vorteile des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung liegen zudem in der sehr effizienten Herstellung von kontaktlosen Karten. Dadurch dass die verschiedenen Bauelemente auf verschiedenen Substraten angeordnet werden, lassen sich die unterschiedlichen Produktionsschritte auf verschiedenen Anlagen durchführen. Hierbei kann jede Anlage optimal auf den Produktionsdurchsatz angepasst werden. Das Zusammenfügen der einzelnen Substratlagen erfolgt ganz zum Schluss des Montageprozesses, nachdem bereits alle zeitintensiven Bestückvorgänge abgeschlossen sind.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung liegt in der verbesserten Ausbeute des Gesamtprozesses, da jedes einzelne Substrat mit dem zugehörigen Bauelement vor dem Zusammenführen vollständig auf seine Funktion getestet, und gegebenenfalls nachgearbeitet werden kann.
Bei der Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung wird einerseits ein Antennensubstrat verwendet, welches mittels Ätztechnik, Drucktechnik oder Drahtlegetechnik hergestellt sein kann und alle Antennen der geplanten Anwendung trägt. Andererseits wird ein separates Substrat hergestellt und verwendet, auf welchem alle Chipmodule der geplanten Anwendung vormontiert werden. Hierbei werden die Chips entsprechend ihrer späteren Lage im Gesamtaufbau auf das Substrat aufgebracht und dort fixiert. Die Fixierung kann mittels Klebstoff erfolgen. Hierbei kann der Klebstoff entweder bereits auf dem Substrat oder auf dem Chipmodul aufgebracht sein. Durch entsprechendes Andrücken des Chipmoduls auf dem Substrat wird der Klebstoff aktiviert und gegebenenfalls mittels Wärmeeinwirkung oder UV-Licht Einwirkung ausgehärtet.
Die Fixierung des Chipmoduls auf dem zweiten Substrat kann aber alternativ auch mittels Ultraschalleinwirkung erfolgen. Hierbei erfolgt sozusagen ein "Einreiben" der Chipmoduloberfläche in das Substrat.
Werden weitere Bauelemente in der kontaktlosen Karte benötigt können diese dann entweder auf demselben Substrat aufgebracht werden auf welchem bereits das Chipmodul aufgebracht ist. Es kann aber bei bestimmten Ausführungsformen auch vorteilhaft sein die weiteren Komponenten auf weiteren separaten Substraten aufzubringen.
Um die Gesamtschaltung aufzubauen, werden die einzelnen Substrate lagegenau zusammengeführt und miteinander verpresst. Das Zusammenführen der Substrate muss so erfolgen, dass die Kontaktflächen der Bauteile eins Substrates jeweils deckungsgleich mit den Kontaktflächen der Bauteile des nächsten Substrates zu liegen kommen.
Die elektrische Kontaktierung der Bauelemente kommt zwangläufig mit dem Zusammenführen und Verpressen der Substrate zustande. Hierbei kann entweder ganz ohne zusätzlichen Kontaktierschritt gearbeitet werden oder alternativ nach dem Zusammenführen ein zusätzlicher Kontaktierschritt durchgeführt werden. Es können alle drei der vorher genannten Kontaktierverfahren angewandt werden.
Das Verpressen der Substratlagen wird in der Regel heiß durchgeführt und wird hierbei Laminieren genannt. Hierbei kann sogar eine Verschmelzung der verschiedenen Substratlagen erfolgen so dass sich ein hermetisch dichter Verbund mit innenliegender Elektronik ergibt. Dieser Verbund kann dann bereits als Kartengrundkörper weiterverarbeitet werden.
Dünne Bauteile werden beim Verpressen einfach in den Substratlagen "versenkt" und eingeschmolzen. Beider Verwendung von Dickeren Bauteilen, insbesondere von dicken Chipmodulen können aber alternativ eine weitere Substratlagen in den Aufbau eingebracht werden, wobei diese Substratlage keine eigenen Bauelemente trägt sondern lediglich Aussparungen aufweist. Die Aussparungen sind so angeordnet, dass die erhabenen Bereiche der dicken Bauteile darin zu liegen kommen. Diese sogenannten Ausgleichslagen werden als eigenes Substrat zwischen die anderen Substratlagen eingebaut und weiterverarbeitet.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt. Ein mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Transpondereinheit ist durch den unabhängigen Nebenanspruch definiert.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Elemente unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialverwendung und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der dazugehörigen Zeichnungen, in denen - beispielhaft - ein Verfahren zur vorliegenden Erfindung erläutert wird.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die Draufsicht einer Kontaktlosen Karte und deren innenliegenden Komponenten;
Fig. 2 die Draufsicht der Nutzenanordnung von Kontaktlosen Karten während des Herstellungsprozesses;
Fig. 3 die zwei Substratlagen während der Zusammenführung Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Kontaktlosen Chipkarte. Die Außenkontur 1 der Karte entspricht der Standardkontur für Chipkarten wie beschrieben in ISO Norm 7816. Im Inneren der Karte befindet sich das Chipmodul 2 und die Antenne 3.
In der dargestellten Ausführung ist die Antenne 3 mittels Drahtlegetechnik hergestellt. Hierbei wird ein Drahtleiter entsprechend der Antennenkontur auf ein Substrat aufgebracht. An der Stelle an welcher sich beim Fügen der Substrate die Kontaktflächen von Antenne und Chipmodul zur Deckung kommen ergibt sich die Kontaktstelle 4. Der elektrische Kontakt kann hierbei durch das reine Aneinanderpressen entstehen. Alternativ können oben beschriebene zusätzliche Kontaktiermethoden eingesetzt werden. Die Dicke der dargestellten Karte entspricht in der Regel der Dicke von ISO Karten wie ebenfalls in ISO Norm 7816 beschrieben.
Fig. 2 zeigt die Nutzenanordnung der einzelnen Transponder während der Herstellung von kontaktlosen Karten. Die beschriebenen Substrate werden hier nicht für jede einzelne Karte ausgeführt, sondern in größeren Formaten angeordnet. In der Industrie übliche Nutzenformate sind 3 × 8 oder 6 × 6. Darüber hinaus gibt es sehr viele weitere unterschiedliche Formate.
Die Anordnung der Transponder erfolgt rasterförmig mit konstanten Abständen in Längsrichtung 5 und in Querrichtung 6. Zur Einfachheit der Darstellung ist in Fig. 2 nur ein 3 × 3 Nutzenformat abgebildet. Die Ausführung der einzelnen Transponder 7 auf dem Nutzen ist völlig identisch. Jeder einzelne Transponder besteht hierbei aus einem Chipmodul 8 und einer dazugehörigen Antenne 9. Zur besseren Orientierung der einzelnen Substrate werden häufig Hilfslinien 10 auf die Substrate aufgedruckt um die Montage zu vereinfachen. Diese Hilfslinien Markieren die exakten Zwischenräume zwischen den einzelnen Transponder auf dem Substrat.
Fig. 3 zeigt die einzelnen Substrate vor der Montage in Nutzenanordnung. Substrat 11 trägt die Antennen 12 wobei diese exakt in der definierten Nutzenanordnung und Lage angeordnet sind. Auf dem Antennensubstrat können Hilfslinien 13 aufgebracht sein, welche das Aufeinanderausrichten der beiden Substrate vereinfachen. Die Antennen 12 liegen auf der Unterseite des Substrates, also auf der, dem zweiten Substrat zugewandten Seite. Das zweite Substrat 14 zeigt das Substrat auf welchem die Chipmodule 15 bereits vormontiert sind. Die Chipmodule sind bereits mittels den vorher beschriebenen Verfahren auf dem Substrat fixiert. Die Chipmodule 15 liegen auf der Oberseite, d. h. auf der den Antennen 12 zugewandten Seite des Substrates.
Zur weiteren Verarbeitung werden die beiden Substrate 11 und 14 lagegenau ausgerichtet und aufeinandergepresst.
Fig. 4 zeigt die Ansicht der gefügten Substrate eines Transponders im Querschnitt. Man erkennt das untere Substrat 16 auf welchem das Chipmodul 17 angeordnet ist. Gegenüberliegend das obere Substrat 20, welches auf seiner Unterseite die Antenne 19 trägt. Im Kontaktierbereich 18 überlappen sich die Antenne 19 und die Kontaktflächen 23 des Chipmodules. An dieser Stelle bildet sich die elektrische Verbindung aus.
In dieser Ansicht ist zusätzlich ein Ausgleichssubstrat 21 dargestellt. Dieses Substrat trägt keine Bauelemente, sondern beinhaltet nur eine Öffnung 22, in welcher nach dem Montagevorgang das Chipmodul 17 zu liegen kommt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Transponders, insbesondere einer kontaktlosen Chipkarte (1), mit
zumindest einem elektronischen Bauteil (Chipmodul 2, 15) und
zumindest einer Antenne (3, 12),
wobei das zumindest eine elektronische Bauteil (2, 15) auf einem als Bauteileträger dienenden, nichtleitenden Substrat (11, 14) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
auch die zumindest eine Antenne auf einem nichtleitenden Sustrat (11, 14) angeordnet ist, wobei das zumindest eine elektronischen Bauteil (2, 15) auf einem ersten Substrat und die Antenne (3, 12) auf einem zweiten (11, 14) aufgebracht wird und danach durch das lagerichtige Zusammenführen der einzelnen Substrate (11, 14) die gesamte Schaltung (1) hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kontaktlose Chipkarte aus mehreren elektronischen Bauteilen und mehreren Antennen besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3, 12) mittels Ätztechnik oder Drucktechnik auf einem der Substrate (14) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3, 12) mittels Drahtlegetechnik auf dem zweiten Substrat (14) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung (4) der Bauelemente (2, 15; 3, 12) nach dem Zusammenführen der verschiedenen Substrate (11, 14) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung (4) mittels Hilfsstoffen wie Lot oder Klebstoff erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung (4) ohne Hilfsstoffe mittels Mikroschweißen erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtleitenden Substrate (11, 14) nach dem Zusammenfügen einen Grundkartenkörper ausbilden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Substrat (14) zumindest eine Aussparung zur Aufnahme der Bauelemente (2, 15) des anderen Substrats (11) vorgesehen ist.
10. Transpondereinheit, insbesondere Chipkarte (1) oder dergleichen, mit
zumindest einem elektronischen Bauteil (Chipmodul 2, 15) und
einer Antenne (3, 12),
wobei das zumindest eine elektronische Bauteil (2, 15) auf einem als Bauteileträger dienenden, nichtleitenden Substrat (11, 14) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
auch die zumindest eine Antenne auf einem nichtleitenden Sustrat (11, 14) angeordnet ist, wobei das zumindest eine elektronischen Bauteil (2, 15) auf einem ersten Substrat und die Antenne (3, 12) auf einem zweiten (11, 14) aufgebracht wird und danach durch das lagerichtige Zusammenführen der einzelnen Substrate (11, 14) die Transpondereinheit (1) hergestellt wird.
11. Transpondereinheit nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch weitere Decklagen, die nach dem Zusammenfügen der Substratlagen (11, 14) auf der Ober- bzw. Unterseite aufgebracht werden.
12. Transpondereinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese in ein weiteres Gehäuse integriert ist.
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