DE10156803A1 - Verfahren, System und Werkzeug zur Herstellung eines elektronischen Datenträgers mit integrierter Spule - Google Patents

Verfahren, System und Werkzeug zur Herstellung eines elektronischen Datenträgers mit integrierter Spule

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Abstract

Ein Verfahren und System zur Inline-Fertigung von elektronischen Datenträgern mit integrierter Antennenspule sieht einen Werkstückträger vor, auf den die Antennenspule plaziert wird. Der Werkstückträger bildet einen entnehmbaren und wiederverwendbaren Bestandteil eines Spritzgieß- oder Schmelzgießwerkzeugs zum Umgießen der Spule und gegebenenfalls weiterer elektronischer Bauelemente mit Kunststoff im endgültigen Datenträgerformat.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Datenträgers mit integrierter Spule für den kontaktlosen Daten- und/oder Energietransfer zwischen dem Datenträger und einer separaten Datenverarbeitungseinrichtung sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens und ein Spritzgieß- oder Schmelzgießwerkzeug zur Verwendung in dem System.
  • Elektronische Datenträger mit integrierter Antennenspule für den kontaktlosen Daten- und/oder Energietransfer, insbesondere sogenannte kontaktlose Chipkarten wie Ausweiskarten, Kreditkarten, Scheckkarten und dergleichen, werden im wesentlichen in der Laminiertechnik hergestellt, indem die Antennenspule gegebenenfalls mit weiteren elektronischen Bauteilen zwischen zwei Schichten des Laminats und/oder in Aussparungen innerhalb des Laminats eingelagert werden. Eine Alternative zur Laminiertechnik ist die Herstellung solcher Datenträger im Kunststoffspritzgießverfahren, welches aber der Laminiertechnik bisher wirtschaftlich unterlegen ist.
  • Bei der Herstellung elektronischer Datenträger im Kunststoffspritzgießverfahren wird die Spule als Einlegeteil vorgefertigt, welches bisweilen auch als "Inlett" bezeichnet wird, und mittels spezieller Handhabungsvorrichtungen in die Spritzgießform eingelegt. Problematisch dabei ist die exakte Positionierung und auch die Fixierung des Inletts innerhalb der Spritzgießform. Diese Problematik beginnt schon beim Ergreifen und Entnehmen des Inletts aus einem Zwischenspeicher mittels dem Handhabungssystem. Ein unkorrekt positioniertes Inlett führt zu ungleichmäßigen Wanddickenprofilen des fertigen Datenträgers, was grundsätzlich unerwünscht ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein positionsgenaues Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Datenträgers mit integrierter Antennenspule sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens und Werkzeuge dafür zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, ein System und ein Spritzgieß- oder Schmelzgießwerkzeug mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Demnach wird die Spule auf einen Werkstückträger plaziert, der gleichzeitig einen Teil des Spritzgießwerkzeugs bildet, mit welchem der Datenträger im Kunststoffspritzgießverfahren erzeugt wird. Anstelle eines Spritzgießwerkzeugs kann der Werkstückträger auch Teil eines Schmelzgießwerkzeugs sein, wobei der Unterschied zwischen Spritzgießen und Schmelzgießen lediglich darin besteht, dass das Schmelzgießverfahren mit wesentlich niedrigeren Verfahrensdrücken arbeitet als das Spritzgießverfahren.
  • Durch die vorgenannte Maßnahme entfällt die Problematik des exakten Positionierens der Spule in der Spritzgießform. Denn die einmal exakt auf dem Werkstückträger positionierte Spule bleibt an Ort und Stelle und wird zusammen mit dem Werkstückträger in die Spritzgießmaschine eingesetzt, wo der Werkstückträger einen Teil des Spritzgießwerkzeugs, d. h. der Spritzgießform, bildet.
  • Die Spule kann in üblicher Weise vorgefertigt sein und einem Zwischenspeicher entnommen und auf den Werkstückträger überführt werden. Zur Vermeidung der vorerwähnten Entnahmeproblematik sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Spule nicht vorgefertigt ist, sondern "inline", d. h. während der Datenträgerfertigung, unmittelbar vor oder bei dem Schritt des Plazierens der Spule auf den Werkstückträger erzeugt wird. Gemäß einer Ausführungsform dieser Weiterbildung wird die Spule auf einem Keil gewickelt und von diesem Keil unmittelbar auf den Werkstückträger abgestreift. Gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Weiterbildung wird die Spule durch spulenförmiges Ablegen einer Leiterbahn unmittelbar auf dem Werkstückträger erzeugt.
  • Vorzugsweise liegt auf dem Werkstückträger ein einen Bestandteil des zu fertigenden Datenträgers bildendes Substrat vor, auf welches die Spule unmittelbar plaziert wird, obwohl die Erfindung auch anwendbar ist, wenn die Spule unmittelbar auf einer Oberfläche des Werkstückträgers so abgelegt wird, dass sie auf der Werkstückträgeroberfläche haftet, beispielsweise unter Verwendung eines Haftvermittlers. Der Einsatz eines Substrats ist aber von Vorteil, insbesondere wenn es sich um ein Kunststoffsubstrat handelt. Dieses kann zumindest in Teilbereichen auf eine geeignete Temperatur, insbesondere bis zur Erweichungstemperatur, erwärmt werden, so dass das Spulenmaterial fest an dem Kunststoff haftet. Durch diese Art der Fixierung wird die weitere Handhabung wesentlich erleichtert. Die Erwärmung des Substratmaterials kann beispielsweise durch Erwärmung des Werkstückträgers und/oder durch Erwärmung der Spule erreicht werden. Vorzugsweise wird das Substrat als Kunststoffteil unmittelbar in oder auf dem Werkstückträger erzeugt, z. B. im Spritzgieß- oder Schmelzgießverfahren, so dass die Datenträgerfertigung auch insoweit "inline" erfolgt.
  • Das Substrat selbst weist vorzugsweise die endgültigen Abmessungen des zu fertigenden Datenträgers hinsichtlich Länge und Breite auf, beispielsweise nach DIN/ISO-Norm, so dass das Substrat eine vollständige Schicht des Datenträgers bildet, gegebenenfalls sogar eine Außenschicht. Das Substrat kann auch als Halbschale vorliegen, in die die Spule eingelegt oder eingeklemmt wird.
  • Weitere Bearbeitungsstationen können der Spulenapplikation nachgeschaltet sein, bevor die auf dem Werkstückträger plazierte Spule mit Kunststoff umspritzt wird. Beispielsweise kann die Spule mit weiteren elektronischen Bauteilen kontaktiert werden. Insbesondere kann ein Chip implementiert werden, der beim Umgießen der Spule mit umgossen wird.
  • Nach dem Umgießen der Spule und etwaiger weiterer Bestandteile in einer Spritz- oder Schmelzgießmaschine wird das resultierende Kunststoffteil vom Werkstückträger entfernt und gegebenenfalls mit weiteren Abdeckschichten laminiert, mit Sicherheitselementen ausgestattet und/oder bedruckt. Der Werkstückträger kehrt dann an die Ausgangsstation des Fertigungsprozesses zurück, um erneut mit Spulen bestückt zu werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen beispielhaft erläutert. Darin zeigen:
  • Fig. 1 den Verfahrensablauf und die verschiedenen Stationen zur Herstellung eines Datenträgers mit integrierter Antennenspule gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • Fig. 2 einzelne Schritte aus dem Verfahren gemäß Fig. 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • Fig. 3 das Umgießen der Spule im Spritzgießverfahren, und
  • Fig. 4 das Umgießen der Spule im Schmelzgießverfahren.
  • Fig. 1 zeigt die einzelnen Schritte und Stationen zur Herstellung eines elektronischen Datenträgers 1 mit integrierter Antennenspule 2 auf einem Werkstückträger 3 mit vier Nutzen, wobei jeder Nutzen die Breiten- und Längenabmessungen einer genormten Chipkarte besitzt. In einer ersten Spritzgießstation bzw. "Substratstation" 10 werden auf dem Werkstückträger 3 in vier nicht dargestellten Kavitäten jeweils ein Kunststoffsubstrat 4 hergestellt. Der Werkstückträger 3 bildet dabei einen Bestandteil des Spritzgießwerkzeugs der Spritzgießstation 10. Das Substrat 4 hat in dem dargestellten Ausführungsbeispiel halbschalenförmige Gestalt mit U- förmigem Querschnitt, wie der im Querschnitt dargestellten fertigen Chipkarte 1 in Fig. 1 entnommen werden kann.
  • Der Werkstückträger 3 wird dann von der ersten Spritzgießstation 10 in eine Spulenplazierungsstation 20 überführt. Dort wird auf jedes Kunststoffsubstrat eine Spule 2 plaziert bzw. im vorliegenden Ausführungsbeispiel in das halbschalenförmige Substrat 4 eingelegt.
  • Der vorhergehende Schritt des zur Verfügungstellens eines Substrats 4 in der Substratsstation 10 kann im übrigen auch entfallen und die Spule 2 unmittelbar auf eine Oberfläche des Werkstückträgers 3 plaziert werden, sofern ein nachfolgendes Verrutschen der Spule 2 nicht zu befürchten ist, beispielsweise durch Verwendung eines geeigneten Haftvermittlers. Darüber hinaus braucht das Kunststoffsubstrat 4 auch nicht "inline" in der ersten Spritzgießstation 10 gefertigt zu werden, sondern kann als vorgefertigtes Halbzeug dem Fertigungsprozess zugeführt werden.
  • In der Spulenplazierungsstation wird die Spule 2 auf dem Substrat 4 fixiert, indem sie zwischen die Schenkel der U-förmigen Vertiefung des halbschalenförmigen Substrats 4 eingeklemmt wird. Alternativ oder zusätzlich können der Werkstückträger 3 und/oder die Spule 2 auf eine Temperatur erwärmt sein, die eine Erwärmung des Kunststoffsubstrats 4 bis zur Plastifizierung bewirkt, so dass die Spule 2 einen Haftverbund mit dem Substrat 4 eingeht. Das Kunststoffsubstrat 4 braucht in diesem Falle auch keine schalenförmige Gestalt zu besitzen.
  • In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird die Spule 2 auf einen Keil 21 gewickelt von dem Keil 21 abgestreift und als plane Spule auf das Substrat 4 plaziert.
  • Der Werkstückträger 3 wird anschließend weiteren Bearbeitungsstationen 30, 31 zugeführt, um beispielsweise weitere elektronische Bauteile 5 zu implantieren und/oder die Spule 2 mit anderen elektronischen Bauteilen zu kontaktieren, die möglicherweise auch schon vor der Plazierung der Spule in dem Substrat 4 implantiert waren. In Fig. 1 ist die erste der weiteren Bearbeitungsstationen 30 eine Station zum Implantieren eines Chips oder Chipmoduls 5. In der anderen Bearbeitungsstation 31 kann beispielsweise eine Lötverbindung zwischen dem Chipmodul 5 und der Spule 2 hergestellt werden.
  • Im Anschluss an die Implantierung der elektronischen Bauteile wird der Werkstückträger 3 in eine zweite Spritzgießstation 40 überführt, in der eine obere Schale 6 auf das Substrat 4 so angespritzt wird, dass die elektronischen Bauelemente, insbesondere die Spule 2, vollständig von Kunststoff umflossen werden. Dabei verbindet sich das Kunststoffmaterial der oberen Schale 6 fest mit dem Material des Substrats 4. Das Spritzgußprodukt wird dann aus dem Spritzgießwerkzeug entformt, und der leere Werkstückträger 3 wird an den Beginn der Fertigungskette zur erneuten Verwendung zurückgebracht. Das entformte Spritzgußprodukt kann bereits die Endmaße des zu fertigenden Datenträgers aufweisen, im Falle einer Chipkarte insbesondere also auch die Dicke nach DIN/ISO besitzen. In weiteren Bearbeitungsschritten kann die Oberfläche des Spritzgußprodukts weiter veredelt werden, beispielsweise bedruckt werden oder mit Sicherheitselementen ausgestattet werden. Die Weiterbearbeitung des Spritzgußprodukts nach der Entnahme des Werkstückträgers 3 aus der Spritzgießstation 40 kann auch auf dem Werkstückträger 3 erfolgen, soweit dies möglich ist.
  • Fig. 2 zeigt Alternativen zur Spulenplazierungsstation 20 und zu den weiteren Bearbeitungsstationen. In diesem Falle werden die Spulen 2 unmittelbar auf den Werkstückträger 3 oder einem auf dem Werkstückträger 3 plazierten Substrat 4 durch spulenförmiges Abwickeln einer Leiterbahn von einer Vorratsrolle 7 erzeugt. Die vier Nutzen werden getaktet je für sich mit einer Spule 2 versehen.
  • Die Bearbeitungsstation 30 zur Implantierung der Chips 5 ist hier zweistufig ausgebildet, d. h., es werden jeweils zwei Chips 5 gleichzeitig implantiert. Daran schließen sich dann weitere Bearbeitungsstationen 31, 32 an. Der Werkstückträger 3 wird nach Fertigstellung des Kunststoffspritzgußteils wieder zur Ausgangsstation der Fertigungskette verbracht.
  • In den Fig. 3 und 4 sind die wesentlichen Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens für zwei Ausführungsbeispiele dargestellt, wobei das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 das Umgießen der Spule 2 im Spritzgießverfahren und die Fig. 4 das Umgießen der Spule 2 im Schmelzgießverfahren zeigen.
  • Gemäß Fig. 3 wird zunächst ein halbschalenförmiges Kunststoffsubstrat 4 in einer Kavität des Werkstückträgers 3 im Spritzgießverfahren hergestellt. Anschließend wird die Spule 2 in das Kunststoffsubstrat 4 eingesetzt, und schließlich wird derselbe Werkstückträger 3 als Bestandteil eines Spritzgießwerkzeugs in einer weiteren Spritzgießmaschine dazu verwendet, die obere Schale 6 anzuspritzen.
  • Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird das Substrat 4 als Fertigteil in eine Kavität des Werkstückträgers 3 eingelegt. Anschließend wird die Spule 2 in das halbschalenförmige Substrat 4 eingesetzt. Im nächsten Schritt werden die Hohlräume 8, die in dem halbschalenförmigen Substrat 4 nach Einsetzen der Spule 2 verblieben sind, im Schmelzgießverfahren mit Kunststoff aufgefüllt. Schließlich wird der Werkstückträger 3 der Schmelzgießmaschine entnommen und eine obere Abdeckfolie 9 aufgeklebt oder unter Druck- und Temperatureinwirkung auflaminiert, um eine verzugsfreie, glatte äußere Oberfläche des Produkts zu erzielen.
  • Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Endprodukte können dem Werkstückträger 3 als fertiger Datenträger entnommen werden.
  • Für den nicht dargestellten Fall, dass die Spule 2 nicht auf ein Substrat 4, sondern unmittelbar auf eine Oberfläche des Werkstückträgers 3 plaziert und anschließend mit Kunststoff im Spritzgießverfahren entsprechend Fig.3 oder im Schmelzgießverfahren entsprechend Fig. 4 umgossen wird, wird das dem Werkstückträger 3 entnommene Halbzeug mit einer Abdeckfolie entsprechend der Abdeckfolie 9 nach Fig. 4 auf der Unterseite des Herstellungsgegenstands, d. h. auf der dem Werkstückträger 3 zugewandten Seite versehen.

Claims (27)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Datenträgers (1) mit integrierter Spule (2) für den kontaktlosen Daten- und/oder Energietransfer zwischen dem Datenträger (1) und einer separaten Datenverarbeitungseinrichtung, umfassend die Schritte:
- Plazieren der Spule (2) auf einen Werkstückträger (3),
- Plazieren des Werkstückträgers (3) in ein Kunststoffspritzgieß- oder Schmelzgießwerkzeug (40),
- Umgießen der Spule (2) mit Kunststoff und
- Entfernen des Werkstückträgers (3) aus dem Werkzeug (40) und der mit Kunststoff umgossenen Spule (2) von dem Werkstückträger (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Schritt des Umgießens der Spule (2) die Ebene, in der die Spule (2) plaziert ist, mit Kunststoff aufgefüllt wird, und wobei die darüber liegende Ebene mit einer separaten Deckschicht (9) abgedeckt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Schritt des Umgießens der Spule (2) die Ebene, in der die Spule (2) plaziert ist und die darüber liegende Ebene mit Kunststoff aufgefüllt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei beim Schritt des Plazierens der Spule (2) auf dem Werkstückträger (3) die Spule (2) auf ein Substrat (4) plaziert wird, welches sich beim Schritt des Umgießens der Spule (2) fest mit dem Kunststoff verbindet, mit dem die Spule (2) umgossen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Substrat (4) auf dem Werkstückträger (3) im Schmelzgieß- oder Spritzgießverfahren vorgefertigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Substrat (4) ein Kunststoffsubstrat ist und wobei zumindest ein Teil des Substrats (4) vor dem oder beim Schritt des Plazierens der Spule (2) auf den Werkstückträger (3) auf eine Temperatur gebracht wird, bei dem das Kunststoffsubstrat zumindest so weit erweicht, dass die Spule auf dem Substrat haftet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erweichen des Substrats (4) durch eine Temperierung der Spule (2) erreicht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Erweichen des Substrats (2) durch eine Temperierung des Werkstückträgers (3) erreicht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei beim Schritt des Plazierens der Spule (2) auf den Werkstückträger (3) die Spule (2) unmittelbar auf eine Oberfläche des Werkstückträgers (3) plaziert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei nach dem Schritt des Entfernens der mit Kunststoff umgossenen Spule (2) von dem Werkstückträger (3) die werkstückträgerseitige Oberfläche der mit Kunststoff umgossenen Spule (2) mit einer separaten Deckschicht abgedeckt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Werkstückträger (3) mehrere Aufnahmebereiche für die Plazierung jeweils einer Spule (2) besitzt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Spule (2) unmittelbar vor oder beim Schritt des Plazierens der Spule (2) auf den Werkstückträger (3) erzeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Plazierens der Spule (2) auf den Werkstückträger (3) durch Ablegen einer auf einem Keil (21) gewickelten Spule unmittelbar vom Keil (21) auf den Werkstückträger (3) erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Plazierens der Spule (2) auf den Werkstückträger (3) durch spulenförmiges Ablegen einer Leiterbahn auf den Werkstückträger (3) erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei nach dem Schritt des Plazierens der Spule (2) auf den Werkstückträger (3) und vor dem Schritt des Umgießens der Spule (2) mit Kunststoff mindestens ein elektronisches Bauelement (5) mit der Spule (2) kontaktiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das elektronische Bauelement (5) ein Chip oder Chipmodul ist, welches elektrisch leitend mit der Spule (2) verbunden wird.
17. System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend eine Spulenplazierungsstation (20), in der mindestens eine Spule (2) auf einen Werkstückträger (3) plaziert wird, und eine Kunststoffspritzgieß- oder Schmelzgießstation (40), in die der Werkstückträger (3) mit der darauf plazierten Spule (2) als entnehmbarer Bestandteil eines Spritzgieß- bzw. Schmelzgießwerkzeugs einsetzbar ist.
18. System nach Anspruch 17, wobei der Werkstückträger (3) ein oder mehrere Aufnahmebereiche mit den Breiten- und Längenabmessungen des fertigen Datenträgers besitzt.
19. System nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Spulenplazierungsstation (20) eine Substratstation (10) vorgeschaltet ist, in der ein Substrat (4) auf dem Werkstückträger (3) plaziert wird, auf welches dann in der Spulenplazierungsstation (20) die Spule (2) plaziert wird.
20. System nach Anspruch 19, wobei die Substratsstation (10) eine Spritzgieß- oder Schmelzgießmaschine zum Erzeugen des Substrats (4) auf dem Werkstückträger (3) umfasst.
21. System nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Spulenplazierungsstation (20) eine Spulenwickeleinrichtung (21) umfasst.
22. System nach Anspruch 21, wobei die Spulenwickeleinrichtung (21) einen Teil umfasst, auf dem die Spule (2) gewickelt wird und von dem die gewickelte Spule (2) auf den Werkstückträger (3) abgelegt wird.
23. System nach Anspruch 21, wobei die Spulenwickelstation (20) eine Einrichtung zum spulenförmigen Ablegen einer Leiterbahn auf den Werkstückträger (3) umfasst.
24. System nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei zwischen der Spulenplazierungsstation (20) und der Spritzgieß- oder Schmelzgießstation (40) mindestens eine weitere Bearbeitungsstation (30, 31, 32) zum Kontaktieren eines elektronischen Bauelements (5) mit der Spule (2) vorhanden ist.
25. System nach Anspruch 24, wobei die Bearbeitungsstation (30) eine Station zum Implantieren eines Chips oder Chipmoduls (5) ist.
26. Spritzgieß- oder Schmelzgießwerkzeug zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder zur Verwendung in einem System nach einem der Ansprüche 17 bis 25, umfassend einen Werkstückträger (3) mit einem oder mehreren Aufnahmebereichen mit den Breiten- und Längenabmessungen eines herzustellenden elektronischen Datenträgers, wobei der Werkstückträger (3) als entnehmbarer Bestandteil des Spritzgieß- oder Schmelzgießwerkzeugs ausgebildet ist, wenn das Werkzeug in einer Spritzgieß- oder Schmelzgießmaschine montiert ist.
27. Werkzeug nach Anspruch 26, wobei die Breiten- und Längenabmessungen der Aufnahmebereiche des Werkstückträgers (3) der Norm DIN/ISO. . . für Chipkarten entspricht.
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