DE102010028444A1

DE102010028444A1 - Dokument mit einem Chip und Verfahren zur Herstellung eines Dokuments

Info

Publication number: DE102010028444A1
Application number: DE102010028444A
Authority: DE
Inventors: Oliver Muth; Denis Holinski; Olaf Dressel; Alexander Ferber; Joachim Kloeser
Original assignee: Bundesdruckerei GmbH
Current assignee: Bundesdruckerei GmbH
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2030-05-01
Also published as: DE102010028444B4; WO2011134712A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dokument mit einem Chip (110) und einer Antenne (102) zur induktiven Einkopplung von Energie, wobei die Antenne eine äußere Windung (104), zumindest eine mittlere Windung (108) und eine innere Windung (106) aufweist, wobei die mittlere Windung zwischen der äußeren und der inneren Windung angeordnet ist, wobei die mittlere Windung in einem Überbrückungsbereich (128) der Antenne den Chip überbrückt, wobei die innere und die äußere Windung den Chip elektrisch kontaktieren

Description

Die Erfindung betrifft ein Dokument mit einem Chip und einer Antenne sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Dokuments.
Aus dem Stand der Technik sind Chipkarten mit integrierter Antenne an sich bekannt. Bei der Antenne kann es sich z. B. um eine gewickelte Antenne handeln, die in den Kartenkörper der Chipkarte integriert ist, eine geätzte Antenne oder eine gedruckte Antenne.
Eine Chipkarte mit einer gedruckten Antenne ist beispielsweise aus WO 2008/014993 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Dokument mit einem Chip und einer Antenne sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Dokuments zu schaffen.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Nach Ausführungsformen der Erfindung wird ein Dokument mit einem Chip und einer Antenne zur induktiven Einkopplung von Energie geschaffen, wobei die Antenne eine äußere Windung, zumindest eine mittlere Windung und eine innere Windung aufweist, wobei die mittlere Windung zwischen der äußeren und der inneren Windung angeordnet ist, wobei die mittlere Windung in einem Überbrückungsbereich den Chip überbrückt, wobei die innere und die äußere Windung den Chip elektrisch kontaktieren. Anders betrachtet überbrückt der Chip die mittleren Windungen.
Unter einem „Chip” wird hier insbesondere ein Halberleiterchip mit einer integrierten elektronischen Schaltung verstanden. Bei dem Chip kann es sich um einen Speicherchip zur Speicherung von Daten und/oder einem Controller zur Kommunikation mit einem externen Lesegerät handeln. Die Einkopplung der Energie zur Energieversorgung des Chips erfolgt über die Antenne. Die Kommunikation mit dem externen Lesegerät kann beispielsweise nach einem RFID- oder NFC-Verfahren über dieselbe Antenne erfolgen. Unter einem Chip wird erfindungsgemäß auch eine integrierte elektronische Schaltung verstanden, die ganz oder teilweise drucktechnisch aufgebracht ist, wie z. B. mittels leitfähiger Tinte, insbesondere eine polymerelektronische Schaltung.
Nach Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem Chip um eine gedünnte integrierte Schaltung. Unter einer gedünnten integrierten Schaltung wird eine integrierte Schaltung verstanden, welche eine Dicke von höchstens 200 μm, bevorzugt von höchstens 100 μm, weiter bevorzugt von höchstens 80 μm, weiter bevorzugt von höchstens 60 μm, weiter bevorzugt von höchstens 50 μm, weiter bevorzugt von höchstens 30 μm und am meisten bevorzugt von höchstens 10 μm aufweist.
Nach Ausführungsformen der Erfindung ist die integrierte Schaltung ungehaust. Dadurch wird eine besonders kompakte Anordnung in dem Laminat des Dokuments erreicht, sodass das Wert- oder Sicherheitsdokument eine besonders geringe Bauhöhe aufweisen kann. Ferner ist dadurch eine gute Einbindung des integrierten Schaltkreises in das Dokument möglich, sodass dieser ein integraler Bestandteil des Dokuments ist. Ein weiterer Vorteil ist die Flexibilität der integrierten Schaltung.
Unter einem „Dokument” wird hier jedes Dokument verstanden, welches einen Chip, d. h. eine integrierte elektronische Schaltung, beinhaltet, wobei das Dokument zum Beispiel Kunststoff- und/oder Papier-basiert sein kann. Bei dem Dokument kann es sich um ein Wert- oder Sicherheitsdokument, wie zum Beispiel um ein ID-Dokument, d. h. ein Ausweisdokument, wie zum Beispiel einen Personalausweis, Reisepass, Führerschein, Fahrzeugbrief, Fahrzeugschein oder Firmenausweis, oder ein Zahlungsmittel, wie zum Beispiel eine Banknote, eine Kreditkarte oder einen sonstigen Berechtigungsnachweis, wie zum Beispiel eine Eintrittskarte, einen Frachtbrief, ein Visum oder dergleichen, handeln. Insbesondere kann es sich beim Dokument um eine Chipkarte handeln. Unter einem Dokument wird hier auch ein Dokument verstanden, welches buchartig ausgebildet ist, wie dies zum Beispiel bei einem Reisepass der Fall ist. Unter einem Dokument wird auch ein sogenanntes Funketikett verstanden, welches auch als RFID-Tag oder RFID-Label bezeichnet wird.
Ausführungsformen der Erfindung sind besonders vorteilhaft, da eine besonders kostengünstige Möglichkeit zur Kontaktierung des Chips mit der Antenne geschaffen wird, welche außerdem die für die Anordnung der Antenne und des Chips auf dem Substrat erforderliche Fläche minimiert.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Dokument so ausgebildet, dass-die Windungen der Antenne nebeneinander in derselben Schaltungsebene liegen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die Windungen der Antenne in einer einzigen Schaltungsebene angeordnet. Diese Schaltungsebene liegt außerhalb der Schaltungsebenen des Chips, beispielsweise in der durch das Substrat gegebenen Ebene. Beispielsweise sind die Windungen der Antenne in einer einzigen Schaltungsebene aufgedruckt; mit den Windungen der Antenne kann eine elektronische Komponente dieser Schaltungsebene verbunden werden, die ihrerseits mehrere Schaltungsebenen haben kann, wie das typischerweise bei einem Chip der Fall ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass sich die Windungen in einem einzigen Druckvorgang auf das Substrat aufdrucken lassen. Das Aufdrucken kann durch verschiedene einschlägig bekannte Drucktechniken des Durch-, Tief-, Hoch- und Flachdrucks sowie des Digitaldrucks erfolgen, wie zum Beispiel durch Siebdruck, Inkjet-Printing- oder Transfer-Printing-Prozesse.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Antenne spulenförmig ausgebildet und in einem Randbereich des Dokuments angeordnet. Die Windungen der Antenne sind dabei umlaufend entlang des Randes des Dokuments in der durch das Substrat gegebenen Ebene angeordnet, d. h. die einzelnen Windungen sind nebeneinander in derselben Schaltungsebene angeordnet.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Antenne aus einer aufgedruckten Paste, die leitfähige Partikel beinhaltet, insbesondere Silberleitpaste, oder einem anderen leitfähigen Material, wie zum Beispiel einem leitfähigen Polymer. Weitere einschlägig bekannte Materialien sind für den Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Substrat um einen Kunststoff, beispielsweise Polycarbonat (PC), insbesondere Bisphenol-A-Polycarbonat, Polyethylenterephthalat (PET), deren Derivaten wie Glykol-modifiziertem PET (PETG), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylbutyral (PVB), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyvinylalkohol (PVA), Polystyrol (PS), Polyvinylphenol (PVP), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), thermoplatischen Elastomeren (TPE), insbesondere thermoplastischem Polyurethan (TPU), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), und/oder Papier sowie deren Derivate. Ferner kann das Dokument auch aus einer Kombination von mehreren dieser Materialien bestehen. Bevorzugt besteht das Wert- oder Sicherheitsdokument aus PC oder PC/TPU/PC. Bevorzugt wird das Wert- oder Sicherheitsdokument aus 3 bis 12, besonders bevorzugt 4 bis 10 Folien, hergestellt.
Das Dokument kann beispielsweise aus diesen Materialen mittels Lamination hergestellt werden. Typischerweise erfolgt die Lamination von PC in einer Heißpresse bei 170°C bis 200°C und einem Druck von 50–600 N/cm² sowie in einer Kühleresse bei einem Druck von 50–800 N/cm².
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Antenne durch Siebdruck einer Silberleitpaste auf das Substrat und anschließende Trocknung der Silberleitpaste hergestellt. Beispielsweise erfolgt dies durch eine Heißlufttrocknung. Das Aufdrucken der Antenne kann beispielsweise durch Bogendruck oder durch Rolle-Rolle-Druck erfolgen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke der aufgedruckten Paste zwischen 10 μm und 30 μm, vorzugsweise ca. 20 μm. Die damit aufgedruckten dünnsten Strukturen haben eine Abmessung von 100 mm bis 300 μm, insbesondere ca. 200 μm.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung haben die innere und die äußere Windung des Dokuments je ein Kontaktierungselement (124, 126), um den Chip elektrisch zu kontaktieren, wobei der Überbrückungsbereich zwischen den Enden der Kontaktierungselemente, an denen die elektrischen Kontakte gebildet werden, liegt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung haben die innere und die äußere Windung je ein Kontaktierungselement, welches zur elektrischen Kontaktierung mit dem Chip dient. Vorzugsweise liegen die Kontaktierungselemente in derselben Schaltungsebene wie die Windungen der Antenne, sodass die Kontaktierungselemente zusammen mit den Windungen in einem Arbeitsgang auf das Substrat aufgedruckt werden können. Die Kontaktierungselemente können aus dem selben Material wie die Windungen der Antenne bestehen. Beispielsweise sind die Kontaktierungselemente als Leiterbahnen ausgebildet, die fingerförmig an den Enden der inneren und äußeren Windungen angeordnet sind. An den Enden der Kontaktierungselemente erfolgt die elektrische Kontaktierung des Chips. Der Überbrückungsbereich der mittleren Windungen liegt dann zwischen den Enden der Kontaktierungselemente, d. h. die mittleren Windungen überbrücken den Chip zwischen den Enden der Kontaktierungselemente.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Chip um ein Surface Mount Device (SMD) oder ein Bare Die, wobei die Kontaktierungselemente je eine Kontaktstelle zur Kontaktierung des Chips aufweisen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Chip um ein gehäustes Bauelement, wie z. B. ein Surface Mount Device (SMD), oder um einen sogenannten Flip-Chip. Bevorzugt werden „ungehäuste” Bare Die als Flip Chip Bauteile verarbeiten. Man kann aber auch Wafer Level CSP (WL-CSP, Chip Size Package) oder klassische CSP als Alternative zu den Flip Chips verwenden.
Unter einem „Flip-Chip” wird hier insbesondere ein Chip verstanden, der mit den Kontaktstellen nach unten kontaktiert wird; unter einem „Bare Die” wird hier insbesondere ein ungehauster Chip verstanden; unter einem „Chip Size Package” (CSP) wird hier ein gehauster Chip verstanden, wobei das Gehäuse nicht wesentlich größer als der Chip selbst ist; unter „wafer level CSP” werden hier insbesondere Techniken verstanden, durch die Kontaktierungs- und Schutzmaßnahmen für einen Chip angewendet werden, solange sich dieser noch auf dem Wafer befindet.
Weiterhin ist der Chip in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch Flip-Chip-Klebetechnik in das Wert- oder Sicherheitsdokument eingebracht und mit der Antenne verbunden. Beispielsweise wird der integrierte Schaltkreis über einen anisotrop leitfähigen Kleber mit der Antenne elektrisch und mechanisch verbunden. Unter einem anisotrop leitfähigen Kleber wird hier ein Kleber verstanden, dessen elektrische Leitfähigkeit eine Vorzugsrichtung aufweist.
Der anisotrop leitfähigen Kleber (Anisotropic Conductive Adhesive – ACA) kann als Paste (Anisotropic Conductive Paste – ACP) oder als Film (Anisotropic Conductive Film – ACF) aufgebracht werden. Es kann aber auch ein nicht leitender Kleber (NCF) oder kein Kleber eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Beaufschlagung der bumps mit Druck bei erhöhter Temperatur kombiniert mit Klebebunden mit einem ACA oder ACF für das Bonding des Flip Chips herausgestellt. Beispielsweise kann der anisotrop leitfähigen Kleber so ausgebildet sein, dass er in etwa gleichmäßig räumlich verteilte elektrisch leitfähige Partikel enthält. Durch die Aufbringung von Druck auf die Klebefläche entsteht die Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Chip um einen Flip-Chip, der mittels eines kollabierten Lots, insbesondere eines kollabierten Lots, mit den Kontaktierungselementen elektrisch kontaktiert ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der Chip je eine Kontaktstelle zur Kontaktierung der inneren bzw. der äußeren Windung. Für diese Kontaktierung können an sich bekannte Bondingtechniken eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft erfolgt die Kontaktierung durch ein Lot, d. h. beispielsweise einen sogenannten solder bump, insbesondere ein kollabiertes Lot, wie z. B. einen kollabierten Solder Bump.
Unter einem „Bump” wird hier insbesondere eine Kontaktstelle einer elektronischen Komponente, insbesondere eines Chip, verstanden. Diese kann zum Beispiels mittels eines ACF elektrisch kontaktiert werden und/oder durch Erwärmung des Lot, so dass eine Lötstelle entsteht. Bei der Erwärmung des Lots kann dies plastisch verformbar werden, an seiner Oberfläche schmelzen oder vollständig schmelzen, je nach Bonding Verfahren und der Temperatur, auf die die Kontakstelle aufgeheizt wird. Insbesondere im letzteren Fall spricht man auch von einem „Solder Bump”. Unter einem „kollabiertem Lot” wird hier insbesondere ein Solder Bump verstanden, der beim Bonding plastisch verformt, an seiner Oberfläche angeschmolzen oder vollständig geschmolzen ist.
Insbesondere kann die elektrische Kontaktierung zwischen den Kontaktierungselementen der Antenne und den Kontaktstellen des Chips jeweils durch kollabiertes Lot, insbesondere eine Controlled Collapse Chip Connection (C4), hergestellt wer den, d. h. durch kollabierte Solder Bumps. Beim Einsatz von C4 Bumps ist die Verwendung eines NCA vorteilhaft, der dann z. B. die Funktion eines Underfillers übernimmt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kontaktierung sowohl durch einen anisotrop leitfähigen Kleber als auch durch ein kollabiertes Lot, welches von dem anisotrop leitfähigen Kleber umgeben ist. Durch die Kombination dieser Kontaktierungstechniken resultiert ein besonders geringer Übergangswiderstand bei sehr guten mechanischen Eigenschaften.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden Au, oder Pd, Ni/Au Bumps ohne Lot eingesetzt. Diese werden vorzugsweise nicht aufgescholzen, sondern die Kontaktierung wird durch einen ACA hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass bei einer relativ geringen Temperatur gearbeitet kann, so dass ein Kunststoff mit einer entsprechend geringen Schmelztemperatur verwendet werden kann.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung haben die mittleren Windungen in dem Überbrückungsbereich einen kleineren Querschnitt als außerhalb des Überbrückungsbereichs. Hierdurch wird es einerseits ermöglicht, die mittleren Windungen über die relativ kleine Chipfläche zu führen, wobei andererseits der elektrische Widerstand, der die Güte der Antenne beeinflusst, nicht zu stark ansteigt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung haben die mittleren Windungen in dem Überbrückungsbereich einen geringeren Abstand zueinander als außerhalb des Überbrückungsbereichs. Auch dies ist besonders vorteilhaft, um eine Überbrückung einer relativ kleinen Chipfläche durch die mittleren Windungen zu ermöglichen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung verjüngen sich die mittleren Windungen in einem Übergangsbereich delta-förmig oder trichter-förmig auf den Überbrückungsbereich hin. Auf diese Weise wird die mechanische Festigkeit der Leiterbahn in dem (kritischen) Übergangsbereich zwischen den Leiterbahnen der Antenne großen Leitungsquerschnitts zu den Leiterbahnen der Antenne kleinen Leitungsquerschnitts sowie dem Überbrückungsbereich erhöht. Aufgrund des allmählichen Übergangs von dem großen zu dem kleinen Leitungsquerschnitt werden mechanische Spannungsspitzen vermieden. Somit kann eine Beschädigung der Antenne bei der Herstellung und dem Gebrauch des Dokuments weitgehend vermieden und somit die Ausbeute bzw. die Lebensdauer erhöht werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der Dokumentenkörper ein Substrat auf welches die Antenne aufgedruckt ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kontaktierung des Chips mit der Antenne mittels eines anisotrop leitfähigen Klebers. Beispielsweise wird der Kleber nach dem Aufdrucken der Antenne auf die Antenne aufgebracht, und zwar beispielsweise durch einen Dispenser, einem Stempel oder mittels Siebdruck. Bei dem Dispenser kann es sich um einen robotischen Fertigungsautomaten handeln, der eine definierte Menge der Klebers aufbringt.
Der Kleberauftrag kann dabei vollflächig erfolgen oder lediglich in dem Bereich der Kontaktierungselemente. Vorzugsweise erfolgt der Kleberauftrag so, dass der Kleber zumindest den Raum zwischen der Oberseite des Chips und der Oberseite des Substrats ausfüllt. Hierdurch ist neben einer elektrischen Kontaktierung auch eine gute mechanische Befestigung des Chips an dem Substrat gegeben.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der Chip an gegenüberliegenden Seiten seines Randes Kontaktstellen, an denen er mit der Antenne elektrisch kontaktiert ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird der elektrische Kontakt zwischen dem Chip und der Antenne mit Hilfe eines anisotrop leitfähigen Klebers hergestellt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung füllt der anisotrop leitfähige Kleber zumindest den Raum zwischen der Oberseite des Chips und den darunter liegenden Windungen der Antenne aus.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat das Dokument zumindest eine weitere elektrische oder elektronischen Komponente, die mit zwei der Windungen der Antenne an Kontaktstellen verbunden ist, um von der Antenne eine Spannung abzugreifen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Komponente mit dem Chip über eine Signalleitung verbunden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat das Dokument eine Anzeigevorrichtung, d. h. ein sogenanntes Display. Bei der Anzeigevorrichtung kann es sich um eine bistabile Anzeigevorrichtung, eine elektrophoretische Anzeige, eine elektrochrome Anzeige, eine Flüssigkeitskristallanzeige (LCD), LED-Anzeige, insbesondere anorganische LED- oder organische LED-Anzeige (OLED), bistabile LCD-Anzeigen, zum Beispiel twisted nematic, super twisted nematic, cholesterische oder nematische LCD-Anzeigen, Drehelementanzeige, Balkenanzeige, Photolumineszenz-Löschungsanzeige oder eine Anzeige auf Basis des Elektrowetting-Effekts oder eine Hybridanzeige handeln.
Insbesondere kann es sich bei der Anzeigevorrichtung um eine flexible, bistabile Anzeige handeln. Solche Anzeigen sind z. B. aus US 2006/0250534 A1 bekannt. Weitere bistabile elektrophoretische Anzeigen sind beispielsweise aus WO 99/53371 und EP 1 715 374 A1 bekannt. Bistabile Anzeigen werden auch als „Electronic Paper Display” (EPD) bezeichnet.
Der Chip ist zur Ansteuerung der Anzeigevorrichtung ausgebildet. Hierzu kann der Chip einen elektronischen Speicher zur Speicherung von Bilddaten aufweisen, die aufgrund der Einkopplung von elektrischer Energie auf der Anzeigevorrichtung angezeigt werden. Der Chip kann einen Treiber für die Anzeigevorrichtung beinhalten. Der Treiber und/oder der Speicher kann aber auch als separate Komponente oder als Teil der Anzeigevorrichtung ausgebildet sein.
Die Energieversorgung der Anzeigevorrichtung kann über dieselbe Antenne erfolgen, über die auch der Chip mit Energie versorgt wird oder über eine separate Antenne.
Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass aufgrund der platzsparenden Anordnung des Chips auf dem Substrat eine entsprechend große Fläche zur Anordnung einer Anzeigevorrichtung auf dem Substrat oder anderer elektronischer Komponenten verbleibt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dokuments mit den folgenden Schritten: Aufdrucken einer Antenne auf ein Substrat, wobei die Antenne eine äußere Windung, eine innere Windung und zumindest eine zwischen den inneren und äußeren Windungen angeordnete mittlere Windung aufweist, und wobei die Windungen in einer Ebene liegen, Platzierung eines Chips auf der Antenne, so dass der Chip in einem Überbrückungsbereich der mittleren Windung der Antenne von der mittleren Windung überbrückt wird, Kontaktierung des Chips mit der inneren Windung und der äußeren Windung.
Das Aufdrucken der Antenne kann durch verschiedene Druckprozesse erfolgen, insbesondere durch Siebdruck. Das Substrat kann kartenförmig ausgebildet sein, beispielsweise entsprechend einem Chipkartenformat. Das Substrat kann mit ein oder mehreren weiteren Schichten verbunden werden, die zum Beispiel auflaminiert werden, um so einen Dokumentenkörper, insbesondere einen Chipkartenkörper, zu bilden. Bei dem Substrat mit der aufgedruckten Antenne und dem Chip kann es sich also um ein sog. Inlay handeln.
Ausführungsformen der Erfindung sind besonders vorteilhaft, da durch das Aufdrucken im wesentlichen nur dasjenige Material auf das Substrat aufgebracht wird, das für die Realisierung der resultierenden Antenne erforderlich ist. Insbesondere ist es nicht erforderlich Material großflächig auf das Substrat aufzubringen und es dann zum größten Teil wieder zu entfernen, wie dies bei vielen Strukturierungsprozessen der Fall ist. Dies ist besonders auch unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes und des sparsamen Umgangs mit Rohstoffen vorteilhaft.
Die Dicke der Antenne im Wert- oder Sicherheitsdokument (nach Trocknung und Lamination) beträgt bevorzugt höchstens 20 μm, besonders bevorzugt höchstens 17 μm. Die Dicke der Antenne beträgt bevorzugt wenigstens 7 μm, besonders bevorzugt wenigstens 10 μm. Der Widerstand der Antenne beträgt bevorzugt 3 bis 10 Ohm. Die Antenne weist bevorzugt 3 bis 10 Windungen, besonders bevorzugt 3 bis 6 Windungen, auf und ist vorzugsweise aus Leiterbahnen gebildet. Die Leitfähigkeit und Spannungsrissempfindlichkeit können durch den Zusatz von Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNT), insbesondere von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (multi-walled carbon nanotubes, MWCNT) optimiert werden.
Die Platzierung des Chips auf den Kontaktierungselementen der inneren bzw. äußeren Windung der Antenne kann durch einen sogenannten Pick-and-Place-Automaten oder Diebonder erfolgen. Bei einem Pick-and-Place-Automaten kann es sich um ein robotisches Gerät zur Aufnahme und Platzierung von elektrischen oder elektronischen Komponenten und bei einem Diebonder um einen robotisches Bonding-Gerät zum Bonding solcher Komponenten handeln.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird nach dem Aufdruck der spulenförmigen Antenne ein anisotrop leitfähiger Kleber aufgebracht, über den die Kontaktierung des Chips mit der inneren und äußeren Windung erfolgt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der Chip Kontaktstellen, die zur Kontaktierung mit der inneren und der äußeren Windung kollabiert werden. -Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird nach dem Aufdrucken der Antenne ein anisotrop leitfähiger Kleber auf die Antenne in dem Bereich des Substrats aufgebracht, in dem der Chip platziert werden soll. Anschließend wird der Chip auf den Kontaktierungselementen platziert, sodass es zur Ausbildung der elektrischen Kontakte des Chips mit der Antenne kommt.
Besonders vorteilhaft werden die Kontaktstellen des Chips jeweils durch einen Solder Bump gebildet. Die Herstellung der elektrischen Kontakte zwischen dem Chip und der Antenne erfolgt dann so, dass nach dem Aufbringen des nichtleitfähigen Klebers die Solder Bumps auf den Enden der Kontaktierungselemente der Antenne positioniert werden. Die Solder Bumps werden dann zum Beispiel durch Ultraschall, Temperatur oder Mikrowellen aufgeheizt, sodass sie Kollabieren und so eine elektrische Verbindung jeweils mit den Enden der Kontaktierungselemente herstellen. Zusätzlich kann hierbei ein Druck auf die Rückseite des Chips ausgeübt werden, was einen besonders niederohmigen Übergangswiderstand zwischen den Enden der Kontaktierungselemente und dem Chip zur Folge hat.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können außer dem Chip ein oder mehrere elektrische oder elektronische Komponenten auf analoge Art und Weise mit der Antenne elektrisch verbunden werden, um diese mit Energie zu versorgen und/oder zur Signalübertragung für Kommunikationszwecke.
Im Weiteren werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dokuments,
2 eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne,
3 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne,
4 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne,
5 eine Detailansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dokuments,
6 ein Diagramm zur Darstellung der Aufbringung der Antenne auf das Substrat,
7 ein Diagramm zur Darstellung der Platzierung und Kontaktierung des Chips mit der Antenne,
8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dokuments.
Im Weiteren werden einander entsprechende Elemente der nachfolgenden Ausführungsformen mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 1 zeigt ein Dokument 100, welches hier kartenförmig ausgebildet ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Dokument 100 um eine Chipkarte handeln. Das Dokument 100 hat eine Antenne 102, deren Windungen entlang der Ränder des Dokuments 100 verlaufen. Die Antenne ist spulenförmig ausgebildet und dient zur induktiven Kopplung mit einem externen Lesegerät. Durch die induktive Kopplung wird Energie in das Dokument 100 eingekoppelt, und zwar zur Energieversorgung von einem oder mehreren Verbrauchern des Dokuments 100 und/oder zur Signalübertragung für Kommunikationszwecke mit dem Lesegerät.
Die Antenne 102 hat eine äußere Windung 104 und eine innere Windung 106. Zwischen der äußeren Windung 104 und der inneren Windung 106 ist zumindest eine mittlere Windung 108 angeordnet, und zwar in derselben Schaltungsebene wie die Windungen 104 und 106.
Die Antenne 102 kann aufgedruckt sein und beispielsweise aus Silberleitpaste oder einem leitfähigen Polymer bestehen.
Das Dokument 100 hat ferner zumindest einen Chip 110, der mit der Antenne 102 elektrisch verbunden ist, um den Chip 110 mit Energie zu versorgen und/oder zur Kommunikation mit dem externen Lesegerät, beispielsweise nach einem RFID- oder NFC-Verfahren. Insbesondere kann es sich bei dem Chip 110 um einen sogenannten RFID-Chip handeln.
Der Chip 110 hat eine Kontaktstelle 112, die an einem oberen Rand 114 des Chips 110 angeordnet ist sowie eine Kontaktstelle 116, die an einem unteren Rand 118 des Chips 110 angeordnet ist. Die Kontaktstellen 112 und/oder 116 können auch an den linken und rechten Rändern 120 bzw. 122 des Chips 110 angeordnet sein.
Die äußere Windung 104 bildet an ihrem Ende ein Kontaktierungselement 124, und die innere Windung 106 bildet an ihrem Ende ein Kontaktierungselement 126 zur Kontaktierung der Kontaktstellen 112 bzw. 116 (vgl. insbesondere 6 und 7). Die Kontaktstelle 112 des Chips 110 bildet mit dem Kontaktierungselement 124 der äußeren Windung 104 der Antenne 102 einen elektrischen Kontakt sowie auch die Kontaktstelle 116 des Chips 110 einen elektrischen Kontakt mit dem Kontaktierungselement 126 der inneren Windung 106 bildet. Durch die elektrischen Kontakte kann der Chip 110 auch mechanisch mit dem Dokumentenkörper des Dokuments 100 verbunden sein.
Die zumindest eine mittlere Windung 108 überbrückt den Chip 110 in einem Überbrückungsbereich 128, der sich zwischen den Kontaktstellen 112 und 116 von dem Rand 120 zu dem Rand 122 des Chips 110 erstreckt. Dies ist besonders vorteilhaft, da der Chip 110 so auf oder unter der Antenne 102 angeordnet werden kann, was besonders platzsparend ist. Außerdem ist die Herstellung des Dokuments besonders effizient und kostengünstig möglich, da die Windungen 104, 106, 108 der Antenne 102 einschließlich der Kontaktierungselemente 124, 126 in derselben Schaltungsebene liegen, sodass für die Kontaktierung des Chips 110 mit der Antenne 102 keine Durchkontaktierungen, d. h. sog. vias, in dem Dokumentenkörper erforderlich sind.
Der Chip 110 hat bei der hier betrachteten Ausführungsform einen elektronischen Speicher 130, einen Prozessor 132 und einen Treiber 134. Der Treiber 134 dient zur Ansteuerung einer Anzeige 136, die über Leitungen 138 mit dem Chip 110 verbunden ist. Neben der Übertragung von Steuerungssignalen von dem Chip 110 zu der Anzeige 136 können die Leitungen 138 auch zur Übertragung eines Teils der elektrischen Energie, die über die Antenne 102 eingekoppelt worden ist, von dem Chip 110 zu der Anzeige 136 dienen, um diese mit elektrischer Energie zu versorgen.
In dem Speicher 130 können Bilddaten gespeichert sein. Die Bilddaten können beispielsweise ein oder mehrere digitale Gesichtsbilder des Inhabers des Dokuments 100, einen zweidimensionalen Barcode, ein Symbol, textuelle Daten oder andere Daten beinhalten, die als Bild auf der Anzeigevorrichtung 102 wiedergegeben werden können.
Zur Wiedergabe der Bilddaten greift der Prozessor 132 auf den Speicher 130 zu, sodass die Bilddaten von dort ausgelesen und über den Treiber 134 auf der Anzeige 136 wiedergegeben werden.
Beispielsweise kann es sich bei dem Dokument 100 um ein Ausweisdokument handeln. Zur Durchführung einer Sichtprüfung wird von einem externen Lesegerät induktiv elektrische Energie in die Antenne 102 eingekoppelt, sodass der Chip 110 und die Anzeigevorrichtung 136 mit Energie versorgt werden. Der Prozessor 132 beginnt daraufhin zu arbeiten, sodass die Bilddaten aus dem Speicher 130 ausgelesen und auf der Anzeige 136 wiedergegeben werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Treiber 134 integraler Bestandteil der Anzeige 136. In diesem Fall steuert der Prozessor 132 den Treiber 134 der Anzeige 136 über die Leitungen 138 an.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat das Dokument 100 eine weitere Antenne (in der 1 nicht gezeigt), über die die Anzeige 136 induktiv mit elektrischer Energie versorgt wird.
In dem Speicher 130 können auch schutzbedürftige Daten gespeichert sein, die von dem externen Lesegerät zum Beispiel nach einem RFID- oder NFC-Verfahren aus dem Dokument 100 ausgelesen werden können. Hierzu kann es erforderlich sein, dass zunächst eine einseitige oder eine gegenseitige Authentifizierung des Dokuments 100 und des externen Lesegeräts zur Prüfung der Zugriffsberechtigung des externen Lesegeräts auf die in dem Speicher 130 gespeicherten Daten durchgeführt wird.
Die 2 zeigt eine Ausführungsform des Dokuments 100, bei der die Antenne 102 eine Anzahl von N = 4 Windungen hat, d. h. von zwei mittleren Windungen 108.
Die nebeneinander in einer Schaltungsebene angeordneten Windungen der Antenne 102 haben außerhalb des Überbrückungsbereichs 128 einen Abstand von 0,5 mm. Jede einzelne Windung hat eine Breite von 1 mm und eine Höhe von 12 μm. Wenn die Antenne 102 aus Silberleitpaste besteht, ergibt sich daraus etwa eine Induktivität von L = 2,2 μH bei einem ohmschen Widerstand R = 35 Ω. Dies ergibt eine Güte der Antenne 102 von Q = 5,0.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 beträgt die Anzahl der Windungen N hingegen N = 5 bei gleichem Windungsquerschnitt und gleichem Abstand zwischen den Windungen wie gemäß der Ausführungsform der 2. Daraus resultiert etwa eine Induktivität von L = 3,1 μH, ein ohmscher Widerstand R = 50 Ω und eine Güte Q = 5,9.
Gemäß der Ausführungsform der 4 ist die Windungszahl N = 4, wie dies auch bei der Ausführungsform gemäß 2 der Fall ist. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen gemäß 2 und 3 beträgt hier die Breite einer Windung außerhalb des Überbrückungsbereichs 2 mm, was etwa eine Induktivität L = 3,1 μH, einen ohmschen Widerstand R = 22 Ω und eine Güte Q = 6,3 zur Folge hat.
Bei den Ausführungen der Erfindung gemäß 2, 3 und 4 haben die mittleren Windungen 108 in dem Überbrückungsbereich 128 einen geringeren Leitungsquerschnitt als außerhalb des Überbrückungsbereichs 128. Ferner haben die mittleren Windungen 108 innerhalb des Überbrückungsbereichs 128 einen geringeren Abstand zueinander als außerhalb des Überbrückungsbereichs 128, um die für die Platzierung und die elektrische Kontaktierung des Chips 110 (vgl. 1) erforderliche Topologie zu schaffen. Dabei verjüngen sich die mittleren Windungen 108 in Richtung auf den Übergangsbereich 128 delta-förmig.
Die 5 zeigt den Überbrückungsbereich 128 der Windungen 108 über dem Chip 110 und die daran anschließenden delta-förmigen Verjüngungen in den Bereichen 140 und 142 der Windungen 108.
Die Kontaktierungselemente 124 und 126 der Antenne 102 sind hier stiftartig ausgebildet und stehen fingerförmig von den Enden der Windungen 104 bzw. 106 in Richtung auf den Überbrückungsbereich 128 ab. An den Enden der Kontaktierungselemente 124 bzw. 126 wird jeweils ein elektrischer Kontakt mit dem Chip 110 gebildet.
Die 6 zeigt schematisch ein Substrat 144. Das Substrat kann aus einem Kunststoff bestehen, wie zum Beispiel aus Polycarbonat. Das Substrat kann eine Dicke von zum Beispiel 100 μm haben. Die Oberfläche des Substrats 144 bildet eine Ebene, deren Abmessungen einem Chipkartenstandard entsprechen können.
Auf das Substrat 144 wird die Antenne 102 aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass sämtliche Windungen und auch die Kontaktierungselemente 124, 126 der Antenne 102 in derselben Schaltungsebene angeordnet sind, sodass sich die Antenne 102 vollständig in einem einzigen Druckvorgang auf das Substrat 144 aufbringen lässt.
Die 7 zeigt die Verbindung der Antenne 102 mit dem Chip 110. Hierzu wird ein Kleber 146 auf die Antenne 102 aufgebracht. Der Kleber 146 beinhaltet leitfähige Partikel 148, die in dem Kleber 146 verteilt sind. Da die Partikel 148 eine räumliche Dimension aufweisen, die wesentlich unter der der Windungen der Antenne 102 liegt, kommt es hierdurch nicht zu elektrischen Kontaktierungen zwischen den Windungen, da die Abstände der Partikel 148 in dem Kleber hierfür im Mittel zu groß sind.
Der Chip 110 wird dann zum Beispiel von einer Pick-and-Place-Maschine aufgegriffen und platziert. Bei dem Chip 110 handelt es sich hier um einen sogenannten Flip-Chip, der mit seiner Oberseite 150 nach unten mit der Antenne 102 kontaktiert wird. Die Kontaktstellen 112 und 116 sind hier jeweils als bumps ausgebildet.
Hierbei kann gleichzeitig ein Druck auf die Unterseite des Chips 110 ausgeübt werden, sodass der Kleber 146 in dem Bereich der Kontaktstelle zwischen den bumps und den Kontaktierungselementen 124 bzw. 126 verdichtet wird. Aufgrund dieser Verdichtung kommt es zu einer vermehrten Kontaktierung der Partikel 148 in dem Übergangsbereich zwischen den Bumps und den Kontaktierungselementen 124, 126, sodass diese Partikel 148 an der Bildung des elektrischen Kontakts zwischen dem Chip 110 und der Antenne 102 beteiligt werden. Hierdurch wird ein mechanisch stabiler elektrischer Kontakt mit einem geringen Übergangswiderstand geschaffen. Die so hergestellte Anordnung hat zudem eine sehr geringe Bauhöhe, die zum Beispiel ca. 170 μm betragen kann.
Das Substrat 144 mit der darauf angeordneten Antenne 102 und dem Chip 110 kann in die Herstellung eines Chipkartenkörpers des Dokuments 100 eingehen, indem beispielsweise weitere Schichten aus Kunststoff oder Papier aufgebracht werden, die zusammen einen schichtförmigen Chipkartenkörper bilden.
Die 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine weitere elektronische Komponente 152 in zu dem Chip 110 analoger Art und Weise mit der Antenne 102 elektrisch verbunden ist, und zwar über deren Kontaktstellen 112' und 116'. Bei der Komponente 152 kann es sich zum Beispiel um einen Sensor, insbesondere einen Fingerabdrucksensor oder einen optischen Sensor handeln, oder um einen Signalgeber, wie zum Beispiel einen akustischen Signalgeber.
Die Komponente 152 kann über eine Signalleitung 154 mit dem Chip 110 verbunden sein, und um zum Beispiel ein Sensorsignal in den Chip 110 einzugeben. Hierdurch werden separate Leitungen zur Energieversorgung der Komponente 152 eingespart und die Verdrahtung zwischen dem Chip 110 und der Komponente 152 kann sich auf die für die Signalübertragung notwendigen Leiterbahnen beschränken.
Bezugszeichenliste

100: Dokument
102: Antenne
104: Windung
106: Windung
108: Windung
110: Chip
112: Kontaktstelle
112': Kontaktstelle
114: Rand
116: Kontaktstelle
116': Kontaktstelle
118: Rand
120: Rand
122: Rand
124: Kontaktierungselement
126: Kontaktierungselement
128: Überbrückungsbereich
130: Speicher
132: Prozessor
134: Treiber
136: Anzeige
138: Leitungen
140: Bereich
142: Bereich
144: Substrat
146: Kleber
148: Partikel
150: Oberseite
152: Komponente
154: Signalleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/014993 A1 [0003]
US 2006/0250534 A1 [0045]
WO 99/53371 [0045]
EP 1715374 A1 [0045]

Claims

Dokument mit einem Chip (110) und einer Antenne (102) zur induktiven Einkopplung von Energie, wobei die Antenne eine äußere Windung (104), zumindest eine mittlere Windung (108) und eine innere Windung (106) aufweist, wobei die mittlere Windung zwischen der äußeren und der inneren Windung angeordnet ist, wobei die mittlere Windung in einem Überbrückungsbereich (128) der Antenne den Chip überbrückt, wobei die innere und die äußere Windung den Chip elektrisch kontaktieren.
Dokument nach Anspruch 1, wobei die Windungen der Antenne nebeneinander in derselben Schaltungsebene liegen.
Dokument nach Anspruch 1 oder 2, wobei die innere und die äußere Windung je ein Kontaktierungselement (124, 126) aufweisen, um den Chip elektrisch zu kontaktieren, wobei der Überbrückungsbereich zwischen den Enden der Kontaktierungselemente, an denen die elektrischen Kontakte gebildet werden, liegt.
Dokument nach Anspruch 3, wobei es sich bei dem Chip um ein Surface Mount Device (SMD) oder eines Bare Die handelt, wobei die Kontaktierungselemente je eine Kontaktstelle zur Kontaktierung des Chips aufweisen.
Dokument nach Anspruch 3 oder 4, wobei es sich bei dem Chip um einen Flip-Chip handelt, der mittels eines kollabierten Lots (112, 116) mit den Kontaktierungselementen elektrisch kontaktiert ist.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittleren Windungen in dem Überbrückungsbereich einen kleineren Leitungsquerschnitt als außerhalb des Überbrückungsbereichs haben.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittleren Windungen in den Überbrückungsbereich einen geringeren Abstand zueinander haben als außerhalb des Überbrückungsbereichs.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die mittleren Windungen delta-förmig auf den Überbrückungsbereich hin verjüngen.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dokumentenkörper ein Substrat (144) aufweist, auf welches die Antenne aufgedruckt ist.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenne durch eine Silberleitpaste oder ein leitfähiges Polymer gebildet wird.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Chip an gegenüberliegenden Seiten seines Randes Kontaktstellen (112, 116) aufweist, an denen er mit der Antenne elektrisch kontaktiert ist.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Kontakt zwischen dem Chip und der Antenne mit Hilfe eines anisotrop leitfähigen Klebers hergestellt wird.
Dokument nach Anspruch 12, wobei der anisotrop leitfähige Kleber zumindest den Raum zwischen der Oberseite (150) des Chips und den darunter liegenden Windungen der Antenne ausfüllt.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Anzeigevorrichtung (136), wobei der Chip zur Ansteuerung der Anzeigevorrichtung ausgebildet ist.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer weiteren elektrischen oder elektronischen Komponente, die mit zwei der Windungen der Antenne an Kontaktstellen (112', 116') verbunden ist, um von der Antenne eine Spannung abzugreifen.
Dokument nach Anspruch 15, wobei die Komponente mit dem Chip über eine Signalleitung (154) verbunden ist.
Dokument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich um ein Wert- oder Sicherheitsdokument, wie zum Beispiel um ein Ausweisdokument, wie zum Beispiel einen Personalausweis, Reisepass, Führerschein, Fahrzeugbrief, Fahrzeugschein oder Firmenausweis, oder ein Zahlungsmittel, wie zum Beispiel eine Banknote, eine Kreditkarte oder einen sonstigen Berechtigungsnachweis, wie zum Beispiel eine Eintrittskarte, einen Frachtbrief, oder um ein Visum handelt.
Verfahren zur Herstellung eines Dokuments mit folgenden Schritten: – Aufdrucken einer Antenne (102) auf ein Substrat (144), wobei die Antenne eine äußere Windung (104), eine innere Windung (106) und zumindest eine zwischen den inneren und äußeren Windungen angeordnete mittlere Windung (108) aufweist, und wobei die Windungen in einer Ebene liegen, – Platzierung eines Chips (110) auf der Antenne, so dass der Chip in einem Überbrückungsbereich (128) der Antenne von der mittleren Windung überbrückt wird, – Kontaktierung des Chips mit der inneren Windung und der äußeren Windung.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei nach dem Aufdruck der spulenförmigen Antenne ein anisotrop leitfähiger Kleber aufgebracht wird, über den die Kontaktierung des Chips mit der inneren und äußeren Windung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei der Chip Kontaktstellen (112, 116) aufweist, die zur Kontaktierung mit der inneren und der äußeren Windung kollabiert werden.