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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronikbauteilgruppe, umfassend eine Speicherkarte und eine gedruckte Leiterplatte, wobei zwischen der Anschlussfläche der Speicherkarte und der Kontaktfläche der Leiterplatte eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Elektronikbauteilgruppe. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung entsprechend angepasste Speicherkarten, entsprechend angepasste gedruckte Leiterplatten und eine Cash Control Unit umfassend eine entsprechende Elektronikbauteilgruppe.
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Speicherkarten im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Speicherkarten vom Typ micro Secure Digital (micro SD), Compact Flash, Micro Drive, Memory Stick, Secure Digital Card, Multi Media Card, xD-Picture Card, Smart Media Card und Speicherkarten mit Secure Elements. Bei einer Speicherkarte handelt es sich um einen portablen Datenträger mit zumindest einer von außen zugänglichen elektrischen Anschlussfläche zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem externen Gerät, beispielsweise einer Steckverbindung oder einer Klemmverbindung. Die Anschlussfläche dient in der Regel zum Transferieren von Daten und ist normalerweise auf einer äußeren Oberfläche der Speicherkarte angeordnet. Speicherkarten sind entweder kartenförmig oder zumindest im Wesentlichen kartenförmig ausgebildet und besitzen zumindest einen nicht-flüchtigen elektronischen Speicher.
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Es ist bekannt, auf gedruckten Leiterplatten eine Aufnahme (Sockel) für eine Speicherkarte vorzusehen, in welche eine Speicherkarte eingefügt, z. B. eingesteckt, und mechanisch arretiert werden kann. Dabei sind entsprechende Kontaktflächen vorgesehen, um die Anschlussflächen der eingesteckten Speicherkarte zu kontaktieren. Die Speicherkarte kann aus derartigen Aufnahmen wieder herausgenommen und ausgewechselt werden. Aufnahmen dieser Art sind beispielsweise häufig in handelsüblichen Mobiltelefonen vorhanden.
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Derartige Kontaktiereinheiten sind allerdings nicht geeignet, eine dauerhaft stabile Kontaktierung zu ermöglichen, die aber bei der Integration von Speicherkarten z. B. in Cash-Control-Units erforderlich wäre. Vielmehr kann eine sichere Kontaktierung nur für eine Dauer von bis zu fünf Jahren garantiert werden, was für bestimmte Anwendungen nicht genügt, insbesondere wenn für ein Gerät mit dauerhaft integrierter Speicherkarte eine Garantie von mehr als fünf Jahren gegeben werden soll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Speicherkarte dauerhaft und zuverlässig an die Schaltung einer gedruckten Leiterplatte zu koppeln.
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Diese Aufgabe wird durch eine Speicherkarte, eine gedruckte Leiterplatte und eine Elektronikbauteilgruppe sowie durch ein Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden zumindest einer elektrischen Anschlussfläche einer Speicherkarte mit zumindest einer entsprechenden Kontaktfläche einer Leiterplatte mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zwischen zumindest einer elektrischen Kontaktfläche einer gedruckten Leiterplatte und zumindest einer Anschlussfläche einer Speicherkarte eine stoffschlüssige metallische Verbindung erzeugt. Dabei kann es sich insbesondere um eine Löt- oder Schweißverbindung oder um eine Kombination aus einer Lot- und einer Schweißverbindung handeln.
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Durch die stoffschlüssige metallische Verbindung wird eine dauerhafte Kontaktierung sichergestellt. Zudem ist ein zerstörungsfreies Entfernen der Speicherkarte von der Leiterplatte nicht oder zumindest nur sehr schwer möglich. Insbesondere überstehen handelsübliche Speicherkarten eine starke Hitzezufuhr über eine längere Zeitspanne, wie sie z. B. zu einem Ablöten erforderlich wäre, nicht.
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Allerdings kann es auch bei dem Prozess, handelsübliche Speicherkarten mittels einem gewöhnlichen Lötkolben oder Heißluft zu verlöten, leicht zu einer Delamination der Speicherkarte kommen. Vorzugsweise wird daher die zum Verschweißen bzw. Verlöten benötigte Hitze nur über einen Zeitraum bereitgestellt, der hinreichend kurz und örtlich begrenzt ist, so dass die Speicherkarte nicht beschädigt wird. Hierzu wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine zumindest aus mehreren weniger als einen Mikrometer dicken aneinandergrenzenden Schichten, die aus miteinander exotherm reagierenden Materialien bestehen, hergestellte Mehrschichtkontaktfolie zwischen der Kontaktfläche der Leiterplatte und der von dieser zu kontaktierenden Anschlussfläche der Speicherkarte angeordnet und zum Erzeugen der stoffschlüssigen metallischen Verbindung ”gezündet”. Besonders bevorzugt sind die Schichten weniger als 500 nm oder < 200 nm oder < 100 nm oder < 50 nm oder sogar < 30 nm dick. Die stoffschlüssige metallische Verbindung umfasst dementsprechend vorzugsweise mindestens eine solche Mehrschichtkontaktfolie. Derartige Folien sind von der in Clinton, New York, USA ansässigen Firma ”Indium Corporation” unter der Bezeichnung ”Nanofolie” erhältlich.
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Diese Kontaktfolien werden durch lokales Erhitzen der Mebrschichtkontaktfolie auf beispielsweise mehr als 250°C ”gezündet”, so dass die Materialien der aneinandergrenzenden Schichten exotherm miteinander reagieren. Dadurch erhitzt sieh die Kontaktfolie für kurze Zeit auf eine sehr hohe Temperatur, die genügt, die Kontaktflächen und die Anschlussflächen mit der Mehrschichtkontaktfolie zu verschweißen und/oder – in Gegenwart von Lötzinn – zu verlöten. Vorzugsweise kommen daher verzinnte Mehrschichtkontaktfolien oder verzinnte oder aus Zinn bestehende Kontaktflächen zum Einsatz. Die Kontaktierung mittels derartiger Kontaktfolien kann preiswerter sein als eine Kontaktierung durch Aufnahme der Speicherkarte in einen Kontaktierungssockel. Sofern die Kontaktflächen und die Anschlussflächen mit der Mehrschichtkontaktfolie bei dem Kontaktierprozess (zumindest auch) verschweißt werden, ist ein zerstörungsfreies Entfernen der Speicherkarte von der Leiterplatte unter keinen Umständen möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Durchkontaktierungen vorgesehen, die durch die Dicke der Speicherkarte und/oder der Leiterplatte hindurchführen und in irgendeiner Weise mit der stoffschlüssigen metallischen Verbindung elektrisch leitend verbunden sind. Dementsprechend besitzen die Speicherkarte und/oder die Leiterplatte im Bereich und/oder benachbart zur Anschlussfläche bzw. zur Kontaktfläche zumindest eine, vorzugsweise zwei durch die Dicke der Speicherkarte bzw. der Leiterplatte hindurchgehende Durchkontaktierungen.
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Über die Durchkontaktierungen kann durch die Mehrschichtkontaktfolie hindurch ein elektrischer Strom geleitet und so die Mehrschichtkontaktfolie gezündet werden. Dies ermöglicht es, die Mehrschichtkontaktfolie sicher zu zünden, auch wenn sie von außen unzugänglich ist. Sofern sie zugänglich ist, kann sie auch mittels eines Lasers gezündet werden.
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Zudem kann ein über die beiden Durchkontaktierungen verlaufender elektrischer Strom hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkit der stoffschlüssigen metallischen Verbindung ausgewertet werden, d. h. es kann an Hand dieses Stromflusses geprüft werden, ob die Erzeugung der stoffschlüssigen metallischen Verbindung erfolgreich war.
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Die Mehrschichtkontaktfolie kann vor dem Zusammenfügen von Leiterplatte und Speicherkarte auf der mindestens einen Kontaktfläche der Leiterplatte oder der mindestens einen Anschlussfläche der Speicherkarte angeordnet werden. Dementsprechend betrifft die Erfindung auch eine gedruckte Leiterplatte, bei der auf zumindest einer zum Kontaktieren mindestens einer entsprechenden Anschlussfläche der Speicherkarte ausgebildeten Kontaktfläche eine Mehrschichtkontaktfolie angeordnet ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Speicherkarte, bei der auf zumindest einer elektrischen Anschlussfläche eine Mehrschichtkontaktfolie angeordnet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele sowie weiteren Ausführungsalternativen im Zusammenhang mit den Zeichnungen, die schematisch zeigen:
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1: eine Elektronikbauteilgruppe mit einer Speicherkarte, die mit einer gedruckten Leiterplatte mittels Mehrschichtkontaktfolien verlötet ist,
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2: elektrische Kontaktflächen der Leiterplatte,
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3: die Elektronikbauteilgruppe von 1 sowie Schleifkontakte zum Anlegen eines elektrischen Stromes an die Kontaktflächen der Leiterplatte zum Zünden einer der Mehrschichtkontaktfolien,
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4: die Leiterplatte von 1 mit einer auf einer Kontaktfläche der Leiterplatte angeordneten Mehrschichtkontaktfolie und
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5: eine Speicherkarte mit einer auf einer Anschlussfläche der Speicherkarte angeordneten Mehrschichtkontaktfolie.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Elektronikbauteilgruppe 1, umfassend eine Speicherkarte 4 sowie eine gedruckte Leiterplatte 2, im Schnitt dargestellt. Die Speicherkarte 4 weist Anschlussflächen 12 auf, die über gezündete Mehrschichtkontaktfolien 10 mit (zwei) Kontaktflächen 6 der Leiterplatte 2 elektrisch leitend verbunden sind. Die Anschlussflächen 12 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwas größer als eine aus den beiden Kontaktflächen 6 und der dazwischen liegenden Fläche gebildete Gesamtfläche. Die Elektronikbauteilgruppe weist weitere Elemente auf, insbesondere elektronische Bauelemente (nicht dargestellt) wie integrierte Schaltkreise, etc..
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Die Elektronikbauteilgruppe 1 ist Bestandteil einer Cash Control Unit 100, welche ebenfalls weitere Elemente (nicht dargestellt) aufweist. Eine Cash Control Unit 100 ist ein Gerät zum Speichern von Finanztransaktionsdaten in verschlüsselter Form, beispielsweise zum Speichern der über eine Registrierkasse abgewickelten Transaktionen. Die Daten werden derart gespeichert, dass sie nachträglich nicht mehr verändert werden können. Ein Auslesen der Daten ist dabei vorzugsweise nur durch bestimmte berechtigte Einrichtungen, z. B. Steuerbehörden möglich. Grundsätzlich kann die Elekronikbauteilgruppe 1 natürlich Bestandteil eines beliebigen elektrischen Gerätes sein, z. B. auch eines Geräts zur Machine-to-Machine(”M2M”)-Kommunikation.
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Wie eingangs erwähnt, umfassen Mehrschichtkontaktfolien 10 mehrere weniger als einen Mikrometer dicke aneinandergrenzende Schichten aus exotherm miteinander reagierenden Materialien und sind unter dem Namen ”Nanofolie” bekannt. Sie können zum Erzeugen von Löt- oder Schweißverbindungen verwendet werden und zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen eine stark exotherme chemische Reaktion ausgelöst werden kann. Dies wird auch als ”Zünden” der Mehrschichtkontaktfolie 10 bezeichnet. Durch die stark exotherme Reaktion erhitzt sich die Mehrschichtkontaktfolie 10 schlagartig auf eine relativ hohe Temperatur (z. B. 1500°C), die genügt, Metallflächen miteinander zu verschweißen oder – in Gegenwart eines Lots – zu verlöten. Dementsprechend kann die Mehrschichtkontaktfolie zusätzlich zu den exotherm reagierenden Schichten auf einer oder auf beiden Seiten eine Lotschicht aufweisen. Das Zünden der Folie kann z. B. durch schnelles Erhitzen (an zumindest einer Stelle) über eine Mindesttemperatur von z. B. 250°C erfolgen. Bekannte Mehrschichtkontaktfolien 10 bestehen aus sich abwechselnden dünnen Schichten aus Metallen oder Halbmetallen, z. B. abwechselnde Schichten aus Aluminium und Nickel, aus Aluminium und Titan oder aus Titan und amorphem Silizium. Typische Schichtdicken liegen z. B. bei 50 nm pro Schichtpaar, und die Gesamtdicke einer solchen Mehrschichtkontaktfolie kann z. B. 60 bis 150 Mikrometer betragen. Die Nickel- und Aluminiumschichten bilden nach dem Zünden eine Nickel-Aluminium-Verbindung.
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Die zuvor beschriebene stark exotherme Reaktion wird bei der vorliegenden Elektronikbauteilgruppe 1 genutzt, um stoffschlüssige metallische Verbindungen zwischen den Anschlussflächen 12 und den Kontaktflächen 6 herzustellen. Dabei wird vorliegend eine verzinnte, d. h. mit Lötzinn versehene, Mehrschichtkontaktfolie 10 verwendet, um die Kontaktflächen 6 mit den Anschlussflächen 12 nicht nur zu verschweißen, sondern auch zu verlöten. Die durch Zünden der Mehrschichtkontaktfolien 10 erzeugten stoffschlüssigen metallischen Verbindungen sind daher nicht nur reine Lötverbindungen, sondern Mischungen aus Lötverbindung und Schweißverbindung, da auf Grund der kurzzeitig erzeugten hohen Temperaturen die Kontaktflächen 6 und die Anschlussflächen 12 mit den Mehrschichtkontaktfolien 10 zumindest teilweise auch verschweißt werden.
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Durch die kurzzeitig zur Verfügung gestellten hohen Temperaturen kann eine besonders stabile Verbindung zwischen der Speicherkarte 4 und der Leiterplatte 2 geschaffen werden. Insbesondere wird durch diese stabile, teilweise geschweißte Verbindung sichergestellt, dass die Speicherkarte 4, z. B. durch Hitzeeinwirkung, nicht ohne Zerstörung der Speicherkarte 4 oder der Leiterplatte 2 wieder von der Leiterplatte 2 entfernbar ist.
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Die zum Zünden der Mehrschichtkontaktfolien 10 erforderliche Temperatur kann grundsätzlich durch Einwirkung eines Lasers bereitgestellt werden. Wie in 1 ersichtlich, sind die Mehrschichtkontaktfolien 10 jedoch zwischen der Leiterplatte 2 und der Speicherkarte 4 angeordnet. Dementsprechend sind bei bestimmten (nicht bei allen) Bauarten von Speicherkarte 4 und Leiterplatte 2 die Mehrschichtkontaktfolien 10 nicht in einer Art und Weise zugänglich, dass sie ohne Weiteres mit einem Laser erreichbar wären. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Mehrschichtkontaktfolien 10 daher durch Leiten eines elektrischen Stromes durch die Mehrschichtkontaktfolien 10 hindurch gezündet. Die vorliegend verwendeten Mehrschichtkontaktfolien 10 sind mit Lötzinn beschichtet und folglich besonders gut elektrisch leitend.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind dementsprechend pro Anschlussfläche 12 (und Mehrschichtkontaktfolie 10) zwei zunächst voneinander isolierte Kontaktflächen 6 auf der Leiterplatte 2 vorgesehen. Dies ist in 2 genauer gezeigt, die eine entsprechende Leiterplatte 2 in Draufsicht zeigt, wobei die Lage der Mehrschichtkontaktfolien 10 und der Anschlussflächen 12 gestrichelt dargestellt ist. Unter den Kontaktflächen 6 sind Durchkontaktierungen 8 in der Leiterplatte vorgesehen, die von der Rückseite der Leiterplatte 2 kontaktiert werden können. Zum Zünden der Mehrschichtkontaktfolien 10 wird mittels Schleifkontakten 21 eine Wechselspannung oder, wie in 3 dargestellt, eine Gleichspannung über die Durchkontaktierungen 8 an zwei Kontaktflächen 6 angelegt. Dazu sind eine entsprechende Stromquelle 22, z. B. eine Batterie oder ein Akku, und ein Schalter 23 vorgesehen. Aufgrund des Stromflusses durch die Mehrschichtkontaktfolie 10 zündet die Folie.
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Hierzu reichen typischerweise bereits kleine Spannungen von weniger als einem Volt aus. Da entsprechende (vorliegend verzinnte) Mehrschichtkontaktfolien 10 bei der erforderlichen Größe typischerweise nur einen sehr geringen Widerstand von z. B. 0,2 Ohm aufweisen, fließen bereits bei derart geringen Spannungen große Ströme und die erzeugte Wärme löst bereits nach sehr kurzer Zeit das Zünden der Mehrschichtkontaktfolie 10 aus. Dementsprechend wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Schalter 23 nur für einen sehr kurzen Zeitraum von weniger als einer Millisekunde zum Zünden der Mehrschichtkontaktfolie 10 geschlossen.
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In 3 ist zusätzlich noch ein Spannungsmessgerät (Voltmeter) 24 vorgesehen, mittels dem vor dem Zünden der Mehrschichtkontaktfolie 10 festgestellt wird, ob ein Stromfluss zwischen den Schleifkontakten 21 möglich ist, d. h. ob ein (über die Mehrschichtkontaktfolie 10 verlaufender) geschlossener Schaltkreis vorliegt. Sobald ein solcher detektiert wird, schließt das Voltmeter den Schalter 23, um die Mehrschichtkontaktfolie 10 zu zünden.
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An Hand des Stromflusses über die Schleifkontakte 21 durch die Mehrschichtkontaktfolie 10 kann zudem kontrolliert werden, ob die Mehrschichtkontaktfolie 10 gezündet wurde. Dabei kann z. B. bereits während des Zünders der Stromfluss ausgewertet werden. Das Zünden der Mehrschichtkontaktfolie 10 und insbesondere das folgende Verschweißen der Mehrschichtkontaktfolie 10 mit den Kontaktflächen 6 bewirken normalerweise eine gut detektierbare Veränderung des Stromflusses zwischen den beiden Kontaktflächen 6. Ebenso kann ggf. auch nach dem Zünden noch an Hand eines Stromflusses über die Schleifkontakte 21 durch die Mehrschichtkontaktfolie 10 hindurch festgestellt werden, ob die Mehrschichtkontaktfolie 10 gezündet wurde und die Kontaktflächen 6 mit der Mehrschichtkontaktfolie 10 verlötet bzw. verschweißt wurden. Das Zünden und Verschweißen bzw. Verlöten der Mehrschichtkontaktfolie 10 mit den Kontaktflächen 6 bewirkt in der Regel eine dauerhafte und an Hand des Stromflusses messbare Widerstandsveränderung.
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Bei einem Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden einer Kontaktfläche 6 mit einer Anschlussfläche 12 werden dementsprechend die Leiterplatte 2 und die Speicherkarte 4 bereitgestellt, die Mehrschichtkontaktfolie 10 zwischen der Kontaktfläche 6 und der Anschlussfläche 12 angeordnet und dann durch Leiten eines elektrischen Stromes durch die Mehrschichtkontaktfolie 10 gezündet. Gleichzeitig oder anschließend wird ein elektrischer Strom durch die stoffschlüssige metallische Verbindung hindurch geleitet und hinsichtlich der Qualität der Verbindung, das heißt in Bezug auf ihre elektrische Leitfähigkeit ausgewertet.
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Beim Anordnen der Mehrschichtkontaktfolie 10 zwischen die Kontaktfläche 6 der Leiterplatte 2 und die Anschlussfläche 12 der Speicherkarte 4 kann die Mehrschichtkontaktfolie 10 zunächst auf die Kontaktfläche 6 bzw. (wie vorliegend) Kontaktflächen 6 gelegt werden. Dabei kann die Mehrschichtkontaktfolie 10 insbesondere auch während des eigentlichen Bestückungsprozesses der Leiterplatte 2 auf die Leiterplatte 2 aufgebracht werden und dabei durch eine Lötpaste fixiert werden. Eine solche Lötpaste wird üblicherweise bei einem Bestückungsprozess, mit dem SMD-Bauteile auf die Leiterplatte 2 aufgebracht werden, verwendet. Die Mehrschichtkontaktfolie 10 wird durch einen danach erfolgenden Reflow-Lötproszess noch nicht gezündet, da bei diesem keine ausreichend hohen Temperaturen erreicht werden. Ein entsprechendes Halbzeug, d. h. eine Leiterplatte 2 mit einer auf den Kontaktflächen 6 angeordneten Mehrschichtkontaktfolie 10 einschließlich der Durchkontaktierungen, ist in 4 dargestellt.
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Alternativ dazu können die Mehrschichtkontaktfolien 10 auf die Anschlussflächen 12 der Speicherkarte 4 aufgebracht werden. Dies erfolgt bevorzugt nach dem Speichern von Daten auf der Speicherkarte 4, insbesondere nach dem Speichern von Personalisierungsdaten. Ein entsprechendes Halbzeug, d. h. eine Speicherkarte 4 mit einer auf einer Anschlussfläche 12 angeordneten Mehrschichtkontaktfolie 10, ist in 5 dargestellt.
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Bei der in 5 dargestellten Speicherkarte 4 sind zudem in der Speicherkarte 4 zwei Durchkontaktierungen 14 vorgesehen. Außerdem besitzt die Speicherkarte 4 zwei Anschlussflächen 12 für eine zu kontaktierende Kontaktfläche 6 der Leiterplatte 2. Mittels der Durchkontaktierungen 14 und der zwei Anschlussflächen 12 kann analog zu der oben im Zusammenhang mit 3 beschriebenen Ausführungsform ein Strom durch die mit beiden Anschlussflächen 12 in Kontakt stehende Mehrschichtkontaktfolie 10 geleitet werden, um diese zu zünden. Ebenso können gemäß einer weiteren Variante eine Durchkontaktierung 14 in der Speicherkarte 4 und eine entsprechende Durchkontaktierung 8 in der Leiterplatte 2 vorgesehen sein, wobei über diese beiden Durchkontaktierungen 8, 14 ein elektrischer Strom durch die Mehrschichtkontaktfolie 10 geleitet wird, um diese zu zünden.
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Weiterhin ist es grundsätzlich möglich, anstatt der Durchkontaktierungen 14 in der Speicherkarte 4 und/oder der Durchkontaktierungen 8 in der Leiterplatte 2 zumindest eine durch die Leiterplatte 2 oder die Speicherkarte 4 hindurch verlaufende Aussparung vorzusehen und die Mehrschichtkontaktfolie 10 mit einem Laserstrahl oder Laserblitz durch diese Aussparung hindurch zu bestrahlen, um sie dadurch zu zünden.
