DE102012010560B4

DE102012010560B4 - Transponder, Verfahren zur Herstellung eines Transponders und Vorrichtungzum Herstellen des Transponders

Info

Publication number: DE102012010560B4
Application number: DE102012010560.6A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Monser
Original assignee: Muehlbauer GmbH and Co KG
Current assignee: Muehlbauer GmbH and Co KG
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: DE102012010560A1

Abstract

Transponder (10), mit:- einer Antennenträgerschicht (12), wobei- die Antennenträgerschicht (12) eine Antenne (14) aus wenigstens einer Aluminium enthaltenden Metallbahn trägt, wobei- die Antenne (14) wenigstens einen Anschlussfleck (14a, 14b) aus Metall zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung eines Chipmoduls (16) aufweist, wobei- das Chipmodul (16) wenigstens einen Leiterstreifen (16a, 16b) aus Metall aufweist, der zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung des Anschlussflecks (14a, 14b) der Antenne (14) ausgestaltet und vorgesehen ist, wobei- der Leiterstreifen (16a, 16b) des Chipmoduls (16) und der Anschlussfleck (14a, 14b) der Antenne (14) eine Kontaktstelle aufweisen, bei der das Metall des Anschlussflecks (14a, 14b) und das Metall des Leiterstreifens (16a, 16b) einen gemeinsamen Bereich (30) aufweisen, in dem sie miteinander verschweißt sind, wobei- der Leiterstreifen (16a, 16b) des Chipmoduls (16) aus einem Kupfer, Silber, Nickel, Aluminium und/oder ein anderes Metall enthaltenden Metallstreifen mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer gebildet ist, und wobei- der stoffschlüssige Verbund an der Kontaktstelle aus dem Metall des Anschlussflecks (14a, 14b) und dem Metall des Leiterstreifens (16a, 16b) eine in der Draufsicht napfförmige, im Querschnitt gewellte Mischzone (32) aus beiden Metallen bildet.

Description

Hintergrund
Hier wird ein Transponder, zum Beispiel für ein Wert- oder Sicherheitsdokument oder dergleichen, mit einem ein- oder mehrschichtigen Körper beschrieben. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Transponders, sowie eine Vorrichtung zum Herstellen des Transponders beschrieben.
Um steigenden Sicherheitsanforderungen Rechnung zu tragen, werden zunehmend in Wert- und Sicherheitsdokumente (Debit-, Kreditkarten, Pässe, Personalausweise, Zugangskontrollkarten, etc.) Transponder(inlays) eingesetzt. Wert- und Sicherheitsdokumente werden heute häufig bis auf Personalisierungsdaten zentral gefertigt und anschließend dezentral, zum Beispiel auf Meldestellen, bei Behörden oder in Unternehmen, die zur Ausstellung derartiger Wert- und Sicherheitsdokumente berechtigt sind, mit einer Personalisierung versehen. Bei der Personalisierung werden den jeweiligen Inhaber des Wert- und Sicherheitsdokuments individuell bezeichnende Text- , Zahlen- und/oder Bilddaten (zum Beispiel Name und Anschrift des Inhabers, Geburtsdatum, Geburtsort, Foto des Inhabers, biometrische Daten des Inhabers, etc.) in das Wert- und Sicherheitsdokument eingetragen.
Ein Transponder, insbesondere für RFID (= Radio Frequency Identification), hat im Wesentlichen ein Chipmodul und eine als Spule oder als Dipol ausgestaltete Antenne. Dieses Chipmodul ermöglicht ein berührungsloses, automatisiertes Einschreiben und / oder Auslesen von (Personalisierungs-)Daten in einen / aus einem Chip des Transponders. Derartige Transponder umfassen neben dem Chip eine zum Beispiel spulenförmige Transponderantenne, die den berührungslosen Datenzugriff ermöglicht. Als herstellungsprozessfähige Baueinheiten werden Transponderinlays eingesetzt. Derartige Transponderinlays haben eine Substratlage zur Anordnung einer die Transponderantenne und ein Chipmodul umfassenden Transpondereinheit, die sich auf einer Kontaktoberfläche der Substratlage befindet.
Solche Transponder(inlays) zum Beispiel in Wert- und Sicherheitsdokumenten zu integrieren, stellt besondere Anforderungen an die Transponderinlays. Derartige Transponderinlays sollen das bisherige Gewicht und Format der Wert- und Sicherheitsdokumente möglichst wenig beeinträchtigen. Andererseits ergeben sich aus der Handhabung der Wert- und Sicherheitsdokumente im Verlauf deren Geltungsdauer mechanische Belastungen für die Transponderinlays bzw. für die auf der Substratlage der Transponderinlays angeordneten Antennen und das Chipmodul sowie deren elektrische/mechanische Verbindung.
Der Transponder, also die Antenne und das Chipmodul, ist auf einem Papier- oder Kunststoffsubstrat aufgebaut.
Stand der Technik
Die WO 2009/046 791 A1 betrifft ein Transponderinlay für ein Personaldokument und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Transponderinlay hat eine Substratlage mit einer darauf angeordneten, eine Antennenspule und ein Chipmodul umfassenden Transpondereinheit. Das Transponderinlay hat eine nach oben gewandte Kontaktoberfläche, auf der, ein Drahtleiter spulenförmig angeordnet und in die Kontaktoberfläche eingebettet ist. Freie Drahtleiterenden kontaktieren mit Kontaktflächen eines in der Kontaktoberfläche der Substratlage angeordneten Chipträgers des Chipmoduls.
Aus der WO 1998/03 938 A1 ist bekannt, ein Funketikett mit einer Antenne und einem als integrierte Schaltung realisierten Sende/Empfangsmodul auszustatten, bei dem die Antenne als spulenförmig ausgebildete planare Leiterstruktur auf beiden Seiten einer Folie angeordnet ist. Weiterhin ist ein Transponder,mit einer Sende- und einer Empfangsantenne sowie einem an die beiden Antennen angeschlossenen Sende/Empfangsmodul in Form einer integrierten Schaltung beschrieben. Die Antenne und die integrierte Schaltung sind auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Die Empfangsantenne und/oder die Sendeantenne sind jeweils als spulenförmig ausgebildete planare Leiterstruktur auf eine Folie aufgeprägt. Wie ein Chipmodul mit der Antenne kontaktiert werden kann, ist nicht im Einzelnen beschrieben.
Die DE 1 97 31 969 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauteils, mit dem eine Spulenantenne für kontaktlose Chipkarten bereitzustellen ist. Das Verfahren weist hierzu die folgenden Schritte auf: Vorsehen eines elektrisch isolierenden Trägersubstrats, Vorsehen wenigstens einer Aluminiumschicht auf wenigstens einem Teil einer Oberfläche des Trägersubstrats, Aufteilen der Aluminiumschicht in elektrisch voneinander getrennte Bereiche mittels Laserschneiden. Die so hergestellte Chipkartenspule hat eine Trägerschicht aus PVC, auf die eine Aluminiumschicht in der Stärke von 20 Mikrometern bis 50 Mikrometern aufgebracht ist. Wie ein Chipmodul mit der Antenne kontaktiert werden kann, ist nicht im Einzelnen beschrieben.
Die DE 10 10 30 84 A1 beschreibt, wie auf einem Keramiksubstrat angeordnete Aluminium- oder Kupferleiterbahnen durch ein Mikro-Laserschweißverfahren mit einer Anschlussleiterfahne eines auf das Keramiksubstrat geklebten oder gelöteten Chipmoduls zu verbinden sind.
Die US 2009/ 0 095 818 A1 beschreibt eine integrierte Halbleiterschaltung mit angeschlossener Antenne und/oder Spule zum Einbau in RFID-Etiketten und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Etikett umfasst ein erstes Substrat mit einer integrierten Halbleiterschaltung und ein zweites Substrat mit einer Antenne, wobei die Halbleiterschaltung mit der Antenne elektrisch verbunden ist. Das Verfahren umfasst: Drucken einer integrierten Halbleiterschaltung mit mehreren Kontaktstellen auf ein erstes Substrat; Aufbringen einer Antenne und/oder Spule mit mehreren Kontaktstellen auf ein zweites Substrat; und Verbinden wenigstens zweier Kontaktstellen der Halbleiterschaltung mit korrespondierenden Kontaktstellen der Antenne.
Die EP 1 369 816 A1 beschreibt ein IC-Modul mit einem Gehäuse mit Kontaktstellen, die mit einer Antenne einer IC-Karte verbunden sind, und ein auf das Gehäuse angebrachtes IC-Chip.
Die US 7 477 194 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischleitenden Musters, beispielsweise einer Antenne für ein RFID-Etikett.
In DE 10 2004 010 013 A1 , DD 2 38 476 A1 , WO 2011/036 150 A1 , DE 10 2006 004 322 A1 , DE 199 45 794 A1 und US 7 982 304 B2 sind diverse Schweißverfahren beschrieben.
Zugrunde liegende Aufgabe
Die Aufgabe besteht darin, eine kostengünstige, schnell und dauerfest herzustellende Anordnung für einen Transponder bereit zu stellen. Die Aufgabe besteht außerdem darin, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung des Transponders sowie eine Vorrichtung zur Herstellung des Transponders anzugeben.
Vorgeschlagene Lösung
Die Aufgabe wird gelöst, durch einen Transponder, mit einer Antennenträgerschicht, wobei die Antennenträgerschicht eine Antenne aus einem Aluminium enthaltenden Metall trägt. Die Antenne hat wenigstens einen Anschlussfleck aus Metall zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung eines Chipmoduls. Das Chipmodul hat wenigstens einen Leiterstreifen aus Metall, der zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung des Anschlussflecks der Antenne ausgestaltet und vorgesehen ist. Der Leiterstreifen des Chipmoduls und der Anschlussfleck der Antenne haben eine Kontaktstelle, bei der das Metall des Anschlussflecks und das Metall des Leiterstreifens einen gemeinsamen Bereich haben, in dem sie einen verschweißt sind. Der Leiterstreifen des Chipmoduls ist aus einem Kupfer (Cu), Silber (Ag), Nickel (Ni), Aluminium (AI) und/oder ein anderes Metall enthaltenden Metallstreifen gebildet, mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer. Der stoffschlüssige Verbund an der Kontaktstelle aus dem Metall des Anschlussflecks und dem Metall des Leiterstreifens bildet eine Mischzone aus beiden Metallen, die napfförmig und im Querschnitt gewellt ist.
Bei dem Transponder kann die Antennenträgerschicht ein Material oder mehreren Materialien der Gruppe Papier, Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET) oder Glykol-modifiziertes Polyethylenterephthalat (PETG), Polyethylennaphthalat (PEN), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polyvinylbutyral (PVB), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyvinylalkohol (PVA), Polystyrol (PS), Polyvinylphenol (PVP), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC) oder deren Derivate enthalten.
Des Weiteren kann die Antenne auf der Antennenträgerschicht aus einer Aluminium enthaltenden Folie mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer gebildet sein, die an der Antennenträgerschicht haftet. Insbesondere die Verwendbarkeit von Aluminium-(Legierungen) als Material für die Antenne ist eine unerwartet vorteilhafte Lösung, da bisher keine kostengünstige und industriell zuverlässige Lösung für die sichere und langzeitstabile Kontaktierung von Aluminium-Antennen im Transponderbereich auf Antennenträgerschicht en der oben genannten Art verfügbar ist. Die hier vorgestellte Lösung ist dauerfest, hat einen sehr geringen Übergangswiderstand zwischen dem Metall des Anschlussflecks und dem Metall des Leiterstreifens.
Darüber hinaus kann der Anschlussfleck der Antenne aus dem Metall der Antenne gebildet sein, und / oder der Metallstreifen kann von dem Chipmodul seitlich abstehen. Der Metallstreifen kann zum Schutz und besseren Weiterverarbeitung auch metallisch mit Nickel (Ni), Silber (Ag) oder Zinn (Sn) beschichtet sein. Eine mögliche Variante ist ein Leiterstreifen des Chipmoduls aus einem 20 - 80 Mikrometer, zum Beispiel etwa 60 Mikrometer, dicken CuSn6-Leiterblechstreifen, der vollständig mit einer 1 bis 2 Mikrometer dicken Silberschicht plattiert ist.
Damit ist es einerseits möglich, einen stoffschlüssigen, geschweißten Verbund aus den Metall(legierung)en der beiden Verbindungspartnern Anschlussfleck der Antenne und Leiterstreifen des Chipmoduls zu bilden, also zum Beispiel der AI-Anschlussfleck der Antenne mit dem AI-Leiterstreifen des Chipmoduls oder Cu-Anschlussfleck der Antenne mit dem Cu-haltigem Leiterstreifen des Chipmoduls, aber auch einen stoffschlüssigen Verbund aus unterschiedlichen Metall(legierung)en zu bilden, also zum Beispiel der Al-Anschlussfleck der Antenne mit dem Cu-haltigem Leiterstreifen des Chipmoduls oder umgekehrt.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Transponders mit folgenden Schritten vorgestellt: Bereitstellen einer Antennenträgerschicht, Auftragen einer Antenne auf die Antennenträgerschicht, wobei auch eine Antennenträgerschicht mit bereits aufgetragener Antenne einsetzbar ist, wobei die Antenne wenigstens einen Anschlussfleck aus Metall zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung eines Chipmoduls aufweist, wobei das Chipmodul wenigstens einen Leiterstreifen aus Metall hat, der zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung des Anschlussflecks der Antenne ausgestaltet und vorgesehen ist, Aufbringen des Chipmoduls so, dass sein Leiterstreifen und der Anschlussfleck der Antenne eine Kontaktstelle haben, Aufsetzen zweier Elektroden auf die Kontaktstelle und Bestromen der zwei Elektroden in einer Weise, dass das Metall des Anschlussflecks und das Metall des Leiterstreifens in einem gemeinsamen Bereich einen stoffschlüssigen, geschweißten Verbund bilden. Die zwei Elektroden werden während des Bestromens mit einem Kraft-/Zeitprofil auf die Kontaktstelle gepresst. Das Bestromen erfolgt mit einem Strom-/Zeitprofil, so dass der stoffschlüssige Verbund an der Kontaktstelle aus dem Metall des Anschlussflecks und dem Metall des Leiterstreifens eine Mischzone aus beiden Metallen bildet, welche Abdrücke der Elektroden trägt und in der Draufsicht napfförmig und im Querschnitt gewellt ist.
Bei diesem Verfahren kann das Bereitstellen einer Antennenträgerschicht ein Material oder mehreren Materialien der folgenden Gruppe umfassen: Papier, Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET) oder Glykol-modifiziertes Polyethylenterephthalat (PETG), Polyethylennaphthalat (PEN), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polyvinylbutyral (PVB), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyvinylalkohol (PVA), Polystyrol (PS), Polyvinylphenol (PVP), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC) oder deren Derivate enthalten.
Das Auftragen der Antenne auf der Antennenträgerschicht kann einen Folien- oder Pastenauftrag aus Aluminium enthaltender Metallpaste mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer umfassen, das an der Antennenträgerschicht haftet.
Der Anschlussfleck der Antenne kann aus dem Metall der Antenne gebildet sein, und/oder der Leiterstreifen des Chipmoduls kann aus einem Kupfer, Silber, Aluminium und/oder ein anderes Metall enthaltenden Metallstreifen mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer gebildet sein, der von dem Chipmodul seitlich absteht.
Die beiden Elektroden können jeweils eine Aufsetzfläche von etwa 1 bis 3 oder 4 Quadratmillimeter haben und im seitlichen Abstand von etwa 5 - 20 Mikrometer bis wenige, zum Beispiel etwa 5 Millimeter nebeneinander auf die Kontaktstelle aus dem Metall des Anschlussflecks und dem Metall des Leiterstreifens aufgesetzt werden. Anschließend können sie mit einer Kraft von etwa 1 - 15 Newton beaufschlagt und für eine Zeitdauer von etwa 5 - 500 Millisekunden, zum Beispiel etwa 10 - 100 Millisekunden mit einem Strom mit einem oder mehreren, zum Beispiel bis zu 10 Impulsen von wenigen Ampere (etwa 10 - 30 Ampere) bis etwa 3kA bei niedrigen Spannungen von etwa 0,5 Volt bis etwa maximal 4 Volt, strom-, spannungs- oder leistungsgeregelt beschickt werden.
Dabei fließt der Strom zwischen den beiden Elektroden durch die zu bildende Mischzone aus den beiden Metallen des Anschlussflecks und des Leiterstreifens. Die Elektroden und deren Zuführleitungen sind so niederohmig gestaltet, dass beim Bestromen der Elektroden
das Metall im Bereich der Kontaktstelle einen relativ höheren elektrischen Widerstand hat. Damit wird das Metall im Bereich der Kontaktstelle beim Bestromen der Elektroden zwischen ihnen erwärmt und schmilzt auf, da die elektrische Energie im Metall im Bereich der Kontaktstelle in Wärmeenergie umgesetzt wird. Durch den Anpressdruck der beiden Elektroden auf die Kontaktstelle wird eine napfförmige, gewellte Vertiefung im Bereich der Kontaktstelle gebildet, wodurch die Grenzfläche zwischen den beiden Metallen vergrößert und die Durchmischung / Durchdringung der Metalle beim Schmelzen der Metalle an der Kontaktstelle befördert wird.
Ein weiterer Aspekt der hier vorgestellten Lösung ist, dass das (ggf. sortenreine) Metall der Antenne auf der (ggf. sortenreinen) Antennenträgerschicht ohne sonst übliche (organische oder anorganische) Haft- oder Kleberschichten aufgebracht wird und auch das Chipmodul mit seinem Leiterstreifen aus (ggf. sortenreinem) Metall ohne weitere Zusatzstoffe mit der Antenne elektrisch und mechanisch verbunden wird. Dies ist zum einen kostengünstig und außerdem ist die Handhabung von (elektrisch leitenden) Klebstoffen, deren Dosieren und Aufbringen nicht immer problemlos. Weiterhin beeinträchtigen Klebematerialien oft die Sortenreinheit bei der Wiederaufbereitung negativ. Außerdem ist es möglich, herkömmliche, vielfältig erhältliche, kostengünstige, zum Beispiel gewalzte, Aluminiumfolien einzusetzen. Der Schweißvorgang ist aber auch mit Standardverbünden möglich, die einen Haftklebstoff zwischen Antenne und Träger haben.
Figurenliste
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Gegenstand, auch unabhängig von ihrer Gruppierung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen.

1 zeigt in einer ersten Ausgestaltung einen Transponder mit einer Antenne und einem Chipmodul auf einer Seite eines Trägers in einer schematischen Ansicht in einer Draufsicht.
2 zeigt die Anordnung aus 1 in einer schematischen Schnittansicht längs der Linie II-II.
3 zeigt die Anordnung aus den 1 und 2 in einer schematischen Seitenansicht auf das Chipmodul in der Blickrichtung III.
4 zeigt Diagramme zur Prozess-Steuerung

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsvarianten
In 1 ist in schematischer Draufsicht ein Transponder 10 gezeigt. Der Transponder hat in dieser Ausgestaltung eine Antennenträgerschicht 12. Auf der Antennenträgerschicht 12 ist eine, hier spiralförmige Antenne 14 aufgebracht. Die Antenne 14 kann als Additivantenne, als Subtraktivantenne, als geätzte Antenne, als gedruckte Antenne oder als Drahtantenne auf einer oder beiden Oberflächen der Antennenträgerschicht 12 ausgebildet sein und hat Antennenkontaktstellen 14a, 14b. Dabei kann die Antenne 14 bei einer Variante auch zumindest teilweise in das Material der Antennenträgerschicht 12 eingegraben sein, wenn die Antenne unter Temperatur- und/oder Druckeinwirkung auf die Antennenträgerschicht 12 aufgebracht wird.
In der vorliegenden Variante ist die Antennenträgerschicht 12 aus einem Schichtmaterial mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 500 Mikrometer, vorzugsweise etwa 10 Mikrometer bis etwa 250 Mikrometer aus Polycarbonat (PC) gebildet. Die Antennenträgerschicht 12 hat in diesem Beispiel eine Dicke von etwa 100 µm. Die vorstehend angegebene Abmessungen sind als Beispiel zu verstehen, in konkreten Anwendungen kann die Abmessung der Schicht hiervon auch abweichen.
Auf der Antennenträgerschicht 12 wird eine Aluminium enthaltende Folie mit einer Dicke von etwa 20 Mikrometer aufgebracht. Diese Aluminiumfolie wird so aufgebracht, dass sie für die nachfolgenden Prozessschritte sicher an der Antennenträgerschicht 12 haftet. Dazu wird die Folie auf der Antennenträgerschicht in Gestalt einer Antenne 14 durch einen Press-Stempel fixiert, der als Sonotrode oder als Thermode ausgebildet ist. Dieser die Topographie der Antenne 14 zumindest abschnittsweise wiedergebende Press-Stempel ist dazu eingerichtet, die Metallfolie soweit unter Druck zu setzen und/oder zu erwärmen, dass die Antennenträgerschicht 12 an den Stellen, an denen die Metallfolie in der Gestalt der Antenne 14 zu fixieren ist, wenigstens annähernd auf ihre Glastemperatur gebracht wird. Wenn der Press-Stempel von der Metallfolie wieder freikommt, haftet diese Metallfolie an der Antennenträgerschicht 12 entlang des Verlaufs der Antenne 14 zumindest abschnittsweise so fest an, dass sich die Antenne 14 in den nachfolgenden Prozessschritten nicht abziehen lässt, während der zwischen der Antenne 14 befindliche und/oder sie umgebende Rest in den nachfolgenden Prozessschritten leicht zu entfernen ist.
Die Antenne 14 aus der Metallfolie wird dann mit einer Schneidenadel oder durch eine Stanzklinge konturiert, so dass die Antenne 14 von dem die Antenne 14 umgebendem Rest der Metallfolie getrennt wird.
Der die Antenne 14 umgebende Rest der Metallfolie wird nach dem Konturieren der Antenne 14 durch Absaugen oder Wegblasen entfernt. Damit ist auf der Antennenträgerschicht 12 die Antenne 14 zur weiteren Verarbeitung zu einem Transponderinlay 10 befestigt.
Um ein im Innern der hier spiralförmig gestalteten Antenne 14 liegendes Ende 14" und ein außen liegendes Ende 14' der Antenne 14 mit einem Transponderchipmodul 16 zu verbinden, ist eine elektrische Brücke 18 erforderlich, oder das Transponderchipmodul 16 selbst überbrückt die spiralförmige Antenne 14 und kontaktiert das innen liegende Ende 14" und das außen liegende Ende 14'. In der hier gezeigten Variante kontaktiert die elektrische Brücke 18 zum Beispiel das außen liegende Ende 14' der Antenne 14 und reicht quer über die Antennen 14 hinweg zu einem innerhalb liegenden Kontaktfleck 14a in der Nähe des innen liegenden Endes 14" der Antenne 14. Das Transponderchipmodul 16 wird dann mit der Antennen 14 dadurch verbunden, dass das Transponderchipmodul 16 das innen liegende Ende 14" der Antenne 14 und den Kontaktfleck 14b kontaktiert. Zwischen die Antenne 14 und die Brücke 18 ist eine Isolierschicht 18' eingebracht, damit die Brücke 18 die Antenne 14 nicht kurzschließt. Damit entsteht ein mehrschichtiger Aufbau: Antennenträgerschicht - Antenne - Isolierschicht - Brücke.
Zum Ausgleich der sich zwischen den die Antenne 14 bildenden Leitern und den sich durch die Brücke 18 ergebenden Niveau-Unterschieden sind Ausgleichslagen 22a, 22b vorgesehen, auf denen sich zwei Anschlussflecke 14a, 14b der Antenne 14 aus Metall zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung eines Chipmoduls 16 befinden. Das Chipmodul 16 hat zwei seitlich abstehende Leiterstreifen 16a, 16b aus (Cu-)Metall. Diese seitlich abstehenden Leiterstreifen 16a, 16b des Chipmoduls 16 dienen zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung der Anschlussflecke 14a, 14b der Antenne 14 des Chipmoduls 16.
Das Chipmodul 16 wird so aufgebracht, dass seine Leiterstreifen 16a, 16b und die Anschlussflecke 14a, 14b der Antenne 14 jeweils eine Kontaktstelle 18a, 18b miteinander bilden. Anschließend werden zwei Elektroden 24a, 24b auf die jeweilige Kontaktstelle 18a, 18b aufgesetzt. Dazu werden die zwei Elektroden 24a, 24b mit nicht weiter veranschaulichten Linearantrieben zur Positionierung in Längs- Quer- und Hochrichtung (X, Y und Z) an die entsprechenden Stellen bewegt. Danach werden die zwei Elektroden 24a, 24b aus einer elektronischen Steuerung 28 so bestromt, dass das Metall des Anschlussflecks 14a, 14b und das Metall des Leiterstreifens 16a, 16b in einem gemeinsamen Bereich 30 einen stoffschlüssigen Verbund bilden. Die seitlich abstehenden Leiterstreifen 16a, 16b am Chipmodul können mit Ni, Ag, Sn beschichtet sein. Auf den Anschlussflecken 14a, 14b der AI-Antenne befindet sich keine Beschichtung.
Die Anschlussflecke der Antenne 14 sind aus dem Metall der Antenne 14 gebildet, und die Leiterstreifen 16a, 16b des Chipmoduls 16 sind aus einem vergleichbaren Metall mit einer Dicke von etwa 50 Mikrometer gebildet.
Bei dem Bestromen der zwei Elektroden 24a, 24b wird ein Spannungs- oder Strom-/Zeitprofil eingehalten, das so gestaltet ist, dass die Schweißverbindung an den Kontaktstellen 18a, 18b aus dem Metall der Anschlussflecke 14a, 14b der Antenne 14 und dem Metall der Leiterstreifen 16a, 16b des Chipmoduls 16 eine Mischzone aus beiden Metallen bildet. Durch das Pressen der zwei Elektroden 24a, 24b auf die Kontaktstellen 18a, 18b mit einem Kraft-/Zeitprofil entstehen in der Draufsicht napfförmige und im Querschnitt gewellte Mischzonen 32.
Für Elektroden mit einer Stirnfläche von etwa jeweils etwa 0,4 bis 1 Quadratmillimeter und einem seitlichen Abstand von etwa 250 Mikrometer bei einer Materialpaarung von Aluminium für den Anschlussfleck der Antenne und Kupfer für den Leiterstreifen wird bei relativ geringer Krafteinwirkung der Strom erhöht, bis das Metall schmilzt. Dabei ist die Krafteinwirkung so zu dimensionieren, dass der höchste Übergangswiderstand sich zwischen dem Anschlussfleck der Antenne dem Leiterstreifen des Chipmoduls einstellt. So wird sichergestellt, dass in dieser Zone die beiden Metalle erweichen und sich durchmischen zu einem verschweißten Bereich. Anschließend wird der Stromfluss gesenkt und gleichzeitig wird in einer Varianten die Krafteinwirkung auf die Elektroden und damit die Kontaktstelle erhöht, so dass sich das Metall in den Mischzonen 32 wellt und damit besser durchmischt. Diese Durchmischung kann noch einmal verbessert werden, indem eine kurze Erhöhung des Stromflusses folgt, während die Krafteinwirkung auf die Elektroden und die Kontaktstelle reduziert wird. Durch die Krafteinwirkung auf die Elektroden werden die Mischzonen gewellt; durch die Temperaturerhöhung in den Mischzonen können auch die darunterliegenden Ausgleichslagen 22a, 22b weich werden und das Metall in den Mischzonen 32 dringt in diese weich gewordenen Ausgleichslagen 22a, 22b in Wellenform ein. Es sind vom Verlauf her andere Strom-/Kraftprofile möglich. In den Fig. sind zwei nebeneinander angeordnete Paare von Elektroden gezeigt. Dieses Widerstandsschweißen mit einem sehr geringen Abstand der Elektroden eines Elektrodenpaars liefert elektrisch und mechanisch sehr stabile und zuverlässige Verbindungen. Abhängig von den räumlichen Gegebenheiten kann auch nur ein Elektrodenpaar zum Einsatz kommen.
Ein typischer zeitlicher Verlauf von Kraft- und elektrischer Leistungseinwirkung ist in 4 gezeigt.
Hier dargestellt ist der Fall, dass die Spannung der zu regelnde Parameter bei der Zufuhr der elektrischen Energie ist. Anstelle der Spannung „U“ als Regelparameter kann auch der durch die Verbindungsstelle fließende Strom „I“ oder die in die Verbindungsstelle eingetragene elektrische Leistung „P“ stehen. Ein wesentlicher Aspekt ist, dass die Elektroden erst auf der Verbindungsstelle mit voreingestellter Kraft aufsitzen (ab dem Zeitpunkt t1), damit eine guter Stromfluss sichergestellt ist; und erst dann wird (zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3) mit einer einstellbaren Anstiegsflanke bestromt. Der Strom wird (zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t4) auf diesem Niveau geregelt und dann (zwischen dem Zeitpunkt t4 und dem Zeitpunkt t5) definiert wieder abgesenkt wird. Anschließend wird (zu dem Zeitpunkt t6) die Anpresskraft der Elektroden wieder weg genommen. Alle Zeitpunkte t_x und deren Abstände untereinander sind einstellbar; sie behalten jedoch ihre dargestellte Reihenfolge bei. Ein Bestromen oder Spannung-Anlegen erfolgt erst nach dem Aufsetzen der Elektroden auf Anschlussflecke der Antenne und dem Metall der Leiterstreifen des Chipmoduls.
Als Chipmodul kann zum Beispiel das MF1MOB6S50 der NXP verwendet werden.
Die Schweißelektroden haben je eine Aufsetzfläche von ca. 0,4mm² und einen Abstand von ca. 0,2 mm.
Der Leiterstreifen des Chipmoduls hat an zwei Seiten des Moduls jeweils Abmessungen von 5 mm Länge, 1,5mm Breite und 0,06 mm Dicke und ist aus einer mit 1 ... 2 µm Ag beschichteten CuSn6-Legierung gebildet.
Das Substrat besteht aus Polycarbonat (PC), 30µm dick, auf dem die Anschlussflächen und die Antennenleitbahnen mittels einer dünnen Haftklebstoffschicht aufgebracht sind. Die Haftklebstoffschicht ist strukturiert und befindet sich nur unterhalb der Antennenleitbahnen. Ein ganz leichter Überhang in seitlicher Richtung des Klebstoffs kompensiert die Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Antennenleitbahnen.
Die Al-Schichtdicke der Antennenleitbahnen beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 38µm. Die an die Elektrodenpaare angelegte „Soll“-Spannung betrug 0,65V und 0,85V. Der Übergangswiderstand zwischen dem Antennenanschlussfleck und dem Leiterstreifen des Chipmoduls am Aufsetzort der Elektroden ist im Bereich von etwa 5N Anpresskraft und 0,65V „Soll“-Spannung nicht ausreichend, so dass es nicht zu einer Verschweißung kommt. Erst bei einer Anpresskraft von etwa 10N oder bei 20N kommt es zu einer Verschweißung. Bei einer Anpresskraft von etwa 20N war der verschweißte Kontakt gegenüber einem Abschälversuch mechanisch widerstandsfähiger. Als Zeitvorgaben dienen:

t₃-t₂= 5ms; t₄-t₃= 30ms; t₅-t₄= 0,3ms

Bei einer „Soll“-Spannung von 0,85V kommt es auch bei einer Anpresskraft von etwa 5N schon zu einer Verschweißung. Hier schmilzt jedoch bei gleicher Einwirkzeit, wie bei 0,65V angewendet, zu viel vom Leiterstreifen mit weg, so dass Teile von ihm mit abgelöst werden. Die Reduzierung der Schweißzeit t₄-t₃ kompensiert diesen negativen Effekt. Bei einer „Soll“-Spannung von 0,85V und t₄-t₃= 10ms kommt es auch bei 5N zu einer mechanisch festen stoffschlüssigen Schweißverbindung zwischen dem Leiterstreifen und der Al-Anschlussfläche der Antenne. Mit steigender Kraft werden die Abdrücke der Elektroden im Leiterstreifen ausgeprägter und die Schmelzzone etwas größer. Zu einem „Überschweißen“ kommt es jedoch noch nicht.
Bevorzugte Prozessparameter sind eine „Soll“-Spannung von 0,65V bei etwa 15 bis 20N mit einer Schweißzeit t₄-t₃ = 30ms oder zum Beispiel eine „Soll“-Spannung von 0,85V bei etwa 5 N bis 10N mit einer Schweißzeit t₄-t₃ = 10ms.
Alternativ kann eine strom- oder leistungsgeregelte Variante eingesetzt werden; eine andere Alternative ist eine Aufteilung in zwei kürzere Impulse, ggf. mit unterschiedlich hoher Spannung (bzw. Strom oder Leistung) um einen stabilen Prozess zu erreichen, mit minimalem Elektrodenverschleiß.
Durch die Einsparung gesonderter Kleber, aber auch durch die kostengünstige Herstellung aus marktgängigen Materialien und durch den einfachen Aufbau der Gesamtanordnung, der Manipulationen leichter als herkömmliche Anordnungen erkennen lässt, kann das fertige Produkt höhere Sicherheitsansprüche erfüllen. Außerdem ist die Herstellung schneller und mit geringerem Ausschuss möglich.

Claims

Transponder (10), mit: - einer Antennenträgerschicht (12), wobei - die Antennenträgerschicht (12) eine Antenne (14) aus wenigstens einer Aluminium enthaltenden Metallbahn trägt, wobei - die Antenne (14) wenigstens einen Anschlussfleck (14a, 14b) aus Metall zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung eines Chipmoduls (16) aufweist, wobei - das Chipmodul (16) wenigstens einen Leiterstreifen (16a, 16b) aus Metall aufweist, der zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung des Anschlussflecks (14a, 14b) der Antenne (14) ausgestaltet und vorgesehen ist, wobei - der Leiterstreifen (16a, 16b) des Chipmoduls (16) und der Anschlussfleck (14a, 14b) der Antenne (14) eine Kontaktstelle aufweisen, bei der das Metall des Anschlussflecks (14a, 14b) und das Metall des Leiterstreifens (16a, 16b) einen gemeinsamen Bereich (30) aufweisen, in dem sie miteinander verschweißt sind, wobei - der Leiterstreifen (16a, 16b) des Chipmoduls (16) aus einem Kupfer, Silber, Nickel, Aluminium und/oder ein anderes Metall enthaltenden Metallstreifen mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer gebildet ist, und wobei - der stoffschlüssige Verbund an der Kontaktstelle aus dem Metall des Anschlussflecks (14a, 14b) und dem Metall des Leiterstreifens (16a, 16b) eine in der Draufsicht napfförmige, im Querschnitt gewellte Mischzone (32) aus beiden Metallen bildet.
Transponder (10) nach Anspruch 1, bei dem die Antennenträgerschicht (12) ein Material oder mehreren Materialien der Gruppe Papier, Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET) oder Glykol-modifiziertes Polyethylenterephthalat (PETG), Polyethylennaphthalat (PEN), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polyvinylbutyral (PVB), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyvinylalkohol (PVA), Polystyrol (PS), Polyvinylphenol (PVP), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC) oder deren Derivate enthalten.
Transponder (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Antenne (14) auf der Antennenträgerschicht (12) aus einer Aluminium enthaltenden Folie mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer gebildet ist, die an der Antennenträgerschicht (12) haftet.
Transponder (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Anschlussfleck (14a, 14b) der Antenne (14) aus dem Metall der Antenne (14) gebildet ist, und / oder der Metallstreifen mit Nickel (Ni), Silber (Ag) oder Zinn (Sn) beschichtet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Transponders (10), mit den Schritten: - Bereitstellen einer Antennenträgerschicht (12), - Auftragen einer Antenne (14) auf die Antennenträgerschicht (12), wobei - die Antenne (14) wenigstens einen Anschlussfleck (14a, 14b) aus Metall zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung eines Chipmoduls (16) aufweist, wobei das Chipmodul (16) wenigstens einen Leiterstreifen (16a, 16b) aus Metall hat, der zur elektrischen und / oder mechanischen Kontaktierung des Anschlussflecks (14a, 14b) der Antenne (14) ausgestaltet und vorgesehen ist, - Aufbringen des Chipmoduls (16) so, dass sein Leiterstreifen (16a, 16b) und der Anschlussfleck (14a, 14b) der Antenne (14) eine Kontaktstelle haben, - Aufsetzen zweier Elektroden (24a, 24b) auf die Kontaktstelle und - Bestromen der zwei Elektroden (24a, 24b) in einer Weise, dass das Metall des Anschlussflecks (14a, 14b) und das Metall des Leiterstreifens (16a, 16b) in einem gemeinsamen Bereich einen stoffschlüssigen Verbund bilden, dadurch gekennzeichnet, dass - die zwei Elektroden (24a, 24b) während des Bestromens mit einem Kraft-/Zeitprofil auf die Kontaktstelle gepresst werden¹ und das Bestromen mit einem Strom-/Zeitprofil erfolgt, so dass der stoffschlüssige Verbund an der Kontaktstelle aus dem Metall des Anschlussflecks (14a, 14b) und dem Metall des Leiterstreifens (16a, 16) eine Mischzone (32) aus beiden Metallen bildet, welche Abdrücke der Elektroden² (24a, 24b) trägt und in der Draufsicht napfförmig und im Querschnitt gewellt ist.³ ¹ Ursprünglicher Anspruch 12 ² Seite 11, Zeile 32; Seite 6, Zeile 11-13 ³ Ursprünglicher Anspruch 11
Verfahren zur Herstellung eines Transponders (10) nach Anspruch 5, bei dem das Bereitstellen einer Antennenträgerschicht (12) ein Material oder mehreren Materialien der folgenden Gruppe umfasst: Papier, Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET) oder Glykol-modifiziertes Polyethylenterephthalat (PETG), Polyethylennaphthalat (PEN), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polyvinylbutyral (PVB), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyvinylalkohol (PVA), Polystyrol (PS), Polyvinylphenol (PVP), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC) oder deren Derivate enthalten.
Verfahren zur Herstellung eines Transponders (10) nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Auftragen der Antenne (14) auf der Antennenträgerschicht (12) einen Folien- oder Pastenauftrag aus Aluminium enthaltender Folie bzw. Paste mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer umfasst, das an der Antennenträgerschicht (12) haftet.
Verfahren zur Herstellung eines Transponders (10) nach Anspruch 5, 6 oder 7, bei dem der Anschlussfleck (14a, 14b) der Antenne (14) aus dem Metall der Antenne (14) gebildet ist, und / oder der Leiterstreifen (16a, 16b) des Chipmoduls (16) aus einem Kupfer, Silber, Aluminium und/oder ein anderes Metall enthaltenden Metallstreifen mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer gebildet ist, der von dem Chipmodul (16) seitlich absteht.
Verfahren zur Herstellung eines Transponders nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die Antenne als Additivantenne, als Subtraktivantenne, als geätzte Antenne, als gedruckte Antenne oder als Drahtantenne an der Antennenträgerschicht angebracht wird.