DE10353994A1 - RF-ID-Chip und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen RF-ID-Chip (Radio Frequency Identification Chip) mit einer elektronischen Schaltungseinheit (10) und einer damit elektrisch gekoppelten Antenne (12), wobei die Antenne (12) auf ein Trägersubstrat (14) mittels eines elektrophotographischen Druckverfahrens aufgebracht ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen RF-ID-Chips.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen mit einer elektronischen Schaltungseinheit und einer damit elektrisch gekoppelten Antenne, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Es ist bekannt, heutzutage in verschiedenen Bereich des privaten und öffentlichen Lebens bei kontaktlosen Chipkarten so genannte RF-ID-Chips (Radio Frequency Identification Chips) zu verwenden. Derartige Chips sind mit einer integrierten Schaltung ausgestattet und erlauben nach dem Transponderprinzip über eine gewisse Distanz eine Kommunikation mit einer Gegenstelle.
  • RF-ID-Chips werden beispielsweise zur kabellosen Identifikation z.B. von verpackten Waren verwendet. Darüber hinaus bieten derartige Chips viele Möglichkeiten zur Teileverfolgung in der Produktion oder bei Logistik-Prozessen. Diese bekannten RF-ID-Chips werden in sehr großen Stückzahlen hergestellt, da ihre Herstellung nur in derartig großen Losgrößen rentabel ist.
  • Die integrierte Schaltung einer bekannten kontaktlosen Chipkarte übernimmt die Steuerfunktion, beispielsweise die Übertragung einer vorgegebenen Zahlenfolge, und bildet die Hochfrequenzschnittstelle. Darüber hinaus sind an der Chipkarte neben der Antenne noch weitere für die Hochfrequenzschnittstelle benötigte elektronische Bauteile, wie beispielsweise Kondensatoren, Abgleichwiderstände und dergleichen diskrete Bauelemente vorhanden.
  • Die Antenne einer herkömmlichen kontaktlosen Chipkarte besteht aus einer Spule, deren Windungszahl durch die Resonanzfrequenz, Schwingkreisgüte oder dergleichen physikalischen Eigenschaften aber auch von der zur Verfügung stehenden Fläche bestimmt wird.
    •
  • Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 44 10 732 A1 , ist ein Verfahren zur Herstellung einer Chipkarte bekannt, bei dem der Chip und die Antenne auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden. Die Ausbildung der Antennen-Spule erfolgt bei einem derartigen Chip durch Verlegen eines Spulendrahts. Die Verbindung der Spulendrahtenden mit den Anschlusspunkten des Chips erfolgt ebenfalls auf dem Substrat.
  • Alternativ sind Chipkarten beispielsweise aus der DE 195 34 480 A1 bekannt, bei denen der Chip und die Antennen-Spule über einen Modulträger miteinander verbunden sind.
  • Aus dem Stand der Technik sind gewickelte Antennen-Spulen bekannt, bei denen der Spulendraht, beispielsweise aus Kupfer, zu einer Spule aufgewickelt und manuell auf ein Trägersubstrat aufgebracht und mit dem Chip verbunden wird.
  • Ein derartiges Aufbringen der Spule auf die Chipkarte ist schwierig durchzufüh ren. Zudem ist ein derartiger Spulendraht relativ dick ausgebildet, so dass insbesondere die Verbindung mit dem Chip problematisch ist.
  • Demgegenüber sind aus dem Stand der Technik auch geätzte oder gedruckte Spulen bekannt, bei denen die Spule direkt auf dem Trägersubstrat aufgebracht und somit ein integraler Bestandteil desselben ist. Der Chip lässt sich dann durch einfaches Bonden mit dem Chip verbinden.
  • Allerdings ist auch das Aufbringen von geätzten oder gedruckten Spulen aufwendig, zumal eine ganze Reihe teilweise sehr aufwendiger Herstellungsschritte und ein erheblicher technischer Ausstattungsaufwand notwendig sind.
  • Geätzte Spulen können beispielsweise durch Strukturierung von dünnen Kupferfolien hergestellt werden. Dabei wird meistens die Maskentechnik angewendet. Die hierzu notwendigen fein strukturierten Ätzmasken sind aufwendig und teuer in der Herstellung und nur bei entsprechender Losgröße, d.h. hohen Stückzahlen rentabel. Alternativ lassen sind derartige Strukturen jedoch auch mittels Laserstrukturierung herstellen, was grundsätzlich aufgrund computergesteuertem Ablauf auch bei kleineren Losgrößen rentabel ist. Jedoch sind derartige Laserstrukturierungen aufwendig in der Handhabung und weisen eine hohe Durchlauf-/ bzw. Prozesszeit auf.
  • Gedruckte Antennen-Spulen lassen sich im Siebdruckverfahren herstellen. Hierbei ist es jedoch wiederum notwendig, entsprechende Druckmasken- bzw. siebe zur Verfügung zu stellen. Ein derartiges Druckverfahren ist in der Durchführung recht auswendig und langsam und die Druckmasken- bzw. siebe teuer in der Herstellung. Nur bei großen Losgrößen ist ein Siebdruck rentabel.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen RF-ID-Chip anzugeben, welcher auch in kleiner Stückzahl preisgünstig und einfach herzustellen ist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines dertigen RF-ID-Chips angegeben werden.
  • Diese Aufgabe der Erfindung wird vorrichtungstechnisch durch die Merkmale des Anspruches 1 und verfahrenstechnisch die Merkmale des Anspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Demgemäß ist die Antennenstruktur mittels eines elektrophotographischen Druckverfahrens auf ein Trägersubstrat aufgebracht. Ein derartiges Druckverfahren ist einfach durchzuführen und erlaubt auch bei kleinen Stückzahlen eine kostengünstige Herstellung. Darüber hinaus ist ein elektrophotographisches Druckverfahren schnell durchzuführen, so dass ein hoher Durchsatz erzielt werden kann.
  • Die elektronische Schaltungseinheit kann dabei in einem ersten Verfahrensschritt und die zugeordnete Antennenstruktur auf demselben Trägersubstrat in einem weiteren Verfahrensschritt aufgebracht sein. Das elektrophotographische Druckverfahren erlaubt es auch, ein Trägersubstrat, an welchem bereits die elektronische Schaltungseinheit angebracht ist, mit der gewünschten Struktur zu bedrucken.
  • Alternativ kann die Antennenstruktur auch im ersten Verfahrensschritt und die zugeordnete elektronisch Schaltungseinheit in einem weiteren Verfahrensschritt aufgebracht sein.
  • In vorteilhafter Weise lässt sich mit dem elektrophotographische Druckverfahren zumindest auch ein Teil der elektrischen Kontaktierung zwischen der Antenne und der elektronischen Schaltungseinheit aufbringen. Dadurch wird eine aufwendige nachträgliche Kontaktierung beispielsweise mit Drahtleitungen vermieden.
  • Zusätzlich zu der elektronischen Schaltungseinheit, die vorzugsweise als integrierte Schaltung ausgebildet ist, können auch weitere Bauelemente, wie beispielsweise Kondensatoren, Abgleichwiderstände und dergleichen diskrete Bauelemente, auf dem Trägersubstrat vorhanden sein.
  • Um auch für diese weiteren Bauelementen eine unaufwendige Kontaktierung vorzusehen, kann zumindest ein Teil der hierfür benötigten elektrischen Kontaktierung durch das elektrophotographische Druckverfahren aufgebracht sein.
  • Für das Aufbringen der Antennenstruktur kann ein elektrisch leitfähiger Toner als Beschichtungsmaterial verwendet werden, wobei der Toner nach dem Aufbringen fixiert werden kann. Dabei ist es denkbar, dass für den Toner ein Glasfluss, Glasflusspartikel und/oder ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymer oder dergleichen Kunststoffmaterial mit elektrisch leitfähigen Zusätzen ausgewählt wird. Derartige Toner lassen sich besonders gut handhaben.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 in schematischer Draufsicht einen RF-ID-Chip, bei welchem auf einem Trägersubstrat eine elektronische Schaltungseinheit und eine damit elektrisch gekoppelte Antenne angeordnet ist; und
  • 2 in schematischer Ansicht und im Schnitt eine elektrophotographisch arbeitende Vorrichtung zum Aufbringen der Antennenstruktur auf die Oberfläche eines Trägersubstrats.
  • 1 zeigt in schematischer Draufsicht einen RF-ID-Chip, bei welchem auf einem rechteckigen Kunststoff-Trägersubstrat 14 eine elektronische Schaltungseinheit 10 und eine damit elektrisch gekoppelte Antenne 12 angeordnet ist. Die Antennenstruktur 12 ist mittels eines elektrophotographischen Druckverfahrens auf das Trägersubstrat 14 aufgebracht und in der Form einer am Randbereich des Trägersubstrats 14 umlaufenden Flachspule ausgebildet.
  • Die elektronische Schaltungseinheit 10 ist als integrierte Schaltung ausgebildet und in einem ersten Verfahrensschritt mittels einer für integrierte Schaltungen gängigen Verbindungstechnik auf das Substrat aufgebracht. Die zugeordnete Antennenstruktur 12 ist in einem weiteren Verfahrensschritt mittels des elektrophotographischen Druckverfahrens auf demselben Trägersubstrat 14 aufgebracht.
  • Zusammen mit der Antennenstruktur 12 ist auch ein Teil der elektrischen Kontaktierung 16 zwischen der Antenne 12 und der elektronischen Schaltungseinheit 10 mittels des elektrophotographischen Druckverfahrens auf dem Trägersubstrat 14 aufgebracht. Weitere diskrete Bauelemente 20, wie Kondensatoren, Abgleichwiderstände und dergleichen sind auf dem Trägersubstrat 14 mittels herkömmlicher Bestückungstechnik und ein Teil der elektrischen Kontaktierung 18 zu den Bauelementen 20 mittels des elektrophotographischen Druckverfahrens auf dem Trägersubstrat 14 aufgebracht.
  • Die Flachspulenanordnung der Antenne 12 weist zwei zu kontaktierende Enden auf. Das eine, der elektronischen Schaltungseinheit 10 nahe liegende Ende der Antenne 12 ist mittels der gedruckten Kontaktierung 16 mit der Schaltungseinheit 10 verbunden. Das andere Ende der Antenne 12 ist über die Kontaktierung 19 mit der Schaltungseinheit 10 verbunden. Da diese Kontaktierung 19 zum Teil die Antennenstruktur 12 kreuzt, muss zwischen der Antenne 12 und der Kontaktierung 19 eine (nicht gezeigte) elektrische Isolierung vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise in einem Zwischenschritt durch Auftragen einer Isolierschicht aufgebracht werden. Durch anschließendes elektrophotographisches Überdrucken kann die Kontaktierung 19 ausgebildet werden. Alternativ kann die Kontaktierung 19 auch mit einem Kontaktierungsdraht ausgebildet werden.
  • Für die Herstellung der vorstehend beschriebenen Antennenstruktur 12 und zumindest eines Teils der Kontaktierungen 16 und 18, zusätzlich oder alternativ auch der Kontaktierung 19, wird ein so genanntes Computer-to-glass (CTG) Verfahren verwendet.
  • 2 zeigt in schematischer Ansicht und im Schnitt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Aufbringen der Antennenstruktur 12 und zumindest eines Teils der Kontaktierungen 16 und 18 an dem Trägersubstrat 14 nach dem Computerto-glass (CTG) Verfahren. Die Oberfläche des Trägersubstrats 14 kann in Vorbereitung auf das CTG-Verfahren in einem ersten (nicht gezeigten) in geeigneter Weise vorbehandelt werden.
  • Die in 2 dargestellte Ausführungsform dient speziell zur elektrophotographischen Übertragung von elektrisch leitfähigen Strukturen auf das Trägersubstrat 14. Die Funktionsweise einer solchen Vorrichtung entspricht prinzipiell der eines Laserdruckers oder Kopierers.
  • Eine Photoleitertrommel 34 rotiert und deren Oberfläche wird so an einem geladenen Ladekoroton 36 vorbeibewegt, dass dieses Ladung an die Photoleitertrommel 34 abgibt und die Oberfläche der Photoleitertrommel 34 gleichmäßig aufgeladen wird. Die aufgeladene Oberfläche der Photoleitertrommel 34 wird dann durch deren Rotation an einer Leuchtdioden-Anordnung 38 vorbeibewegt. Diese wird wiederum von einer Recheneinrichtung 40 angesteuert, so dass die Photoleitertrommel 34 entsprechend dem auf die Oberfläche des Trägersubstrats 14 zu übertragenen Motiv belichtet wird. An den belichteten Stellen wird die Ladung an der Oberfläche abgeleitet, so dass die Photoleitertrommel 34 ein unsichtbares elektrisches Abbild des Motivs erhält.
  • Alternativ kann auch eine Vorlage benutzt werden, die nach Art eines Kopierers nach dem Xerographie-Verfahren auf das Trägersubstrat 14 übertragen wird. Dazu wird anstelle der in 2 gezeigten Leuchtdioden-Anordnung 38 eine (nicht gezeigte) Anordnung aus einer Beleuchtungslampe, einem Objektiv und mehrerer Umlenkspiegel verwendet. Mit dieser Anordnung wird die Vorlage auf die Photoleitertrommel 34 projiziert.
  • Alternativ können Leuchtdioden-Arrays oder eine Anordnung von Schwingspiegel-Arrays zum Einsatz kommen. In einer noch weiteren alternativen Ausführungsform kann die Leuchtdioden-Anordnung 38 durch einen rotierenden Polygonspiegel ersetzt sein, dem eine Laserquelle zugeordnet ist und der das Laserlicht zeilenweise über die Oberfläche der Photoleitertrommel 34 projiziert.
  • Mit einer Magnetbürste 42 einer Entwicklungseinheit 44 wird dann ein elektrisch leitender Toner aus einem Tonerbehälter 46 auf die Photoleitertrommel 34 übertragen. Zwischen der Photoleitertrommel 34 und der Entwicklungseinheit 44 wird dazu außerdem eine Vorspannung angelegt. Der Toner haftet nur an den durch die Belichtung entladenen Bereichen der Photoleitertrommel 34. Anders als bei einem Laserdrucker wird aber der Toner nicht direkt von der Photoleitertrommel 34 auf das Trägersubstrat 14 übertragen. Da das Trägersubstrat 14 aus einem vergleichsweise harten Material besteht, wird der Toner vielmehr von der Photoleitertrommel 34 zunächst auf eine Transfertrommel 48 und erst dann auf das Glassubstrat 14 übertragen. Die Transfertrommel 48 weist eine weiche Oberfläche, wie etwa aus Gummi auf, die sich der Oberfläche des Trägersubstrats 14 gut anpassen kann, so dass ein guter Kontakt des Trägersubstrats 14 zum Toner auf der Transfertrommel 48 erreicht wird.
  • Das in Richtung des Pfeils A mit einem Durchsatz von 1 bis 10 m/min geführte Trägersubstrat 14 wird mit einem Übertragungskoroton 50 ebenfalls gleichmäßig aufgeladen, so dass der Toner von der Transfertrommel 48 abgezogen wird. Anstelle einer Aufladung mittels eines Übertragungskorotons 50 kann eine uniforme Aufladung auch einfach durch direkten elektrischen Kontakt mit einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle erzielt werden. In einem nachfolgenden Fixiervorgang wird die mit dem Toner beschichtete Oberfläche auf eine moderate Temperatur unterhalb von 250 °C erwärmt und der Toner verfestigt.
  • Insbesondere bei der Beschichtung eines Glassubstrats kann ein transparenter keramischer Toner mit Glasflusspartikeln und elektrisch leitenden Zusätzen zum Einsatz kommen. Ein derartiger Toner wird im Anschluss an das Aufbringen bei Temperaturen von mehr als 600°C eingebrannt.
  • Insbesondere bei der Beschichtung eines Kunststoff- oder Polymersubstrats kann dagegen ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymer oder dergleichen Kunststoffmaterial mit elektrisch leitfähigen Zusätzen als Toner verwendet werden.
  • Mit einer derartigen elektrophotographischen Beschichtung lässt sich eine laterale Auflösung der Struktur von etwa 20 μm erreichen.
  • Das CTG-Verfahren ist auf die Anforderungen der Oberflächenbeschichtung von Isolatoren optimiert, wobei eine Behandlung des Trägersubstrats 14 in einem (nicht dargestellten) vorangehenden Verfahrensschritt vorgenommen werden kann, was den Tonertransfer von der Transfertrommel 48 auf das Trägersubstrat verbessert. Mittels des CTG-Verfahrens können auch Beschichtungen mit Mehrfachstrukturen einfach und durchsatzoptimiert durch Hintereinanderanordnung mehrer CTG-Anlagen in der Produktion erreicht werden.
  • Weiter kann die Übertragung von der Transferwalze auf das Substrat im Heißtransfer erfolgen. Dabei wird das Substrat auf Temperaturen von 100 bis 200°C, typischerweise 120 bis 150°C, vorgeheizt. Der Toner schmilzt dabei bei Kontakt mit dem heißen Substrat auf und erstarrt anschließend auf dem sich abkühlenden Substrat. Eine zusätzliche Fixierung kann dabei entfallen.

Claims (16)

  1. RF-ID-Chip mit einer elektronischen Schaltungseinheit (10) und einer damit elektrisch gekoppelten Antenne (12), dadurch gekennzeichnet, dass dass die Antenne (12) auf ein Trägersubstrat (14) mittels eines elektrophotographischen Druckverfahrens aufgebracht ist.
  2. Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungseinheit (10) und die zugeordnete Antenne (12) auf demselben Trägersubstrat (14) aufgebracht ist.
  3. Chip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (12) als eine im wesentlichen spulenförmig am Trägersubstrat (14) anliegende Flachantenne bzw. Flachspule ausgebildet ist.
  4. Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der elektrischen Kontaktierung (16) zwischen der Antenne (12) und der elektronischen Schaltungseinheit (10) mittels eines e lektrophotographischen Druckverfahrens aufgebracht ist.
  5. Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der elektrischen Kontaktierung (18) mit weiteren auf dem Trägersubstrat (14) angeordneten Bauelementen (20) mittels eines elektrophotographischen Druckverfahrens aufgebracht ist.
  6. Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungseinheit (10) als integrierte Schaltung (IC) ausgebildet ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines RF-ID-Chips mit einer elektronischen Schaltungseinheit (10) und einer zugeordneten Antenne (12), gekennzeichnet durch Aufbringen der Antennenstruktur (12) mittels eines elektrophotographischen Druckverfahrens auf ein Trägersubstrat (14).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Aufbringen der elektronischen Schaltungseinheit (10) in einem ersten Verfahrensschritt und Aufbringen der zugeordneten Antennenstruktur (12) auf demselben Trägersubstrat (14) in einem weiteren Verfahrensschritt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch Aufbringen der Antennenstruktur (12) in einem ersten Verfahrensschritt und Aufbringen der zugeordneten elektronischen Schaltungseinheit (10) auf demselben Trägersubstrat (14) in einem weiteren Verfahrensschritt.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Antennenstruktur (12) das Aufbringen zumindest eines Teils der elektrischen Kontaktierung (16) zwischen der Antenne (12) und der elektronischen Schaltungseinheit (10) umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch Aufbringen weiterer Bauelemente (20) auf das Trägersubstrat (14).
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Antennenstruktur (12) das Aufbringen zumindest eines Teils der elektrischen Kontaktierung (18) mit weiteren auf dem Trägersubstrat angeordneten Bauelementen (20) umfasst.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungseinheit als integrierte Schaltung ausgebildet ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Antennenstruktur (12) das Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Toners (30) als Beschichtungsmaterial umfasst.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Toner (30) nach dem Aufbringen fixiert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für den Toner (30) ein Glasfluss, Glasflusspartikel und/oder ein thermo plastisches oder duroplastisches Polymer oder dergleichen Kunststoffmaterial mit elektrisch leitfähigen Zusätzen ausgewählt wird.
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