DE19601202A1 - Datenträgerkarte und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine flächig ausgebildete Datenträger­ karte mit mindestens einem Chip, der auf der Karte montiert ist und mit mehreren auf der Karte vorhandenen Leiterbahnen elektrisch verbunden ist, die eine Kontaktierung von der Da­ tenträgerkarte nach außen hin ermöglichen.

Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von transportablen Halbleiterspeicher- und Verarbeitungsmedien bekannt. Der Auf­ bau und die Ausstattung mit unterschiedlichen Chips ist viel­ fältig. Die bekannten Chipkarten bestehen üblicherweise aus einem Modul und einem Kartenrohling, der eine Vertiefung auf­ weist, in die ein Modul eingesetzt wird. Jedes Modul besteht aus einem Träger, beispielsweise aus Glas/Epoxi-Material, aus laminiertem Epoxid oder aus Polyester, wobei der Träger ge­ genüberliegend Goldkontakte und Halbleiterchips aufweist, die gegenseitig kontaktiert sind.

Weitere Ausführungen von Datenträgerkarten beinhalten einen Träger, eine Leiterplatte, der mit irgendeinem Halbleiterchip belegt ist. Dieser Chip kann auf irgendeine Art und Weise an dem Träger befestigt und verschaltet sein. Diese als IC-Modul bezeichnete Einheit wird, wie oben beschrieben, in einen Kar­ tenkörper eingebaut, wodurch die Datenträgerkarte entsteht.

Ein mit der Zeit zunehmend wichtiger Nachteil besteht in der Verwendung eines Trägers. Dieses erfordert eine bestimmte An­ zahl von Verarbeitungsschritten bei der Fertigung, sowie Ma­ terial, verbunden mit entsprechenden Kosten.

Eine Chipkarte aus dem Stand der Technik wird beispielsweise in der amerikanischen Patentschrift US 5,289,349 beschrieben.

Des weiteren ist im Stand der Technik die Ausbildung von dreidimensionalen Leiterplatten bzw. von dreidimensional aus­ gebildeten Leiterbahnen oder insbesondere die MID-Technik be­ kannt. MID ist die Abkürzung für Molded Interconnect Device (spritzgegossene verschaltete Vorrichtung). Derartige Vor­ richtungen werden in der Regel aus Thermoplasten, insbesonde­ re hochtemperaturbeständigen Thermoplasten, hergestellt, auf die durch verschiedene Verfahren dreidimensionale Leiter­ strukturen aufgebracht werden. Der Begriff dreidimensional bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Leiterbahnen nicht nur in einer Ebene verlaufen, sondern sich auch in die dritte räumliche Dimension erstrecken. In diesem Zusammenhang sind zwei Artikel zu nennen. "Dreidimensionale Leiterplatten", H. Schaaf, Faller und Zwick, Stuttgart; Feinwerktechnik und Meß­ technik 97 (1989) 5, Carl Hanser Verlag München 1989; High Temperature Thermoplastic Substrate having a Vaccuum Deposi­ ted Solderable Electrical Conductor; D. W. Dorinski; Motorola Technical Developments; 13 (1991) Juli, Schaumburg, Illinois, USA).

Zur MID-Technik ist allgemein zu sagen, daß standardisierte Aufbau- und Verbindungskomponenten für den Zusammenbau elek­ tronischer Geräte die Nutzung vieler Einsatzmöglichkeiten der Mikroelektronik behindern. Lange Signalverbindungswege be­ grenzen die Verarbeitungsgeschwindigkeit. Mit der MID-Technik ist eine weitere Miniaturisierung von elektronischen Geräten möglich. In die dreidimensionalen Kunststoffteile mit struk­ turierter Metallisierung sind mehrere mechanische und elek­ trische Funktionen integrierbar. Die Gehäuseträgerfunktion kann gleichzeitig Führungen und Schnappverbindungen mitbein­ halten, während die Metallisierungsschicht elektromagnetische Abschirmung, Wärmeabfuhr, elektrische Verdrahtung und Verbin­ dungsfunktion erfüllt. Eine allgemeine Übersicht über diese Technik bietet der Artikel "Integration mit SIL-Technik", Luc Boone, . . .; Siemens-Zeitschrift Special FuE, Herbst 1992, Seite 4 bis 9.

Weitere Literaturstellen zur Herstellung dreidimensionaler Leiterbahnstrukturen sind beispielsweise die deutsche Offen­ legungsschrift DE 37 32 249, die europäischen Patentanmeldun­ gen EP 0 645 953 und EP 0 647 089.

Wie bereits angedeutet, besteht ein wesentlicher Nachteil bei der Herstellung einer Datenträgerkarte mit einem Chip darin, daß ein Zwischenschritt über den Einsatz eines Trägers, bei­ spielsweise aus Metall oder aus Leiterplattenmaterialien, notwendig ist. Somit wird im Stand der Technik bisher durch­ weg der Einbau eines Chips mit einem Chipträger, wodurch ein Modul gebildet wird, in einen kartenförmigen Kunststoffkörper zur Herstellung einer Datenträgerkarte beschrieben.

Elektronische Bauelemente (Chip) in SMT-Bauweise sind hin­ länglich bekannt. Die Abkürzung SMT steht für Surface Mounted Technology. Diese Bauelemente sind mittlerweile mit sehr ge­ ringer Bauhöhe auf dem Markt erhältlich. Dabei werden die Au­ ßenanschlußelemente zur elektrischen Kontaktierung in Form von verschiedenartig geformten Anschlußbeinchen oder auch als Lotkugelraster dargestellt. Die Chips sind in dieser Techno­ logie vollständig mit einer Kunststoffmasse umgeben bzw. um­ spritzt.

Zur Herstellung einer Chipkarte liegen bestimmte Normen vor wie beispielsweise eine ISO-Norm oder der PCMCIA-Standard. Teilweise ist die Chipkartenherstellung, wenn sie einer Norm entsprechen soll, nicht mehr möglich, wenn die flächige Ab­ messung des Bauelementes mehr als 25 mm² ausmacht. In der Re­ gel werden bisher Chipkarten auch mit großen Halbleiterbau­ steinen und unter Umständen mit aufwendigen Schaltungen als bestückte Leiterplatten oder Baugruppen in Metall- oder Kunststoffgehäusen, meist unter Verwendung von weiteren Bau­ teilen, wie Steckverbindungen oder Versteifungen, montiert. Derartige Karten haben jedoch Abmessungen von bis zu 10×10 cm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kartenaufbau einer Datenträgerkarte zu vereinfachen, insbesondere die Be­ standteile zu minimieren, sowie das Herstellungsverfahren mit weniger Arbeitsschritten und kostengünstig zu gestalten. Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des Anspru­ ches 1 bzw. des Anspruches 8.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Daten­ trägerkarte lediglich aus drei Bauteilen zusammensetzbar ist, nämlich dem Kartenkörper aus einem Kunststoff-Metallverbund, dem Chip in SMD bzw. SMT-Bauweise und einer Schutzschicht. Der Kartenkörper besteht aus Kunststoff und ist mit in MID-Technik (Molded Interconnect Device) hergestellten dreidimen­ sionalen Leiterbahnstrukturen versehen. Durch diese Struktu­ ren wird der Kartengrundkörper mit allen Funktionen des Ge­ häuses und der Elektrik dargestellt, wie beispielsweise Stei­ figkeit, Biegbarkeit, elektrische und elektronische Abschir­ mung usw. Dazu gehören die Steckverbindung zu einem Datenver­ arbeitungsgerät, die Handhabung und Einsteckhilfe, die Träger und Schutzfunktion für ein elektronisches Bauelement und das elektrische Leitsystem. Der Chip ist beispielsweise als TSOP (Thin Single Outline Packet) ausgeführt. Die Schutzschicht kann beispielsweise eine bedruckte Kunststoffolie sein.

Im folgenden wird anhand der schematischen Figuren ein Aus­ führungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Explosionsdarstellung des Aufbaues eines Datenträgers nach der Erfindung,

Fig. 2 zeigt einen Kartenkörper mit einer Vertiefung und ei­ ner darin liegenden Aussparung, in die das elektronische Bau­ element eingebaut ist,

Fig. 3.1 bis 3.4 zeigen eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Datenträgerkarte in Explosionsdarstellung oder in zusammengebauter Form.

Der Kartenkörper 5 wird vorzugsweise aus Duro- oder Thermo­ plast hergestellt. Er besitzt eine möglichst paßgenaue Aus­ sparung 8 zur Aufnahme eines SMD-Bauelementes 1. Diese Aus­ sparung kann im spritzgegossenen Kartenkörper 5 als Vertie­ fung oder als Durchgang ausgebildet sein. Die Leiterbahnen verlaufen räumlich, d. h. sie verlaufen nicht nur in einer Ebene, sondern erstrecken sich auch in die dritte Dimension, die der Dicke des Kartenkörpers 5 entspricht. Die Leiterbah­ nen verlaufen räumlich im Kunststoff und sind an den Stellen, an denen die Anschlußbeinchen 7 der SMD-Bauelemente 1 auflie­ gen, d. h. am Rand der Aussparung 8, derart abgesenkt, daß das SMD-Bauelement 1 bündig mit der Kartenoberfläche ab­ schließt. Dabei ist das SMD-Bauelement 1 kopfüber eingebaut. Durch einfaches selektives Verbinden, wie beispielsweise Bü­ gellöten oder Lötkleben, kann die elektrische Verbindung von Bauelement und Kartenkörper zeitgleich mit dem Bestückungs­ vorgang erfolgen. An den Kontaktstellen zum Abspielsystem/Da­ tenverarbeitungsgerät, also am äußeren Kartenrand, ist das Schaltungssystem, die Leiterbahnen, bündig mit der Oberfläche des Kunststoffkörpers 5 ausgebildet. Die Kontakte können da­ bei oben, vorne am Rand (an der Schmalseite des Kartenkörpers 5) und unten oder auch oben und unten an der Oberfläche zur Kontaktierung freiliegen. Mit einem flachen Deckel 9 werden möglichst sämtliche Öffnungen oder Unebenheiten verschlossen. Weiterhin können Produktinformationen oder Werbespots aufge­ tragen sein. Das Aufbringen eines Deckels 9 kann durch Kle­ ben, Verschweißen, Kohäsion fester Körper, Laminieren und an­ dere Verbindungstechniken erfolgen.

Die Fig. 1 zeigt in Explosionsdarstellung eine mit einem Halbleiterbauelement bestückte Datenträgerkarte. Das Halblei­ terbauelement ist ein sogenanntes SMD-Bauelement 1 zur Ober­ flächenmontage. Derartige Bauelemente weisen an ihren Schmal­ seiten eine Vielzahl von metallischen Anschlußbeinchen auf, die entweder J-förmig auf die Unterseite des Bauelementes ge­ bogen sind oder von der Schmalseite eines Bauelementes nach außen ragen und einen zweifachen jeweils ungefähr 90° betra­ genden Knick aufweisen. Letzteres bedeutet, daß ein an seinem Einbauplatz aufgesetztes SMD-Bauelement auf dem nach unten überstehenden Anschlußbeinchen aufliegt. Erfindungsgemäß wird ein derartiges SMD-Bauelement 1 kopfüber in die Aussparung 8 des Kartenkörpers 5 eingebaut, so daß Anschlußbeinchen, die normalerweise mit einem Doppelknick nach unten überstehen, auf den Oberseiten ihrer äußeren Enden aufliegen. Das Bauele­ ment soll einschließlich der Anschlußbeinchen 7 in der oder den Hauptflächen des Kartenkörpers 5 versenkt sein, wozu die Leiterbahnen 3 an den Auflageorten der Anschlußbeinchen 7 entsprechend abgesenkt sind. Auf der Schmalseite des SMD-Bauelementes 1, die den Anschlußbeinchen 7 gegenüberliegt, weist das in Fig. 1 dargestellte Teil zwei Ansätze 4 auf. Diese dienen zur Lagerung, als Fügehilfe und zur Fixierung innerhalb des Kartenkörpers 5.

Die Fig. 1 zeigt deutlich die drei wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Datenträgerkarte. Die Datenträgerkarte besteht aus dem SMD-Bauelement 1, das standardmäßig als TSOP-Ausführung erhältlich ist. Der Kartenkörper 5 besteht aus ei­ nem spritzgegossenen Kunststoff mit dreidimensional darauf ausgebildeten Leiterbahnen 3. Die Schutzfolie 2 kann ein- oder beidseitig aufgetragen werden, wobei die Kontaktierung der Leiterbahnen 3 nach außen hin gewährleistet sein muß.

Die Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Kartenkörper 5, der eine Aussparung 8 aufweist. In der Aussparung 8 ist ein SMD-Bauelement 1 kopfüber positioniert und liegt auf den Obersei­ ten der äußeren Enden seiner Anschlußbeinchen 7 auf. Die Auf­ lagen können entweder Enden von Leiterbahnen 3 sein oder le­ diglich Auflagepunkte auf dem Kartenkörper 5. Das Bauelement wird mechanisch gehalten und elektrisch beispielsweise über Lötungen an den Kontakt- oder Auflagepunkten elektrisch ver­ bunden.

Um sicherzugehen, daß keinerlei Teile des SMD-Bauelementes 1 über eine Hauptfläche des Kartenkörpers 5 hinausstehen, ist in Fig. 2 zusätzlich eine Vertiefung 6 eingebracht, die die Aussparung 8 lateral ungefähr gleichmäßig umgibt. Somit kön­ nen Teile der Anschlußbeinchen 7 innerhalb der Vertiefung 6 durchaus noch nach oben vorstehen. Durch die Absenkung der Vertiefung 6 relativ zur Hauptfläche des Kartenkörpers 5 wer­ den diese überstehenden Teile jedoch insgesamt soweit abge­ senkt, daß sie nicht mehr über die Hauptfläche des Kartenkör­ pers 5 hinausstehen.

Die Leiterbahnen 3 werden in ähnlicher Weise geführt wie in Fig. 1. In Fig. 2 wird jedoch deutlich, daß die Leiterbah­ nen 3 wesentliche Höhenniveauunterschiede überbrücken müssen. Dies wird durch die MID-Technik, beispielsweise durch ein Heißprägeverfahren kostengünstig ermöglicht.

Die Ausbildung der Anschlußbeinchen 7 unterscheidet sich in den beiden Fig. 1 und 2. In Fig. 2 sind allgemein bekann­ te SMD-Anschlußbeinchen dargestellt, die durch eine Art Dop­ pelknick ausgebildet werden. In Fig. 1 werden Anschlußbein­ chen 7 dargestellt, die modifiziert sind. Ihre Gestalt ähnelt einem 90°-Metallwinkel. Die Anschlußbeinchen 7 in Fig. 1 sind ebenfalls an den Schmalseiten des SMD-Bauelementes 1 an­ gebracht. Sie liegen mit einem Schenkel des 90°-Winkels an der Schmalseite an und sind elektrisch wie üblich nach innen hin geschaltet, wobei der zweite Schenkel des 90°-Winkels senkrecht von der Schmalseite wegsteht und als Auflage inner­ halb des Kartenkörpers 5 dient. Es ist auch denkbar, daß die Anschlußbeinchen 7 lediglich durch ein senkrecht aus einer Schmalseite herausstehendes Metallteil jeweils dargestellt werden. Die Ausführung der Anschlußbeinchen 7 in Fig. 1 er­ möglicht eine paßgenaue Positionierung des SMD-Bauelementes 1 innerhalb der Aussparung 8. Die Aussparung 8 ist in Fig. 1 als Durchgang ausgebildet.

Die Erfindung bietet insbesondere folgende Vorteile:
Der Chip kann in einem Standardgehäuse eingebaut sein. Dies bedeutet, daß ein günstiges Packet mit hohem Chipschutz und klarer Qualitätsschnittstelle verwendbar ist. Der Einbau des Chips kann jedoch auch in andere Systeme vorgenommen werden, wie beispielsweise auf Leiterplatten.

Die Chipmontage ist kostengünstig aufgrund eines einfachen Lötverfahrens.

Der Kartenkörper ist ein sehr einfach herzustellendes Kombi­ teil, welches durch Umspritzen der Leitungen oder durch Heiß­ prägen herstellbar ist.

Die Kartendicke kann entsprechend der Höhe des SMD-Bauele­ mentes 1 sehr gering ausgeführt werden. Derzeit erreichbar ist eine Aufbauhöhe von 1,1 mm. Diese Höhe setzt sich zusam­ men aus 1,0 mm für das in Form eines TSOP-gehäusten SMD-Bau­ elementes 1 und der doppelten Abdeckung mit 2×0,05 mm Dicke.

Die Einfachheit des Herstellungsverfahrens gewährt eine hohe Flexibilität bei der Auslegung der Fertigungskette, den ein­ gesetzten Einzelheiten bzw. bei der Wahl des Montagesystems. Die Montage ist per Hand oder auch in einem Automaten mög­ lich.

Die Karte kann gestapelt und im Stapel elektrisch mit anderen durchkontaktiert werden, da die Kontakte auf beiden Seiten der Karte liegen können und sich bei Verwendung geeigneter Materialien zum Ausgleich von Toleranzen gegeneinander fe­ dernd bewegen lassen. Mit der Erfindung ist auch der Einsatz von Chips, die größer als 25 mm² sind, in einer beschriebenen Datenträgerkarte möglich.

Die Fig. 3.1 und 3.2 zeigen eine Datenträgerkarte beste­ hend aus einem Kartenkörper 5 mit einer Aussparung und mit dreidimensional ausgebildeten Leiterbahnen 3. In der ge­ schnittenen Seitenansicht ist in Fig. 3.1 eine Explosions­ darstellung mit den entsprechenden Einzelteilen zu erkennen. In Fig. 3.2 ist die Datenträgerkarte fertig montiert.

Die Fig. 3.3 und 3.4 zeigen die Bestandteile bzw. die zu­ sammengebaute Datenträgerkarte, bei der ein Deckel 9 zum Ein­ satz kommt. In Fig. 3.3 sind die Leiterbahnen 3 und das SMD-Bauelement 1 bereits positioniert. Der Deckel 9 ist zur Ver­ deutlichung noch beabstandet. In Fig. 3.4 ist das Bauelement 1 mit seinen Anschlußbeinchen 7 durch den Deckel 9 geschützt. Die Leiterbahnen 3 sind zum äußeren Rand der Karte hin derart geführt, daß sie die Karte an deren Schmalseite umfassen, so daß ein zwei- bzw. dreiseitiger Kontakt durch die entspre­ chende Führung der Leiterbahnen 3 ausgebildet wird.

Claims (8)

1. Datenträgerkarte bestehend aus:

• - einem flächigen Kartenkörper (5) aus Kunststoff mit min­ destens einer in einer Hauptfläche des Kartenkörpers (5) vorhandenen flächigen Aussparung (8),
• - mehreren auf dem Kartenkörper (5) zur elektrischen Ver­ bindung von elektronischen Bauelementen (1) mit Außenkon­ taktelementen dreidimensional ausgebildeten Leiterbahnen (3), die sich einseitig bis unmittelbar an den Rand der Aussparung (8) erstrecken,
• - einem in einer Aussparung (8) über Kopf eingebauten SMD-Bauelement (1) mit Anschlußbeinchen (7), die mit ihrer Oberseite mit den korrespondierenden Enden der Leiterbah­ nen (3) kontaktiert sind und die mechanische Halterung des SMD-Bauelementes (1) in der Aussparung (8) durch die Anschlußbeinchen (7) und/oder durch mehrere Ansätze (4) geschieht, indem Anschlußbeinchen (7) und Ansätze (4) zu­ mindest an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten vorhanden sind, wobei sowohl Hauptflächen des SMD-Bauelementes (1), als auch die Anschlußbeinchen (7) bündig mit der Haupt­ fläche des Kartenkörpers (5) abschließen oder in der Aus­ sparung (8) versenkt sind.

2. Datenträgerkarte nach Anspruch 1, worin auf der Datenträ­ gerkarte eine ein- oder beidseitig aufgebrachte Schutzfolie (2) zum Schutz gegen mechanische, thermische, chemische und elektrische Einflüsse vorgesehen ist.

3. Datenträgerkarte nach Anspruch 1, worin die Anschlußbein­ chen (7) an Schmalseiten des SMD-Bauelementes (1) als 90° Winkel ausgebildet sind, wobei die jeweils senkrecht nach au­ ßen abstehenden Schenkel davon mit den Leiterbahnen (3) kon­ taktiert sind.

4. Datenträgerkarte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Umriß der Aussparung (8) paßgenau zum Umriß des SMD-Bauelementes (1) ausgebildet ist.

5. Datenträgerkarte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Aussparung (8) ein Durchgang ist.

6. Datenträgerkarte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zusätzlich zur Aussparung (8) eine zu dieser ungefähr konzentrisch angeordnete Vertiefung (6) vorhanden ist, um An­ schlußbeinchen (7) in die Hauptfläche des Kartenkörpers (5) abzusenken.

7. Datenträgerkarte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Schutzfolie (2) mit optischen Informationen verse­ hen ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Datenträgerkarte nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 6, worin der aus einem Duroplast oder Thermoplast bestehende flächige Kartenkörper (5) mit einer Aussparung (8) und mit dreidimensional ausgebildeten Leiter­ bahnen (3) in einem Spritzgießverfahren hergestellt wird, daß SMD-Bauelement (1) über Kopf in der Aussparung (8) montiert wird und eine Schutzfolie ein- oder beidseitig aufgebracht wird.