DE19616424A1 - Elektrisch isolierendes Material mit einem elektronischen Modul - Google Patents

Elektrisch isolierendes Material mit einem elektronischen Modul

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Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch isolierendes Material mit einem elektronischen Modul und mit auf dem elektrisch isolierenden Material aufgebrachten elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen, vorzugsweise eine Chipkarte mit Antennenspule.
Die Erfindung ist insbesondere bei kontaktlosen Chipkarten anwendbar. Sie ist jedoch darüberhinaus für Datenträger geeignet, bei denen in einem elektrisch isolierenden Material ein elektronisches Modul oder ein Chip angeordnet ist, das mit einer elektrisch leitenden drahtförmigen Struktur, vorzugsweise mit einem Antennendraht verbunden ist.
Im Stand der Technik ist es bekannt, die Daten- und Energieübertragung zwischen kontaktlosen Datenträgern und den Schreibe- und Lesestationen mittels induktiver Kopplung, Mikrowellen oder kapazitive Einkopplung zu realisieren. Hierzu werden kleine Datenträger benötigt, auf denen bzw. in denen sich leitende Strukturen befinden, die mit einem elektronischen Modul verbunden sind. Um die bestehenden Abmessungsnormen und die Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit der Datenträger zu erfüllen, ist es erforderlich, daß die beim Gebrauch auftretenden mechanischen Kräfte keine Beschädigung des elektronischen Moduls, der elektrischen Verbindungen oder der elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen verursachen. Hierzu sind Anordnungen bekannt, bei denen Chips auf einer flexiblen Leiterfolie, die auch eine Antenne trägt oder bildet, mittels Bondverfahren befestigt werden. Weiterhin ist es bekannt, die Chips mittels Direktkontaktierungsverfahren zu montieren. Bei diesen Verfahren wird der mechanische Schutz des Chips und der Kontaktleitungen zwischen Chip und Chipkarte mit einer härtbaren Gieß- bzw. Abdeckmasse vorgenommen.
Nachteilig bei diesen Anordnungen und Verfahren ist, daß die Datenträger und die leitende Strukturenschicht unsymmetrisch in einer Plastikkarte eingebracht sind, was zu erhöhten Zugspannungen an den Leiterbahnen im Biegefall führt. Im Biege- und Torsionsfall der Plastikkarte treten bedingt durch material- und anordnungsmäßige Inhomogenitäten mechanische Spannungsspitzen auf, die zur Zerstörung bestimmter Materialien und damit zum Funktionsausfall der gesamten Plastikkarte führen können. Ein weiterer Nachteil ist, daß ein schicht- und materialunsymmetrisch aufgebauter Datenträger zur Durchbiegung neigt.
Im Stand der Technik wurde versucht, diese Nachteile durch den Einsatz von flachen Miniaturgehäusen teilweise zu umgehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für ein elektrisch isolierendes Material mit einem elektronischen Modul so zu verbessern, daß eine kostengünstige Herstellung ermöglicht wird, mechanische Spannungen weitgehend vermieden werden, eine im Bereich des elektronischen Moduls ungestörte Laminatoberfläche mit hoher De­ signqualität ermöglicht und eine hohe Biegefestigkeit gewährleistet wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen über Durchbrüche oder Vertiefungen im elektrisch isolierenden Material geführt sind, daß sich in den Vertiefungen oder Durchbrüchen mindestens ein elektronisches Modul befindet und daß mindestens ein elektronisches Modul mindestens auf der den elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen zugewandten Seite Kontaktflächen aufweist, die mit den elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen elektrisch leitend verbunden sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus:
  • 1. Die Anordnung gestattet eine hohe Designqualität beim Einsatz in Chipkarten. Es lassen sich dabei Einbaudicken von weniger als 450 µm erreichen. Dabei sind extrem kleine Einbauflächen von ca. 10 mm² realisierbar. Diese geringen Einbauflächen lassen sich erzielen, ohne daß dabei die bei im Einbau von Nacktchips bekannten Probleme der Einfassung in die Laminierfolienaussparungen auftreten.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht darüberhinaus eine sehr genaue Einfassung des elektronischen Moduls in das elektrisch isolierende Material. Es ergibt sich beispielsweise an der Unterseite des isolierenden Materials eine sehr gute Passung, vor allem bei Verwendung eines entsprechend gefärbten Metallsockels. An der Oberseite des elektrisch isolierenden Materials kann beispielsweise durch Auflegen einer weiteren, relativ dünnen Plastikfolie als Kernfolie ein sehr gutes Design auch im Bereich oberhalb des Halbleiterchips erreicht werden. Durch Anwendung der Drahtlegetechnik können die leitenden Struk­ turen gut in das elektrisch isolierende Material eingelegt werden und in Vertiefungen bzw. Durchbrüchen, in denen das Modul liegt, überspannt werden. Es ist beispielsweise möglich 50 µm starke Drähte ohne Schutzlack zu verarbeiten, die nahezu vollständig in das elektrisch isolierende Material eingedrückt sind. Damit läßt sich eine sehr gute Kartenebenheit verwirklichen. Mit der er­ findungsgemäßen Anordnung lassen sich Gesamtkartendicken von etwa 800 µm sehr wirtschaftlich herstellen.
  • 2. Es läßt sich eine hohe Stabilität der Anordnung erreichen, die es gestattet, vielfältige Kartenfunktionen zu realisieren. Mit verhältnismäßig geringem Aufwand werden hohe Qualitätsparameter erzielt. Beispielsweise kann durch die Verwendung von versilbertem Runddraht eine hohe Gütestabilität für die Antennenspule erreicht werden. Ferner ist eine gute Feuchtestabilität durch das Aufbringen eines Chipoberflächenschutzes in einfacher Weise er­ reichbar, bekannt als GLOB TOP Verfahren.
Mit der Anordnung läßt sich eine hohe Kontaktstabilität auch bei Feuchtigkeitseinflüssen erreichen, wenn Thermokompressionskontakte bzw. Kontakte verwendet werden, bei denen Edelmetall gegen Edelmetall mit elektrisch leitendem Kleber geklebt wird.
Insbesondere bei der Verwendung von metallischen Sockeln mit angeformten Seitenwänden für das elektronische Modul ergibt sich infolge der kleinen Fläche und der Sockelsteifigkeit eine sehr hohe Biegesteifigkeit von Sockel und eingeklebtem Chip. Durch den Einsatz von duktilem Kupferdraht wird eine hohe Biegestabilität der Antenne über den gesamten Kartenbereich gewährleistet. Es ergibt sich ferner eine hohe Produktflexibilität, da die Größe des elektronischen Moduls, die Kernfoliendicken und weitere eventuell erforderliche Plastikfolienmaterialien in weiten Grenzen variierbar sind. Besonders vorteilhaft ist auch, daß bereits Kernfolien mit eingesetztem elektronischen Modul und eingelegter Drahtantenne als Produkt verwendbar sind, wodurch sich eine sehr geringe Schichtdicke des Datenträgers verwirklichen läßt.
  • 3. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich weiterhin durch Herstellungs- und Kostenvorteile aus.
Die Erfindung gewährleistet einen minimalen Materialverbrauch. Die geringen Herstellungskosten ergeben sich insbesondere daraus, daß eine ca. 90%ige Ausnutzung aller eingesetzten Materialien ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist weiter, daß alle Verfahrensschritte bei der Herstellung der Anordnung voll automatisierbar sind, da aus der Halbleiterfertigung bekannte Fertigungsein­ richtungen und Verfahrensweisen verwendet werden können. Die Qualität des Erzeugnisses ist während seiner Herstellung sehr gut kontrollierbar, da kritische Stellen optisch sichtbar sind und keine verdeckten Kontaktstellen vorhanden sind. Ferner ist vorteilhaft, daß eine ökologische Produktion ohne schädliche Abprodukte, mit geringstem Energieeinsatz, ohne Sonderabfälle und ohne Gifte möglich ist.
Ein entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die sehr geringe Bauhöhe, die dadurch erreicht wird, daß das elektronische Modul in einem Durchbruch innerhalb einer elektrisch isolierenden Kernfolie angeordnet und gegen die den Durchbruch überspannenden Kontaktdrähte gedrückt wird, so daß die Kontaktdrähte bzw. Antennendrähte über den jeweiligen Chipkontaktflächen liegen, und daß sich einfach elektrisch leitende, dauerhafte Kontakte zwischen Chip und Kontaktdraht bzw. Antennendraht herstellen lassen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Modul in Form eines Halbleiterchips mit Ballkontakten;
Fig. 2 einen Sockel mit angeformten Seitenwänden für die Aufnahme eines Moduls;
Fig. 3 einen Sockel mit eingeklebtem Halbleiterchip mit Ballkontakten;
Fig. 4 eine elektrisch isolierende Kernfolie mit gesockeltem Chip und eingelegtem Draht;
Fig. 5 einen Ausschnitt der in Fig. 4 dargestellten Kernfolie mit kontaktiertem Chip;
Fig. 6 einen Querschnitt durch die Fig. 5 mit kontaktiertem, vergossenem Chip;
Fig. 7 ein leiterplattenförmiges Modul mit Halbleiterchip und elektrisch leitenden Kontakten an der Ober- und Unterseite des Moduls;
Fig. 8 eine elektrisch isolierende Basisfolie mit elektronischem Modul und Antennendraht;
Fig. 9 einen Ausschnitt von einer Chipkarte mit einem Querschnitt durch ein elektronisches Modul mit überspanntem Legedraht als Antennendraht;
Fig. 10 einen Schnitt durch ein elektronisches Modul in einem Plastikformkörper und
Fig. 11 ein leiterplattenförmiges Modul auf einer elektrisch isolierenden Plastikfolie mit überspanntem Legedraht als Antennendraht.
In den Fig. 1 bis 3 ist ein elektronisches Modul in Form eines Halbleiterchips 5, das Ballkontakte 6 und Isolierhügel 11 aufweist, sowie ein Metallsockel 17 dargestellt. Der Metallsockel 17 weist einen Sockelboden 19 und Seitenwände 18 mit Seitenwandschrägen 21 und Seitenwandaussparungen 20 auf. Die Seitenwandschrägen 21 erleichtern das Eindrücken des gesockelten Chips 5 in den Durchbrüchen 2.
Fig. 4 und dessen vergrößerter Ausschnitt Fig. 5 zeigen ein Beispiel für die Anordnung eines elektronischen Moduls 14 in einem Durchbruch 2, der in einer Kernfolie 1 angebracht ist. In der Kernfolie 1 ist der Durchbruch 2 eingebracht, in dem sich in einem Sockel das aufgeklebte Chip 5 befindet. Im Kreuzungsbereich sind die übereinander liegenden Legedrähte 10 mit Isolierkleber 11 gegen­ seitig isoliert. Auf der aktiven Chipseite 5 sind Ballkontakte 6 angebracht, die mit dem Legedraht 10 durch Thermokompressionsschweißen 26 kontaktiert sind. Um mögliche Lagefehler von Chip 5 gegenüber dem Legedraht 10 ausgleichen zu können, weist jede Chipbondinsel zur Drahtrichtung mehrere Ballkontakte 6 auf. Der Legedraht 10 weist Legedrahtschleifen 24 zum Zugspannungsausgleich auf. Um die sonst in die Kernfolie 1 eingelegten Legedrähte 10 über den Durchbruch 2 zu spannen bzw. über das in dem Sockel 17 befindliche Chip 5 zu spannen, liegen die Legedrähte 10 am Durchbruchrand 2 auf der Kernfolienoberfläche 1 (Drahtauflage 25) auf.
Nach Schweißverbindung 26 der mit dem jeweiligen Legedraht als Antennendraht überspannten Ballkontakte 6 bzw. nach Verbindung von mit dem jeweiligem Antennendraht 10 überspannten Ballkontakte 6 mit elektrisch leitendem Kleber 9 werden die Oberfläche des Chips 5, der zwischen Chip 5 und Sockel 17 sowie Seitenwand des Durchbruchs 2 verbleibende Raum und die den Durchbruch 2 überspannenden Legedrähte 10 mit elektrisch isolierenden Gießharz 13 ausgefüllt bzw. vollständig überdeckt und versiegelt.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen so versiegelten Durchbruch 2 mit Sockel 17, Chip 5 und Legedraht 10.
Die Herstellung des Datenträgers nach den Fig. 4, 5 und 6 erfolgt dabei in folgenden Arbeitsschritten:
Das Chip 5 wird im Waferverband mit Kontakthügeln in Form von Ballkontakten 6 und mit Isolierhügeln aus Isolierkleber 11 versehen. Der Waferverband wird danach getrennt und die Chips 5 in metallische Sockel 17 mit fotoinduziertem Kleber 12 eingeklebt. Das Kleben kann dabei partiell oder ganz flächig erfolgen. Anschließend wird das vorgebondete und gesockelte Chip 5 in den Durchbruch 2 einer Plastikfolie 1 eingesetzt.
Auf der Plastikfolie 1 wird danach der Legedraht als Antennendraht 10 so verlegt, daß die Anschlußenden über die Ballkontakte 6 des Chips 5 gezogen sind. Die Drähte 10 sind dabei etwas über das Chip 5 gespannt. Als Legedrähte 10 sind versilberte Kupferdrähte besonders geeignet, die durch Thermokompression 26 mit dem Gold der Ballkontakte 6 verschweißt oder mit Silberleitpaste 9 verklebt werden.
Danach erfolgt das Abdecken des Chipsockels 17, des Chip 5 und der Legedrähte 10 mit einem UV-härtbaren Gießharz 13. Bei Bedarf kann danach noch eine zweite Plastikfolie aufgelegt werden.
Fig. 7 zeigt ein flächiges Modul 14, bestehend z. B. aus einer winzigen Leiterplatte mit einem Halbleiterchip 5 und ihrem Zentrum. Das elektronische Modul 14 trägt auf seiner Unterseite veredelte, äußere Kontaktflächen 15, 8 zur eventuell zumindest temporären Kontaktierung mit weiteren elektrischen Einrichtungen und an seiner Oberseite veredelte, innere Kontaktflächen 16, 8 zur permanenten Kontaktierung mit drahtförmigen elektrisch leitenden Strukturen, z. B. mit Legedrähten 10.
In Fig. 8 ist das elektronische Modul 14 in einem nahezu flächengleichen Durchbruch 2 einer elektrisch isolierenden Plastikfolie 1 eingesetzt. Elektrisch leitende drahtförmige Strukturen in Form von Legedrähten 10 sind so in die Plastikfolie 1 eingelegt worden, daß sie den Durchbruch 2 genau über die inneren, veredelten Kontaktflächen 16, 8 überspannen. Versilberter Legedraht 10 und Kontakt­ flächen 16; 8 sind mit Leitkleber 9 permanent elektrisch und mechanisch verbunden. Im Kreuzungsbereich zweier Legedrähte 10 sind diese mittels Isolierkleber 11 elektrisch gegeneinander isoliert. Im Beispiel ist eine Antennenwicklung in Form eines Legedrahtes 10 auf einer Basisfolie 22 mit einem elektronischen Modul 14 dargestellt. Basisfolie 22 und elektronisches Modul 14 werden einseitig mit einer weiteren Plastikschicht 23 überspritzt und bilden anschließend gleichzeitig eine kontaktlose Chipkarte und eine Kontaktchipkarte.
Fig. 9 zeigt im Querschnitt einen Ausschnitt durch den Bereich des elektronischen Moduls 14 einer solchen Chipkarte.
Neben der Anwendung in Chipkarten ist die erfindungsgemäße Anordnung auch zur Herstellung z. B. rondenförmiger, kontaktloser Datenträger geeignet. Hierzu ist ein Auszug eines Querschnittes in Fig. 10 dargestellt.
Zunächst wird ein rondenförmiger Plastikformkörper 3, der Vertiefungen 4 zur Chipaufnahme aufweist, hergestellt. Die Kontaktflächen des Halbleiterchips 5 werden im Wafer mit Ballkontakten 6 versehen. Danach werden die Chips 5 durch Trennen des Wafers vereinzelt und in die Vertiefungen 4 der Plastikformkörper 3 geklebt. Die Chipoberfläche 5 kann anschließend zumindest partiell mit Isolierkleber 11 beschichtet werden, danach wird auf bzw. in den Plastikformkörper 3 ein Antennendraht 10 gelegt, wozu beispielsweise ein versilberter Kupferdraht verwendet werden kann. Der Antennendraht 10 wird mit den Ballkontakten 6 des Chips 5 mit Hilfe von Leitkleber 3 verbunden. An­ schließend werden die Vertiefungen 4 und die Chipoberfläche 5 mit Gießharz 13 ausgefüllt bzw. komplett bedeckt. Dabei kann gleichzeitig das Isolieren 11 der Antennendrahtkreuzung erfolgen. Auf den Plastikformkörper 3 kann je nach Anwendungsziel weiterer Kunststoff durch Gießen 23 aufgebracht oder die Antennendrahtebene flächig mit Isolierkleber 11 beschichtet werden.
Fig. 11 zeigt ein Beispiel, bei dem das elektronische Modul 14 auf eine Basisfolie 22 oder auf ein beliebiges Plastikstück geklebt ist. Die äußeren Kontaktflächen 15, 8 des elektronischen Moduls 14 werden vom Legedraht 10 überdeckt. Die oberflächenveredelten äußeren Kontaktflächen 15, 8 und der Legedraht 10 wurden nach der Montage von elektronischen Modul 14 und Legedraht 10 mit Leitkleber 9 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste
1 Plastikfolie (als Kernfolie)
2 Durchbruch
3 Plastikformkörper
4 Vertiefung
5 Chip
6 Ballkontakt
7 Chipkontaktfläche
8 Kontaktfläche mit Edelmetallbeschichtung
9 Leitkleberverbindung
10 Legedraht mit Edelmetalloberfläche; elektrisch leitende drahtförmige Struktur
11 Isolierkleber
12 Chipkleber
13 Gießherz
14 elektronisches Modul
15 Äußere Kontaktflächen (des Moduls)
16 Innere Kontaktflächen (des Moduls)
17 Sockel; Sockelelement
18 Sockelseitenwand
19 Sockelboden
20 Seitenwandaussparung
21 Seitenwandschräge
22 Plastikfolie als Basisfolie
23 Spritzgußschicht
24 Legedrahtschleife
25 Drahtauflage
26 Schweißverbindung

Claims (12)

1. Elektrisch isolierendes Material mit einem elektronischen Modul und mit auf dem elektrisch isolierenden Material aufgebrachten elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen, vorzugsweise Chipkarte mit Antennenspule, dadurch gekenn­ zeichnet,
  • - daß die elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen (10) über Durchbrüche (2) oder Vertiefungen (4) im elektrisch isolierenden Material (1) geführt sind,
  • - daß sich in den Vertiefungen (4) oder Durchbrüchen (2) mindestens ein elektronisches Modul (14) befindet und
  • - daß mindestens ein elektronisches Modul (14) mindestens auf der den elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen (10) zugewandten Seite Kontaktflächen (8) aufweist, die mit den elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen (10) elektrisch leitend verbunden sind.
2. Elektrisch isolierendes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Modul (14) aus einem Halbleiter-Chip (5) besteht, welches sich auf einem Sockelelement (17) befindet, dessen Grundfläche mit der Fläche des Durchbruchs (2) im elektrisch isolierenden Material (1) annähernd übereinstimmt.
3. Elektrisch isolierendes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Modul (14) aus einem Halbleiter-Chip (5) besteht, welches sich auf einem Sockelelement (17) befindet, dessen Grundfläche kleiner oder höchstens gleich der Fläche der Vertiefung (4) ist.
4. Elektrisch isolierendes Material nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sockelelement (17) schalenförmig ausgebildet ist und schräge Seitenwände (21) aufweist.
5. Elektrisch isolierendes Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (7) des elektronischen Moduls (14) Veredlungsstellen in Form von Edelmetallballkontakten (6) aufweisen.
6. Elektrisch isolierendes Material nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Edelmetallballkontakte (6) mittels elektrisch leitendem Kleber (9) mit den elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen (10) verbunden sind.
7. Elektrisch isolierendes Material nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf den elektrischen Chipkontaktflächen (7) mehrere Edelmetallballkontakte (6) angebracht sind, wobei jeweils mindestens ein Edelmetallballkontakt (6) mittels einer Schweißverbindung (26) mit den elektrisch leitenden drahtförmigen Strukturen (10) verbunden ist.
8. Elektrisch isolierendes Material nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende drahtförmige Struktur (10) in der Plastikschicht (1, 3, 22) versenkt oder nahezu versenkt ist.
9. Elektrisch isolierendes Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende drahtförmige Struktur (10) in der Nähe des Durchbruchs (2) oder der Vertiefung (4) auf dem isolierenden Material (1, 3, 22) aufliegt.
10. Elektrisch isolierendes Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende drahtförmige Struktur (10) in der Nähe des elektronischen Moduls (14), Schleifen (24) zum Zugspannungsausgleich aufweist.
11. Elektrisch isolierendes Material nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende drahtförmige Struktur (10) Kreuzungsbereiche aufweist, die mit Isolierkleber (11) gegenseitig isoliert sind.
12. Elektrisch isolierendes Material nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich an dem elektronischen Modul (14) auf mindestens zwei Seiten elektrische Kontaktflächen (15; 16) befinden, wobei die elektrischen Kontaktflächen (16; 8) auf einer Seite des elektronischen Moduls (14) mit der elektrisch leitenden drahtförmigen Struktur (10) kontaktiert sind und sich auf der anderen Seite des elektronischen Moduls (14) elektrische Kontaktflächen (15; 8) befinden, die mindestens zeitweilig mit elektrischen Anschlüssen weiterer elektronischer Einrichtungen kontaktierbar sind.
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