DE19645067C2 - Verbindungsanordnung zum Herstellen einer Chipkarte - Google Patents

Verbindungsanordnung zum Herstellen einer Chipkarte

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Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordung zur Herstel­ lung einer Chipkarte gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung einer Chipkarte, insbesondere solcher, bei der sowohl Mittel zur kontaktlosen Datenübertragung als auch eine galvanische Kontaktebene vorhanden ist, wird in einen Kartenkörper ein Modul eingebracht, welcher einen Halbleiterchip umfaßt.
Der Modul wird vorzugsweise in eine Ausnehmung im Kartenkörper eingelegt und mittels Fügen oder dergleichen mit dem Kar­ tenkörper unter Erhalt einer entsprechenden mechanischen und elektrischen Verbindung laminiert.
Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Modul und Kar­ tenkörper bzw. auf dem Kartenkörper befindlichen Kontakten, die mit einer Spule zur Herstellung einer kontaktlosen Ver­ bindung zur Umgebung in Kontakt stehen, kommt beispielsweise dadurch zustande, daß ein anisotroper leitender Klebstoff im Bereich der Anschlußstellen und/oder der Verbindungsstellen des jeweiligen Mittels für eine kontaktlose Datenübertragung aufgetragen und der Klebstoff zumindest im Bereich der An­ schlußstellen soweit verdichtet oder komprimiert wird, daß eine elektrisch leitende Brücke entsteht.
Im Fall eines Klebstoffes mit leitenden Partikeln führt zu dies dazu, daß die Partikel im Bereich zwischen den Anschluß­ stellen und dem Mittel für die kontaktlose Datenübertragung sich berühren, wodurch die leitende Verbindung resultiert.
Die bei der Herstellung von Chipkarten verwendeten Module greifen in der Regel auf einen Kunststoffträger zurück, auf dem das eingangs erwähnte Halbleiterchip gegebenenfalls mit ISO-Kontaktflächen versehen angeordnet ist. Das so vorgefer­ tigte Modul wird mit dem Kartenträger, der z. B. aus Polycar­ bonat bestehen kann, verbunden. Dieses Verbinden bzw. das Einsetzen des Moduls in den Kartenkörper in eine, z. B. gefrä­ ste, Ausnehmung erfolgt üblicherweise unter Rückgriff auf ein Klebeverfahren bei Verwendung eines Heiß- oder Schmelzklebers.
In dem Falle, wenn Kombikarten, die sowohl zur kontaktlosen als auch zur kontaktbehafteten Verwendung geeignet sind, oder kontaktlose Karten hergestellt werden sollen, muß eine weitere Kontaktebene mit Anschlußstellen für die Induktionsschleife vorgesehen sein. Diese Anschlußstellen befinden sich bevorzugt erhaben auf der Oberfläche des Moduls und/oder auf der Oberfläche oder an den Seitenflächen der Ausnehmung des Kartenträgers. Bei derartigen Anordnungen ist es dann möglich, die Verklebung von Modul- und Kartenträgern mittels der Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung in einem Arbeitsgang durchzuführen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das erforderliche Temperatur- und Zeitregime zur Herstellung zu­ verlässiger sowohl elektrischer als auch mechanischer Verbindungen engen Toleranzen unterliegt, so daß bei nicht optimalen Verfahrensparametern die Langzeitstabilität derartig hergestellter Karten reduziert ist und das es aufgrund der Abmessungen und der plastischen Eigenschaften des Moduls sowie des Kartenträgers zu Verwindungen und Verspannungen in der Karte mit der Folge gestörter elektrischer Verbindungen, d. h. geringerer Zuverlässigkeit kommt.
Gleiches gilt für kraftschlüssige Verbindungen, z. B. mittels Federelement. Hier können zwar Verspannungen oder Verwindungen durch Kontakt-Federelemente aufgenommen werden, jedoch bestehen Probleme hinsichtlich der Oberflächenkorrosion der Kontakte.
Aus der DE 195 00 925 A1 ist eine Chipkarte zur kontaktlosen Datenübertragung vorbekannt, wobei dort schwerpunktmäßig auf das Einbringen eines separaten Übertragungsmoduls in den Kartenkörper abgestellt wird. Das dortige Übertragungsmodul weist Anschlußflächen zur elektrischen Ankopplung an ein Chipmodul auf. Weiterhin wird auf eine elektrische Ankopplung zwischen Chipmodul und Übertragungsmodul mittels kapazitiver Verbindung über eine entsprechende dielektrische Schicht zwischen den betreffenden Anschlußflächen hingewiesen.
Die Druckschriften NL 91 00347 und 91 00176 offenbaren eine Chipkarte, die ein Modul aufweist, welches induktiv mit einer Antennenspule gekoppelt ist. Die auf dem dortigen Modul befindliche Spule verfügt zur Verbesserung der Kopplung zu einer weiteren Spule über ein Kernmaterial entsprechender Permeabilität. Die Modulspule ist nicht direkt mit der Antennenspule verbunden, sondern über eine weitere quasi Koppelspule, oder mit einer Transformatoranordnung, wie in NL 91 00176 dargelegt.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verbindungsanordnung zur Herstellung einer Chipkarte zur drahtlosen Datenübertragung anzugeben, die eine optimale Einbindung eines Moduls mit Halbleiterchip in eine Kavität oder Ausnehmung des Kartenträgers gestattet, wobei die Verbindung, insbesondere bei Biegebelastungen, mechanisch sicher sein soll und elektrische Eigenschaften aufweist, die weitgehend frequenzunabhängig sind, so daß sich eine hohe Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit der Chipkarte ein­ stellt.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Ver­ bindungsanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen oder Weiterbildungen umfassen.
Gemäß der Erfindung wird der in die Kartenausnehmung zu implantierende Modul mit mindestens einer ersten kapazitiven Koppelfläche versehen, wobei diese erste kapazitive Koppel­ fläche mit einer in der Ausnehmung des Kartenträgers befind­ lichen zweiten kapazitiven Koppelfläche elektrisch wechsel­ wirkt. Die zweite kapazitive Koppelfläche führt zu einer an sich bekannten Induktionsspule zur Herstellung einer kontaktlosen Verbindung zur Umgebung hin.
Weiterhin wird nun sowohl eine induktive Kopplung zwischen zum implantierenden Modul und Kartenträger als auch eine kapazitive Kopplung vorgenommen, so daß sich eine optimale Daten- und Signalübertragung zwischen Modul bzw. Halbleiter­ chip und Kartenträger ergibt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der das Chip tragende Modul mit einer speziellen Metallisierungsebene versehen, die als Induktionsspule ausgeführt ist. Diese Induktionsspule wird bei der Montage des Moduls in der Ausnehmung der Kontaktfläche mit einer in der Ausnehmung befindlichen Spule zur induktiven Kopplung in Deckung gebracht. Die in der Ausnehmung des Kartenträgers befindliche Spule kann Bestandteil der an sich bekannten Induktionsspule zur elektrischen Kontaktierung nach außen sein.
Zur Erhöhung des Kopplungsgrades zwischen den induktiven Elementen, d. h. der ersten und zweiten Spule wird vorge­ schlagen, den Modul mindestens teilweise und/oder den Kartenträger im Bereich der zweiten Spule mit hochpermeablen Dotierungsstoffen zu versehen oder eine hochpermeable Beschichtung aufzubringen. Vorzugsweise sind hierfür auf eine entsprechende Korngröße gebrachte, fein granulierte Seltener­ demagnete einsetzbar. Auch an sich bekannte Titanate und Fer­ ritmaterialien sind zur Erhöhung der Permeabilität geeignet.
Es liegt im Sinne der Erfindung, daß die ersten und zweiten Spulen sowohl als Drahtspule oder in gedruckter oder additiv aufgebrachter Form realisierbar sind. Auch ist das Herausätzen von Spulenwindungen oder das Herausbrennen aus einer Metallisierungsschicht durch Verwendung eines Lasers denkbar.
Die im Modul vorhandene erste Spule oder aber auch die erste kapazitive Koppelfläche können auf der zum Kartenträger nach innen hingerichteten Seite aufgebracht aber auch auf einem Zwischenträger befindlich sein, der mit einer entsprechenden Isolationszwischenschicht der Aufnahme von ISO-Außenkontakten dient.
Die erste Spule ist als Versteifungsrahmen wirkend außenrand­ seitig des Moduls angeordnet ist. Hierdurch erhöht sich die Steifigkeit des Moduls, wodurch Preßkräfte insbesondere beim Laminieren des Moduls in die Ausnehmung des Kartenträgers besser aufgenommen werden können.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spieles und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine prinzipielle perspektivische Darstellung eines Kartenträgers mit Ausnehmung zur Aufnahme eines Chipmoduls;
Fig. 2 eine Ansicht eines Chipmoduls mit Ausbildung einer Induktionsspule;
Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung der Chipkarte mit Spule zur Herstellung einer kontaktlosen Verbindung zur Umgebung hin und innerer Spule zur induktiven Kopplung mit der auf dem Chipmodul befindlichen weiteren Spule; und
Fig. 4a-c verschiedene Varianten eines Moduls mit induktivem Koppelelement.
Bei der in der Fig. 1 gezeigten Darstellung wird von einer IC-Karte 1 ausgegangen, welche eine Ausnehmung 2 zur Aufnahme eines Chipmodules 3 aufweist. Im Bereich der Ausnehmung 2 der IC-Karte 1 ist eine zweite Spule 4 auf- bzw. eingebracht, die der induktiven Kopplung mit einer ersten Spule 5 (Fig. 2) dient.
Für das Einsetzen und Chipkontaktieren des Moduls 3 in die Ausnehmung 2 kann auf an sich bekannte Laminier- und Kle­ betechniken zurückgegriffen werden. Gemäß Ausführungsbeispiel wird die gewünschte elektrische Verbindung zwischen Chipmodul 3 und der zweiten Spule 4 in der IC-Karte 1 rein induktiv realisiert. Mechanische Spannungen oder minimale Veränderungen der Lagebeziehung zwischen IC-Karte 1 und Chipmodul 3 führen nicht zu schlechteren elektrischen Verbindungen, beispielsweise durch Erhöhung des Kontaktwiderstandes an den Verbindungspunkten zwischen Modul und Antenne.
Bei dem Chipmodul 3 gemäß Fig. 2 wird von einem bekannten Substratträger 6 ausgegangen, welcher mit einem sogenannten Nackt-Chip versehen ist. Darüber hinaus ist auf dem Substrat­ träger 6 die erste Spule 5 auf- oder eingebracht, welche elektrisch mit den entsprechenden Anschlüssen des Chips ver­ bunden ist. Der Chip selbst wird mit einer Abdeckung 7, z. B. aus Silikongummi, versehen.
Der Substratträger 6 kann auf seiner dem Chip gegenüberlie­ genden Seite mit an sich bekannten ISO-Kontakten zur kontakt­ behafteten Verbindung nach außen versehen sein. Hier wird er­ gänzend auf die Fig. 4b und 4c verwiesen.
Eine Ausbildung der IC-Karte 1 mit einer induktiven Koppel­ spule zur Herstellung einer drahtlosen Verbindung zur Umgebung hin sei anhand der Fig. 3 erläutert.
Die äußere induktive Koppelspule 8 weist einen Spulenabschnitt 9 auf, welcher die zweite Spule 4 im Bereich der Ausnehmung 2 bildet.
Ergänzend ist auf den sich gegenüberliegenden Flächen im Bereich der Ausnehmung 2 der IC-Karte 1 sowohl der Substratträger 6 als auch der gegenüberliegende Bereich der IC-Karte 1 mit kapazitiven Koppelflächen versehen, so daß sich neben einer gewünschten induktiven Kopplung auch eine kapazitive Verbindung einstellt.
Fig. 4a zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Chipmodules 3 mit Chip 31, Chipkontakten 32 und Spulenwindungen 33. Dieses Modul wird Facedown in die entsprechende Ausnehmung 2 der IC- Karte 1 eingesetzt, wobei gegebenenfalls die Spulenwindungen 33 bezogen auf die gegenüberliegende Windungen der zweiten Spule 4 isoliert sind.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4b ist der Substratträger 6 auf seiner nach oben weisenden, nach außen zeigenden Seite mit ISO-Kontakten 34 versehen, die in nicht näher dargestell­ ter Weise elektrisch mit dem Chip 31 in Verbindung stehen. Die ISO-Kontakte 34 dienen der Herstellung einer kontaktbehafteten Verbindung der IC-Karte nach außen.
Bei der Ausführungsform der Verbindungsanordnung bzw. des Chipmodules 3 nach Fig. 4c wird von einem Zwischenträger 35 ausgegangen, der der Aufnahme der Spulenwindungen 33 und der ISO-Kontakte 34 dient. Der Zwischenträger 35 kann wiederum mit dem Substratträger 6, z. B. durch laminieren, verbunden werden. Bei der gezeigten Anordnung gemäß Fig. 4c kann auf eine zusätzliche elektrische Isolierung der Spulenwindungen 33 verzichtet werden, da diese entweder im Zwischenträger 35 eingebettet oder durch den Substratträger 6 isoliert werden.
Zur Verbesserung der induktiven Kopplung können Bereiche des Substratträgers, des Zwischenträgers und/oder entsprechende Abschnitte in der Ausnehmung der IC-Karte mit hochpermeablen Stoffbeimengungen versehen sein oder es kann eine entspre­ chende Beschichtung im Bereich der ersten und zweiten Spulen aufgebracht werden.
Gemäß Ausführungsbeispiel wirkt die erste Spule des zu implantierenden Moduls als Versteifungsrahmen und bildet in diesem Sinne einen integralen Bestandteil des Chipträgers, so daß Kräfte beim Einpressen des Moduls in die Ausnehmung leichter aufgenommen werden bzw. das Auftreten unerwünschter Verformungen des Moduls beim Einsetzen und Einpressen von vornherein vermieden wird.
Grundsätzlich sei angemerkt, daß es nicht notwendig ist, erste und zweite Spule räumlich zur Deckung zu bringen. Primär ist vielmehr das Gewährleisten einer ausreichenden, induktiven Kopplung zwischen den Spulen.
Alles in allem gelingt es mit der Erfindung die Nachteile be­ kannter elektrischer Kontaktierungen stoffschlüssiger oder kraftschlüssiger Art zu vermeiden, in dem auf induktive und/oder kapazitive Kopplung der Signalübertrag zwischen Chip und eigentlicher IC-Karte zurückgegriffen wird. Hierdurch re­ duzieren sich Aufwendungen bei der Montage des Moduls aufgrund der Vermeidung aufwendiger Justagen und es können die Kosten herstellungsseitig reduziert werden, da die Verwendung teuerer Spezialkleber, die sowohl eine elektrische als auch mechanische Verbindung realisieren sollen, entfallen kann.
Bezugszeichenliste
1
IC-Karte
2
Ausnehmung
3
Chipmodul
4
zweite Spule
5
erste Spule
6
Substratträger.
7
Abdeckung
8
äußere Koppelspule
9
Spulenabschnitt
31
Chip
32
Chipkontakte
33
Spulenwindungen
34
ISO-Kontakte
35
Zwischenträger

Claims (3)

1. Verbindungsanordnung zur Herstellung einer Chipkarte zur drahtlosen Datenübertragung mittels einer Antennenspule, bestehend aus einem Modul mit einem Halbleiterchip sowie einem Kartenträger mit Ausnehmung zur Aufnahme des Moduls, wobei auf oder in der Einsatzseite des Moduls eine erste kapazitive Koppelfläche ausgebildet ist, welche mit Anschlüssen des Halb­ leiterchips elekrisch verbunden ist, und daß in oder auf hier Ausnehmung des Kartenträgers eine zweite kapazitive Koppelf­ läche aufgebaut oder eingeformt ist, wodurch nach dem Ein­ setzen des Moduls in die Ausnehmung eine kapazitive Kopplung resultiert und weiterhin die zweite kapazitive Koppelfläche elektrisch an die Antennenspule zur Herstellung der drahtlosen Verbindung zur Umgebung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf oder in der Einsatzseite des Moduls zusätzlich eine mit den Anschlüssen des Halbleiterchips verbundene erste Spule angeordnet ist, welche mit einer in oder auf der Ausnehmung des Kartenträgers befindlichen zweiten Spule induktiv gekoppelt ist, wobei die zweite Spule elektrisch mit der Antennenspule verbunden oder ein Spulenabschnitt dieser ist und die erste Spule einen Versteifungsrahmen für den Modul bildet.
2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der induktiven Kopplung der Modul und/oder der Kartenträger mit hochpermeablen Stoffbeimengungen oder einer entsprechenden Beschichtung mindestens im Bereich der Spulen versehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule außenrandseitig des Moduls angeordnet ist.
DE19645067A 1996-10-09 1996-10-31 Verbindungsanordnung zum Herstellen einer Chipkarte Expired - Lifetime DE19645067C2 (de)

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