DE19720226C1

DE19720226C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Chipkarten

Info

Publication number: DE19720226C1
Application number: DE1997120226
Authority: DE
Inventors: Tomas Meinen; Bernd Goebel
Original assignee: Meinen Ziegel & Co GmbH
Current assignee: KUENNECKE VERWALTUNGS GMBH & CO. HOLDING KG, 37603
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: WO1998052154A1; DE19720226C5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Chipkarten.

Bei kontaktlosen Chipkarten sind passive Übertragungs elemente, insbesondere Spulen oder elektrisch leitende Schichten für eine kapazitive Daten- und Energieübertragung im Inneren des Kartenkörpers eingegossen oder einlaminiert.

Um diese Bauteile nun an einen Chip anschließen zu können, wird in der EP 0 671 705 A2 vorgeschlagen, schon bei der Fertigung eine Öffnung dort zu lassen, wo sich die Kontakte befinden. Dadurch wird die Fertigung der Kartenkörper wesentlich erschwert. Darüber hinaus ist die weitere Hand habung (Verpackung, Versand usw. ) derartig vorgefertigter Kartenkörper zu Kunden sehr schwierig und kann die Karten körper unbrauchbar machen, wenn die Kunden individuelle Chips einsetzen wollen.

Aus der DE 195 00 925 A1 ist eine Chipkarte dieser Art be kannt, bei welcher ein getrenntes, also zusätzliches Über tragungsmodul eingesetzt wird, um die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem im Kartenkörper eingebetteten Bauteil und dem Chip herzustellen. Auch diese Anordnung bzw. dieses Verfahren sind aufwendig.

Aus der DE 42 41 482 A1 sind ein Verfahren und eine Einrich tung zur Herstellung von IC-Karten bekannt. Dabei wird in eine aus Kunststoff bestehende Karte zunächst eine Mulde eingebracht, worin ein IC-Baustein mit außen liegenden Kon taktflächen vorgesehen ist. Zur Herstellung der Mulde wird zunächst ein Sackloch in die Karte vorzugsweise durch Fräsen eingebracht. Anschließend wird die Mulde mit Hilfe eines Prä gestempels ausgeformt, wobei das vom Prägestempel verdrängte Material in das Sackloch ausweicht. Das Ausformen der Mulde erfolgt vorzugsweise durch Warmprägen.

Aus der US 5 563 444 ist ein transportierbarer Gegenstand bekannt, der in einem Kunststoffträger einen Hohlraum zur Aufnahme einer Mikroschaltung aufweist. Die Mikroschaltung enthält einen leitenden Chip mit voneinander elektrisch iso lierten Zonen. Die Grundfläche des Hohlraums hat einen Umriß, der aus einer Reihe von Bögen gebildet ist, die im Verhältnis zum Chipdurchmesser einen relativ kleinen Radius haben. Die seitlichen Begrenzungen des Hohlraums sind um etwa 10° nach innen geneigt. Durch diese geometrische Anordnung kann eine Mikroschaltung mit verhältnismäßig wenig Klebstoff in dem Hohlraum befestigt werden.

Aus der WO 97/05571 A1 ist ein Datenträger mit einem Modul, das ein Bauteil aufweist, und eine Spule bekannt. Weiterhin ist darin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Daten trägers beschrieben. Die Spulenwindungen der Spule sind dabei so angeordnet, daß sie zumindest in ihrem zu dem Bauteil be nachbarten Bereich in einem außerhalb des Bauteilniveauberei ches liegenden Windungsniveaubereich liegen. Zwei Anschluß kontakte des Bauteils sind so ausgebildet, daß sie sich zu zwei Spulenanschlußkontakten hin erstrecken, die in dem Win dungsniveaubereich liegen. Eine unmittelbare Berührung der Spulenanschlußkontakte mit den Anschlußkontakten des Bauele ments ist jedoch nicht vorgesehen. Die elektrische Verbindung zwischen den Spulenanschlußkontakten und den Anschlußkontak ten des Bauelements erfolgt durch einen elektrisch leitenden Klebstoff.

Auch die Vorrichtungen bzw. Verfahren gemäß den drei letztge nannten Druckschriften sind nicht geeignet, eine sichere Bau teil-Kontaktierung mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg auf zuzeigen, wie auf einfache Weise eine sichere Bauteil- Kontaktierung erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch den Gegenstand des Anspruches 1 und vorrichtungsmäßig durch den Gegenstand des Anspruches 6 gelöst.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, daß man eine echte Regelung des Einsenkvorgangs dadurch durchführt, daß man das zu kontaktierende Bauteil selbst bzw. dessen Position mit in den Bearbeitungsvorgang bzw. in die Regelung einbezieht. Es wird also nicht mehr davon ausgegangen, daß die zu kontaktierende Schicht in einer ganz bestimmten Tiefe unter der Kartenoberfläche liegt - was durch Fertigungs toleranzen sehr unterschiedlich sein kann -, es wird vielmehr davon ausgegangen, daß man die Entfernung zwischen dem Ein senkwerkzeug und der zu kontaktierenden Schicht zumindest so messen kann, daß der direkte Kontakt zwischen dem Einsenk werkzeug und dem Kontaktabschnitt feststellbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die elektrische Impedanz zwischen dem elektrischen Bauteil und mindestens einer mit dem Einsenkwerkzeug verbundenen Meß elektrode gemessen. Hierfür eignet sich insbesondere eine Kapazitätsmessung (oder auch eine Verlustfaktor-Messung), da zu Beginn des Einsenkvorganges das im Kartenkörper einge bettete Bauteil zunächst "isoliert" ist. Dann, wenn das mit der Meßelektrode elektrisch verbundene Einsenkwerkzeug in elektrisch leitende Verbindung zum Kontaktabschnitt kommt, wird diese Impedanz kurzgeschlossen, erfährt also eine extrem starke Änderung.

Diese Kapazitäts- oder Verlustfaktormessung kann durch die Feststellung einer Resonanzfrequenz (und/oder einer Dämpfung) eines Schwingkreises erfolgen, in welchen die Meßelektrode und das eingebettete Bauteil sowie das dazwischenliegende Kartenmaterial mit einbezogen sind. In diesem Fall regt man den Schwingkreis durch kurze Impulse (Blips) an und be obachtet den Abklingvorgang der Schwingung hinsichtlich der Nulldurchgänge, um die Resonanzfrequenz bzw. die Dämpfung des Schwingkreises festzustellen. Dann, wenn das Einsenkwerkzeug die Impedanz kurzschließt, erfährt dieser Ausschwingvorgang eine extrem starke Änderung.

Um eine möglichst hohe Arbeitsgeschwindigkeit zu erzielen und dennoch nicht aufgrund von Vorschub-Totzeiten die oftmals sehr dünnen (15 µm dicken) Kontaktschichten zu zerstören bzw. zu durchbrechen, ist es von Vorteil, wenn man einen wesent lichen Teil der einzuarbeitenden Ausnehmung im Steuerungs betrieb durchführt, bei welchem das Einsenkwerkzeug aufgrund gespeicherter Steuerdaten geführt wird. Diese sind dann so den zu erwartenden Toleranzen angepaßt, daß die Kontakte sicher noch nicht vom Einsenkwerkzeug berührt werden, solange im Steuerbetrieb gearbeitet wird. In diesem Betriebsmodus wird das Einsenkwerkzeug mit einer erhöhten Vorschubge schwindigkeit betrieben. Sobald die voreingestellte Tiefen grenze erreicht ist, wird auf eine niedrigere Vorschubge schwindigkeit umgeschaltet, um den Vorschub dann anhalten zu können, wenn das Einsenkwerkzeug einen (elektrischen) Kontakt mit dem Kontaktabschnitt des im Kartenkörper eingebetteten Bauteils hergestellt hat.

Vorzugsweise wird die Impedanz zwischen dem eingebetteten Bauteil und einer Halteeinrichtung gemessen, auf welcher der Kartenkörper mit seiner, der Oberfläche gegenüberliegenden Unterfläche aufliegt. Dann, wenn das Einsenkwerkzeug einen elektrischen Kontakt zum Kontaktabschnitt des eingebetteten Bauteils herstellt und dieses mit der Meßelektrode elektrisch verbindet, steigt die Kapazität zwischen der Halteeinrichtung und der Meßelektrode.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungs beispielen erläutert, die unter Bezug auf die beigefügten Abbildung beschrieben werden. Hierbei zeigen

Fig. 1: eine Draufsicht auf eine in ihrer Mittelebene geschnittene Karte,

Fig. 2: einen Schnitt durch eine vollständige Karte in einer Position, wie sie mit der Linie II-II in Fig. 1 angedeutet ist,

Fig. 3: einen Längsschnitt entsprechend dem nach Fig. 2 durch einen Kartenkörper sowie eine Bearbeitungsvorrichtung, in welche der Kartenkörper eingesetzt ist,

Fig. 4: ein elektrisches Ersatzschaltbild der Meßanordnung unter Einbeziehung der Vorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 5: eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht ähnlich der nach Fig. 3 jedoch mit einer angepaßten Meßelektrode,

Fig. 6: ein elektrisches Ersatzschaltbild zur Ausführungs form der Erfindung nach Fig. 5,

Fig. 7: eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer Darstellung ähnlich der nach den Fig. 3 und 5, und

Fig. 8: ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. 7.

In der nachfolgenden Darstellung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.

In den Fig. 1 und 2 ist sehr schematisiert ein Karten körper 10 gezeigt, in welchem ein Bauteil 11, hier eine Spule bestehend aus einer Leiterbahn 14 und einem ersten und einem zweiten Kontaktabschnitt 12 und 13 eingebettet ist. Bei einem so hergestellten Kartenkörper müssen nun die Kontaktab schnitte 12 und 13 freigelegt werden und zwar derart, daß die Metallschicht (meist Kupfer), die sehr dünn ist, nicht durch brochen wird.

Hierzu wird der Kartenkörper 10, wie schematisiert in den Fig. 3, 5 und 7 gezeigt, auf eine Halteeinrichtung 20 aufgelegt, die den Kartenkörper 10 mit seiner Oberseite, in welche Ausnehmungen 15 eingebracht werden sollen, gegen eine Andruckplatte 30 drückt und in dieser Position hält. Dadurch ist der Kartenkörper während der Bearbeitung vollständig fixiert.

Die Andruckplatte 30 weist in diesem Beispiel eine erste und eine zweite Bohrung 31 und 32 auf, die so in der Andruckplat te 30 angebracht sind, daß sie über den Kontaktabschnitten 12 und 13 angeordnet sind. Sie sind so dimensioniert, daß der Fräskopf 28 eines Fräswerkzeugs 29 durch die Bohrungen 31, 32 hindurchgeführt und in das Material des Kartenkörpers 10 hineingefahren werden kann.

Die Halteeinrichtung 20 umfaßt nun einen Stempel 21, der auf und ab bewegbar ist, um einen Kartenkörper 10 einzuspannen und freizugeben. Im Stempel 21 ist eine Elektrode 22 über einen Isolator 23 isoliert gehalten, auf welcher der Karten körper 10 aufliegt. Die Elektrode 22 ist mit einem Anschluß kontakt A verbunden. Die Andruckplatte 30 wiederum ist mit Masse verbunden, wie auch das Fräswerkzeug 29 mitsamt dem Fräzkopf 28.

Nachfolgend wird anhand von Fig. 4 eine mögliche Meßein richtung erläutert, mittels welcher feststellbar ist, wenn der Fräskopf 28 einen elektrischen Kontakt zum Bauteil 11 bzw. zu dessen ersten Kontaktabschnitt 13 herstellt.

Die in Fig. 4 gezeigte Meßanorndung ist (natürlich auf den ersten Blick) als Wheatstone-Brücke zu erkennen, deren eines Paar von Zweigen von ohmschen Widerständen R1, R2 gebildet wird und von deren anderen Zweigen der eine (untere) Zweig von einem Meßkondensator C1 gebildet ist. Der andere Kondensator ist einerseits durch die Fläche der Elektrode 22 gebildet, andererseits durch die gegenüberliegende Fläche der Andruckplatte 30.

Das Bauteil 11 bzw. seine Kontaktabschnitte 12, 13 sowie seine Leiterbahn 14 bilden eine weitere Kondensatorfläche, die der Elektrode 22 gegenüberliegt. Zunächst, also wenn das Fräswerkzeug 29 bzw. der Fräskopf 28 den Kontaktabschnitt 13 noch nicht berührt, während die Ausnehmung 15 geschaffen wird, hängt das elektrische Bauteil (die Kontaktabschnitte 12, 13 und die Leiterbahn 14) sozusagen in der Luft. Der in Fig. 4 gezeigte Schalter ist offen. Dann, wenn der Fräskopf 28 einen elektrischen Kontakt zum Kontaktabschnitt 13 her stellt, wird das Bauteil 11 auf Masse gelegt, so daß die Flächenabschnitte - gebildet aus den Kontaktabschnitten 12 und 13 sowie der Leiterbahn 14 - elektrisch parallel ge schaltet werden zur Andruckplatte 30. Dadurch steigt die Kapazität in der Wheatstone-Brücke W, so daß bei einer ge eigneten vorherigen Abstimmung der Brücke eine von einem Meßgenerator G abgegebene Wechselspannung nun nicht mehr kompensiert sondern über einen Meßgleichrichter auf einen Differenzverstärker A gegeben und von diesem als verstärktes Signal einer Steuereinrichtung S zugeführt werden kann, welche einen (nicht gezeigten) Vorschubmechanismus für das Fräswerkzeug 29 anhält und den Einsenkvorgang beendet.

Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Variante der Erfindung unterscheidet sich von der nach den Fig. 3 und 4 lediglich dadurch, daß die Elektrode 22 nicht wie in Fig. 3 gezeigt ganzflächig sondern der Form des Bauteils 11 bzw. dessen Leiterbahn 14 angepaßt ist. Dadurch wird die Kapazität zwischen der Andruckplatte 30 und der Elektrode 22 ver ringert, nicht aber zwischen der Elektrode 22 und dem Bauteil 11 bzw. der Leiterbahn 14. Dies wiederum führt dazu, daß die Kapazitätsänderung bei Kontakt zwischen dem Fräskopf 28 und dem zweiten Kontaktabschnitt 13 größer ist gegenüber der Kapazitätsänderung bei der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3.

Die in den Fig. 7 und 8 gezeigte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der nach den Fig. 5 und 6 dadurch, daß kein fester Meßkondensator C1 vorgesehen ist. Vielmehr wird der zweite Abschnitt des kapazitiven Brücken zweiges durch einen Kondensator gebildet, dessen eine Fläche von der Andruckplatte 30 und dessen andere Fläche durch eine Elektrode 22' gebildet ist, die ebenso wie die Elektrode 22 über einen Isolator 23' im Stempel 21 gehalten ist. Diese Elektrode 22' ist nun an einer Stelle des Stempels 21 (zum Beispiel in seinem Zentrum) angeordnet, an welcher nicht die Leiterbahn 14 sondern ausschließlich die Andruckplatte 30 angeordnet ist. Dadurch gelingt es, die Gesamtanordnung (bei einer entsprechenden Abstimmung der Meßwiderstände R1 und R2) entsprechend der jeweiligen Kartendicke sozusagen selbst kalibrierend aufzubauen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Meßein richtungen bzw. Meßverfahren zu verwenden bzw. die hier erläuterten Möglichkeiten miteinander zu kombinieren. Wichtig ist, daß der elektrische Kontakt zwischen dem Fräskopf 28 und dem Bauteil 11 (bzw. einem Kontaktabschnitt 12, 13) dazu verwendet wird, den Einsenkvorgang zu beenden.

Insbesondere sei darauf hingewiesen, daß die Elektroden 22 natürlich nicht nur im Stempel 21, sondern ohne weiteres auch in der Andruckplatte 30 vorgesehen sein können.

Bezugszeichenliste

10

Kartenkörper

11

Bauteil

12

erster Kontaktabschnitt

13

zweiter Kontaktabschnitt

14

Leiterbahn

15

Ausnehmung

20

Halteeinrichtung

21

Stempel

22

Elektrode

23

Isolator

28

Fräskopf

29

Fräswerkzeug

30

Andruckplatte

31

erste Bohrung

32

zweite Bohrung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Chipkarten, bei denen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Kontaktab schnitt (12, 13) eines ersten, in einem Kartenkörper (10) eingebetteten Bauteils (11), insbesondere einer An tenneneinrichtung (14) und einem Kontakt eines zweiten, in oder auf dem Kartenkörper (10) ein- oder aufzusetzen den Bauteils geschaffen wird, wobei in eine Oberfläche des Kartenkörpers mittels eines Einsenkwerkzeugs (28, 29) eine Ausnehmung (15) bis zu einer Tiefe eingesenkt wird, in der sich der Kontaktabschnitt (12, 13) befin det, wobei während des Einsenkens eine mindestens zwei stufige Messung eines Abstands zwischen dem Kontakt abschnitt (12, 13) und dem Einsenkwerkzeug durchgeführt und der Einsenkvorgang dann abgebrochen wird, wenn die Messung im wesentlichen eine Berührung des Kontaktab schnitts durch das Einsenkwerkzeug ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Impedanz zwischen dem eingebetteten Bauteil und mindestens einer mit dem Einsenkwerkzeug verbundenen Meßelektrode (22) und/oder die Impedanz zwi schen einer Meßelektrode (22) und einer Gegenelektrode gemessen wird, zu welcher das eingebettete Bauteil über das Einsenkwerkzeug elektrisch parallel schaltbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung durch die Feststellung einer Resonanz frequenz und/oder Dämpfung eines Schwingkreises erfolgt, in welchen die Meßelektrode und das Bauteil einbezogen sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Einsenkwerkzeug ent sprechend voreingestellten Steuerwerten nahe der Ober fläche mit höherer Geschwindigkeit abgesenkt wird als in tieferen Bereichen des Kartenkörpers.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz zwischen dem eingebetteten Bauteil und einer Halteeinrichtung gemessen wird, auf welcher der Kartenkörper mit seiner, der Oberfläche gegenüber liegenden Unterfläche aufliegt.

6. Vorrichtung zur Herstellung von Chipkarten, bei denen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Kontaktabschnitt (12, 13) eines ersten, in einem Karten körper (10) eingebetteten Bauteils (11), insbesondere einer Antenneneinrichtung (14) und einem Kontakt eines zweiten, in oder auf den Kartenkörper ein- oder aufzu setzenden Bauteil geschaffen wird, umfassend ein Ein senkwerkzeug (28, 29), insbesondere einen Fräser zum Einsenken einer Ausnehmung (15) in eine Oberfläche des Kartenkörpers (10) bis zu einer Tiefe, in der sich der Kontaktabschnitt (12, 13) befindet, und eine Meß vorrichtung, die während des Einsenkens den Abstand zwischen dem Einsenkwerkzeug (28, 29) und dem Kontakt abschnitt (12, 13) in mindestens zwei Stufen mißt und den Einsenkvorgang dann abbricht, wenn die Messung eine Berührung des Kontaktabschnitts (12, 13) durch das Ein senkwerkzeug (28, 29) ergibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung zur Durchführung einer Impedanz messung ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, ge kennzeichnet durch eine Haltevorrichtung (20) zum Fixieren des Kartenkörpers (10) vorzugsweise mit seiner, der Oberfläche gegenüberliegenden Unterfläche, die mindestens eine, das eingebettete Bauteil (12-14) überdeckende Meßelektrode (22) aufweist, die elektrisch isoliert derart angeordnet ist, daß die Impedanz/Ka pazität zwischen der Meßelektrode (22) und dem einge betteten Bauteil (12-14) meßbar ist.