DE19812636B4 - Verbindungsanordnung zum Herstellen einer Chipkarte - Google Patents

Abstract

Verbindungsanordnung zur Herstellung einer Chipkarte (1) zur drahtlosen Datenübertragung mittels einer äußeren Koppelspule (8), bestehend aus einem Modul (3) mit einem Halbleiterchip sowie einem Kartenträger mit Ausnehmung (2) zur Aufnahme des Moduls, wobei auf oder an der Einsatzseite des Moduls eine erste Spule (5) ausgebildet ist, welche mit Anschlüssen des Halbleiterchips elektrisch verbunden ist, und daß in der Ausnehmung (2) oder im Bereich der Ausnehmung (2) des Kartenträgers mindestens ein Spulenabschnitt (9) einer zweiten Spule (4) angeordnet ist, wodurch nach dem Einsetzen des Moduls in die Ausnehmung (2) eine induktive Kopplung resultiert und weiterhin die zweite Spule (4) elektrisch an die äußere Koppelspule (8) zur Herstellung der drahtlosen Verbindung zur Umgebung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungspunkten der ersten Spule (5) mit den Anschlußflächen (36) des Halbleiterchips eine offene Stichleitung als Anpassungs- oder Transformationsglied ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zum Herstellen einer Chipkarte.
• Bei einem bekannten Verfahren z.B. nach WO 96/35190 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 Kartenkörper unter Erhalt einer entsprechenden mechanischen und elektrischen Verbindung laminiert.
• Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Modul und Kartenkörper bzw. auf dem Kartenkörper befindlichen Kontakten, die mit einer Spule zur Herstellung einer kontaktlosen Verbindung 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 Anschlußstellen 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 Anschlußstellen 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 vorgefertigte Modul wird mit dem Kartenträger, der z.B. aus Polycarbonat bestehen kann, verbunden. Dieses Verbinden bzw. das Einsetzen des Moduls in den Kartenkörper in eine, z.B. gefräste, 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 Temparatur- und Zeitregime zur Herstellung zuverlässiger 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 zur 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.
• In der Patentanmeldung 196 45 067.5 wurde vorgeschlagen, daß das in die Kartenausnehmung zu implantierende Modul elektrisch nicht unmittelbar sondern mittelbar mit dem Kartenträger bzw. einer in dem Kartenträger vorhandene Induktionsspule zur Herstellung einer kontaktlosen Verbindung zur Umgebung in Wechselwirkung zu bringen.
• Hierfür weist der in der Kartenausnehmung zu implantierende Modul eine erste Spule auf, wobei diese erste Spule mit in einer an oder in der Ausnehmung des Kartenträgers befindlichen zweiten Spule induktiv verbunden ist. Die zweite Spule steht dann in an sich bekannter Weise mit einer in der Chipkarte befindlichen dritten (Antennen-) Spule zur Herstellung einer kontaktlosen Verbindung zur Umgebung hin in Kontakt. Die zweite und dritte Spule können auch eine gemeinsame Spule bilden.
• Gemäß einer zweiten Ausführungsform des dortigen Verfahrens wird der in die Kartenausnehmung zu implantierende Modul mit mindestens einer ersten kapazitiven Koppelfläche versehen, wobei diese erste kapazitive Koppelfläche mit einer in der Ausnehmung des Kartenträgers befindlichen zweiten kapazitiven Koppelfläche elektrisch wechselwirkt. Die zweite kapazitive Koppelfläche führt zu einer an sich bekannten Induktionsspule zur Herstellung einer kontaktlosen Verbindung zur Umgebung hin.
• Bei einer dritten Ausführungsform des dortigen Verfahrens 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. Halbleiterchip und Kartenträger ergibt.
• In einer bevorzugten Weiterbildung der Lehre nach 196 45 067.5 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 weiterhin vorgeschlagen, 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 Seltenerdemagnete einsetzbar. Auch an sich bekannte Titanate und Ferritmaterialien sind zur Erhöhung der Permeabilität geeignet.
• Die ersten und zweiten Spulen sind sowohl als Drahtspule oder in gedruckter oder additiv aufgebrachter Form realisierbar. 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.
• Anordnungsseitig wird zur Herstellung einer Chipkarte bestehend aus einem Modul mit einem Halbleiterchip sowie einem Kartenträger mit Ausnehmung zur Aufnahme des Moduls auf oder in der Einsatzseite des Moduls eine erste Spule ausgebildet, welche mit Anschlüssen des Halbleiterchips elektrisch verbunden ist. In oder auf der Ausnehmung des Kartenträgers befindet sich eine zweite Spule, wobei sich nach dem Einsetzen des Moduls in die Ausnehmung des Kartenträgers eine gewünschte induktive Kopplung zwischen erster und zweiter Spule einstellt. Die zweite Spule steht in Verbindung mit einer dritten Spule zur Herstellung einer kontaktlosen Verbindung zur Umgebung. Die zweite und dritte Spule können als eine einheitliche Spule mit unterschiedlichen Windungsabschnitten ausgebildet sein, wobei ein kleinerer Windungsabschnitt im Bereich der Ausnehmung befindlich ist und ein größerer Windungsabschnitt in einem äußeren Randabschnitt des Kartenträgers verläuft.
• Besonders vorteilhaft ist eine dortige Ausführungsform der ersten Spule dergestalt, daß diese als Versteifungsrahmen wirkend außenrandseitig 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.
• Es hat sich gezeigt, daß in der vorstehend beschriebenen Art und Weise zwar eine induktive, drahtlose Kopplung zwischen Modul und der Antennenspule möglich ist, jedoch müssen die betreffenden, sich im wesentlichen gegenüberliegenden Spulen für ein ausreichendes Miteinanderkoppeln möglichst exakt positioniert werden. Diese Positionierung erfordert jedoch einen hohen Montage- und Justieraufwand während der Herstellung der Chipkarte.
• Aus der EP 0 505 905 A1 ist ein Transponder mit Antennenspule vorbekannt. In der Schilderung des Standes der Technik dieser Druckschrift wird eine Transponderanordnung beschrieben, welche speziell entwickelt wurde, um eine Tieridentifikation vorzunehmen. Bei derartigen Anwendungen weist ein integrierter Schaltkreis eine kleine elektrische Spule mit einem Ferritkern auf, wobei eine Kapazität der Spule parallel geschaltet ist, um eine Abstimmung zu einem Parallelkreis zu bewirken, welcher notwendig ist, um den Transponder aktivieren zu können.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Verbindungsanordnung zur Herstellung einer Chipkarte zur drahtlosen Datenübertragung mittels einer Antennenspule anzugeben, welche intern, d.h. bei der Herstellung einer Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und der Antenne bzw. Antennenspule auf eine induktive Kopplung zurückgreift, wobei der Koppelgrad zwischen den Spulen erhöht werden soll, um auch bei toleranzbedingten Lageverschiebungen der Spulen eine ausreichende Übertragungsstabilität und -qualität sicherzustellen.
• Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand, wie er im Anspruch definiert ist.
• Der Grundgedanke der Erfindung liegt nun darin, eine verbesserte Energieabstrahlung und damit eine erhöhte Kopplung zwischen den ersten und zweiten Spulen zu erreichen, indem Anpassungs- und/oder Transformationsglieder am Antennenfußpunkt vorgesehen sind.
• Konkret wird an den Verbindungspunkten der ersten Spule mit den Anschlüssen des Halbleiterchips eine offene Stichleitung ausgebildet.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Spule im wesentlichen fünf Windungen und die zweite Spule im Kartenkörper im wesentlichen zehn Windungen auf. Der Wicklungsaufbau ist im wesentlichen quadratisch und liegt in einem Bereich, der im wesentlichen gleich der Modulfläche ist. Eine parallel geschaltete Kapazität variiert in Abhängigkeit von der Übertragungsfrequenz zwischen im wesentlichen 100 und 400 pF.
• Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen gelingt es, den Kopplungsgrad und damit die induktive Datenübertragung zwischen erster und zweiter Spule wesentlich zu verbessern, so daß Änderungen der Lagebeziehungen der Spulen untereinander, z.B. bedingt durch Fertigungstoleranzen, ohne Belang sind. Weiterhin kann dann, wenn aus gestalterischen oder technologischen Gründen zweckmäßig eine lateral beabstandete Anordnung von erster und zweiter Spule realisiert werden, ohne daß die Funktionsfähigkeit einer derart ausgebildeten Chipkarte eingeschränkt ist.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen:
• 1 eine prinzipielle perspektivische Darstellung eines Kartenträgers mit Ausnehmung zur Aufnahme eines Chipmoduls;
• 2 eine Ansicht eines Chipmoduls mit Ausbildung einer Induktionsspule;
• 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;
• 4a-c verschiedene Varianten eines Moduls mit induktivem Koppelelement; und
• 5 eine prinzipielle Darstellung des Chipmoduls mit zu den Anschlußflächen parallel geschalteter Kapazität.
• Bei der in der 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 (2) dient.
• Für das Einsetzen und Chipkontaktieren des Moduls 3 in die Ausnehmung 2 kann auf an sich bekannte Laminier- und Klebetechniken zurückgegriffen werden. Im Gegensatz zum Bekannten, wird jedoch gemäß Ausführungs beispiel 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 2 wird von einem bekannten Substratträger 6 ausgegangen, welcher mit einem sogenannten Nackt-Chip versehen ist. Darüber hinaus ist auf dem Substratträger 6 die erste Spule 5 auf- oder eingebracht, welche elektrisch mit den entsprechenden Anschlüssen des Chips verbunden ist. Der Chip selbst wird mit einer Abdeckung 7, z.B. aus Silikongummi, versehen.
• Der Substratträger 6 kann auf seiner dem Chip gegenüberliegenden Seite mit an sich bekannten ISO-Kontakten zur kontaktbehafteten Verbindung nach außen versehen sein. Hier wird ergänzend auf die 4b und 4c verwiesen.
• Eine vorteilhafte Ausbildung der IC-Karte 1 mit einer induktiven Koppelspule zur Herstellung einer drahtlosen Verbindung zur Umgebung hin sei anhand der 3 erläutert.
• Die äußere induktive Koppelspule 8 weist einen Spulenabschnitt 9 auf, welcher die zweite Spule 4 im Bereich der Ausnehmung 2 bildet.
• Ergänzend oder alternativ kann 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 sein, so daß sich neben einer gewünschten induktiven Kopplung auch eine kapazitive Verbindung einstellt.
• 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 4b ist der Substratträger 6 auf seiner nach oben weisenden, nach außen zeigenden Seite mit ISO-Kontakten 34 versehen, die in nicht näher dargestellter 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 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 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 entsprechende Beschichtung im Bereich der ersten und zweiten Spulen aufgebracht werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die erste Spule des zu implantierenden Moduls als Versteifungsrahmen wirken und in diesem Sinne einen integralen Bestandteil des Chipträgers bilden, 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, was beispielsweise mit einer Lösung nach 5 erreicht werden kann. Wie anhand der 5 ersichtlich, besitzt das Chipmodul gegenüberliegende Anschlußflächen 36. Diese Anschlußflächen 36 führen zur ersten Spule 5 mit einer Wicklungszahl von beispielsweise n = 5.
• Parallel zum Fußpunkt der ersten Spule 5 ist eine Kapazität 37 angeschlossen, die im gezeigten Beispiel eine Größe von 220 pF besitzt.
• Mit Hilfe der Kapazität 37 werden Blindanteile kompensiert und damit die Antennenanpassung verbessert.
• Der Kondensator 37 kann auch als Trimmkondensator ausgebildet werden, um eine optimale Anpassung auch für den Fall unterschiedlicher Windungszahlen n und/oder geänderter Übertragungsfrequenz leicht einstellungsseitig vornehmen zu können. Bei einer weiteren Ausführungsform besteht die Möglichkeit, die Kapazität 37 in den Halbleiterchip zu integrieren oder den Kondensator als oberflächenmontierbares Bauelement (SMD) auf dem Chipmodul zu fixieren.
• Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, ausgehend von den Anschlußflächen 36 eine Stichleitung anzuordnen, die wiederum Bestandteil des Chipmoduls sein kann. Mit Hilfe dieser Stichleitung, beispielsweise in Form einer Viertelwellenanpaßleitung, kann die Kopplung zwischen erster Spule 5 und zweiter Spule 4 verbessert werden.
• Analog eines Viertelwellentransformators kann eine Anpaßwirkung auch durch eine Zusammenschaltung von Spulen und Kondensatoren erreicht werden. Denkbar sind hier konzentrierte Schaltelemente nach Art einer Brückenschaltung, wobei in die Anschlußleitung zwischen den Anschlußflächen 36 und der ersten Spule 5 Induktivitäten eingeschleift sind, welche auf der Speiseseite von einem Kondensator überbrückt werden.
• Alles in allem gelingt es mit der Erfindung die Nachteile bekannter elektrischer Kontaktierungen stoffschlüssiger oder kraftschlüssiger Art zu vermeiden, in dem auf eine angepaßte induktive Kopplung der Signalübertrag zwischen Chip und eigentlicher IC-Karte zurückgegriffen wird. Hierdurch reduzieren 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.

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

36

Anschlußflächen

37

Kapazität

Claims (1)

1. Verbindungsanordnung zur Herstellung einer Chipkarte (1) zur drahtlosen Datenübertragung mittels einer äußeren Koppelspule (8), bestehend aus einem Modul (3) mit einem Halbleiterchip sowie einem Kartenträger mit Ausnehmung (2) zur Aufnahme des Moduls, wobei auf oder an der Einsatzseite des Moduls eine erste Spule (5) ausgebildet ist, welche mit Anschlüssen des Halbleiterchips elektrisch verbunden ist, und daß in der Ausnehmung (2) oder im Bereich der Ausnehmung (2) des Kartenträgers mindestens ein Spulenabschnitt (9) einer zweiten Spule (4) angeordnet ist, wodurch nach dem Einsetzen des Moduls in die Ausnehmung (2) eine induktive Kopplung resultiert und weiterhin die zweite Spule (4) elektrisch an die äußere Koppelspule (8) zur Herstellung der drahtlosen Verbindung zur Umgebung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungspunkten der ersten Spule (5) mit den Anschlußflächen (36) des Halbleiterchips eine offene Stichleitung als Anpassungs- oder Transformationsglied ausgebildet ist.