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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Schaltungschip und insbesondere einen Transponder,
der eine Lichtschutzschicht aufweist, und insbesondere einen solchen
Schaltungschip, der als extrem dünner
(weniger als 50 µm) Schaltungschip zur Verwendung in elektronischen
Etiketten verwendet werden kann.
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Abgesehen von Solarzellen oder speziellen Sensoren
werden Halbleiterbauelemente, beispielsweise integrierte Schaltungen
(ICs), bis auf wenige Ausnahmen, beispielsweise mittels ultraviolettem Licht
löschbare
EPROMs, in optisch dichte Ge= häuse
eingebaut. Bei speziellen Anwendungen, beispielsweise. sogenannte
Chip-On-Board-Techniken, die ebenfalls ungehäuste Chips verwenden, wird
die Oberfläche
durch optisch nicht transparente Kleber vor Lichteinfall geschützt, um
die gewünschte
Funktion sicherzustellen.
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Ein Lichtschutz ist allgemein erforderlich,
da die verwendeten Halbleiter aufgrund dessen, daß absorbiertes
Licht im Halbleiter Landungsträgerpaare erzeugt,
lichtempfindlich sind. Bei Silizium, das einen Bandabstand von 1,17
eV besitzt, setzt dieser Prozeß der
Erzeugung von Ladungsträgerpaaren
bei Wellenlängen
unterhalb von etwa 1 μm
ein. Diese Ladungsträgerpaare
werden im Volumen des Siliziums generiert und diffundieren, wobei
sie meist durch interne elektrische. Felder getrennt und beschleunigt werden.
Die durch das lokal absorbierte Licht erzeugten Ladungsträger erhöhen die
Stromleitfähigkeit
in unerwünschter
Weise und verursachen Potentialverschiebungen, die beispielsweise
die Einsatzspannung von MOS-Transistoren verändern. In aller Regel werden
durch die verstärkenden
Eigenschaften der Transistoren diese unbeabsichtigten Belichtungseffekte
weiter verstärkt,
so daß bereits
geringe Lichtmengen die Funktionalität drastisch be einflussen. Wenn
kein Gehäuse
verwendet wird, muß eine
Passivierung die Aufgabe der Lichtunterdrückung übernehmen.
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Bei ungehäusten Chips, die einem Lichteinfall
unterliegen können,
wird eine solche Passivierung üblicherweise
durch eine schwarze Epoxybeschichtung erreicht, bei der die schwarze
Färbung durch
eingebrachten Ruß realisiert
wird. Diese Epoxybeschichtung wird üblicherweise in Tropfenform aufgebracht.
Eine solche Epoxybeschichtung weist jedoch eine Dicke auf, die bei
extrem dünnen
Chips, wie sie bei der Verwendung für elektronische Etiketten erforderlich
ist, nicht hinnehmbar ist, da dadurch die Gesamtdicke des Chips
unannehmbar erhöht wird.
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Bei der Verwendung als elektronisches
Etikett in der Form einer sogenannten Wegwerfelektronik soll der
Chip zwischen zwei Papieren oder dünnen Kunststoffmaterialien
eingebettet bzw. einlaminiert werden. Die optische Transparenz von
weißem Papier
eines Gewichts von 80 Gramm/m2 mit einer Dicke
von ca. 80 μm
liegt empirisch bei ca. 12%. Durch eine Färbung kann diese optische Transparenz
um mehr als eine Größenordnung
gesenkt werden, wobei jedoch auch dann eine Störung nicht ausgeschlossen ist.
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Bei dem Einsatz eines Chips in elektronische Etiketten
ist eine besonders flache Bauform des Chips erforderlich, um nach
der Einbettung bzw. Einlaminierung desselben zwischen zwei Papiere
bzw. andere dünne,
flexible Substrate, beispielsweise Polymerfolien, papiertechnische
Vorgänge,
insbesondere das Bedrucken, nicht zu beeinträchtigen. Abdecklacke aus Polymeren
mit optisch absorbierenden Füllstoffen,
die üblicherweise
als lichtundurchlässige
Passivierungsschicht verwendet werden, können bei einem solchen Einsatz
des Chips nicht verwendet werden, da die optische Transmission dieser Abdecklacke
zu hoch ist, wenn dünne
Abdecklackschichten im Bereich von 1 μm verwendet werden.
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Die
DE 32 08 021 A1 zeigt eine integrierte Halb leiterschaltung,
bei dem über
aktiven Gebieten ein Schutzfilm vorgesehen ist, der beispielsweise
aus Aluminium besteht. Dieser Schutzfilm soll empfindliche Schaltungselemente
gegenüber
Licht, das von außen
auf das Halbleitersubstrat fällt,
abschirmen.
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Gemäß der
DE 41 43 587 C2 ist ein
Halbleiterchip, der auf einem Substrat angeordnet ist, in einem
Gießharzgehäuse untergebracht,
das homogenes Graphitschwarz oder schwarzes Eisenoxid oder Anilinschwarz
enthält,
um Licht zu absorbieren. Diese Schrift lehrt ferner, zusätzlich zu
der Gießharzeinkapselung
eine weitere Lichtabschirmschicht vorzusehen, die beispielsweise
aus Metallen oder Oxiden bestehen kann. Diese zusätzliche
Lichtabschirmschicht ist nur über
der von dem Substrat abgewandten Oberfläche des Schaltungschips angeordnet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, einen Schaltungschip zu schaffen, der eine Lichtschutzschicht
aufweist, die einen ultraflachen Aufbau des Schaltungschips und
somit den Einsatz desselben in elektronischen Etiketten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Schaltungschip
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, ein lichtgeschütztes Transpondermodul mit
einem derartigen Schaltungschip zu schaffen, das trotz einer ultradünnen Ausbildung
desselben eine optimale Lichtabschirmung des Schaltungschips ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Transpondermodul
gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist die Lichtschutzschicht durch auf
der Vorderseite angeordnete Metallanschlußflächen, die zur Kontaktierung
der integrierten Schaltung dienen und die Bereiche, in denen die aktiven
Elemente der integrierten Schaltung definiert sind, vollständig überdecken,
gebildet. Ferner ist bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung auch auf der Rückseite
des Schaltungschips eine solche Lichtschutzschicht angeordnet. Die
Lichtschutzschicht kann auch mehrlagig aufgebaut sein, wobei zumindest
zwei Metallebenen komplementär
angeordnet sind, derart, daß über im wesentlichen
jedem Bereich der Vorderseite des halbleitenden Substrats zumindest
eine Metallage angeordnet ist. Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird der Lichtschutz durch eine dünne Metallschicht
bewirkt, wobei eine solche Metallschicht vorzugsweise auf Vorder- und
Rück-Seite
des Schaltungschips vorgesehen ist.
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Das Absorptionsverhalten von Stoffen
wird durch den imaginären
Teil des Brechungsindexes derselben beschrieben. Die Eindringtiefe
von sichtbarem Licht in niederdotiertes Silizium liegt im roten Bereich
(700 nm) des Spektrums bei gut 10 μm, im blauen Teil des Spektrums
bei Bruchteilen eines Mikrometers. Diese vergleichsweise hohe Transparenz im
roten Bereich macht bei dünnen
integrierten Schaltungen, die eine Dicke von 5 bis 20 μm aufweisen,
auch eine Abschattung von der Rückseite
her erforderlich.
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Im bevorzugtesten Fall besitzt der
erfindungsgemäße Schaltungschip
eine Lichtabschirmungsschicht aus Metall, da bereits sehr dünne Metallschichten
die effektivste Abschirmung von Licht liefern. Die Lichtschutzschicht
aus Metall kann eine zusätzliche
Funktionalität übernehmen,
beispielsweise die einer elektrischen Abschirmung, die Funktion als Ätzmaske,
beispielsweise bei der Chip-Vereinzelung, oder auch die Funktion
als elektrisch oder insbesondere magnetisch leiten de Schicht. Insbesondere
ist die Verwendung von Metall als Lichtschutzschicht vorteilhaft,
da bereits Metallschichten einer Dicke von wenigen 100 nm eine ausreichende
Lichtabschirmung ermöglichen.
Die benötigten
Metallschichten sind somit extrem dünn, so daß nicht die optische Eindringtiefe
von Licht, sondern die Fertigungstechnik ein begrenzender Faktor
für die
Dicke eines Schaltungschips ist. Die Dicke der Lichtschutzschicht
ist gegenüber
der eigentlichen Chipdicke zu vernachlässigen. Wie oben bereits angesprochen wurde,
kann die metallische Lichtschutzschicht ferner Zusatzfunktionen
als ohnedies benötigte
Kontakte, Zusatzfunktionen als ohnedies benötigte Elektrode beispielsweise
für einen
Ladekondensator oder Zusatzfunktionen als Wärmeleitschicht für eine laterale
Entwärmung
erfüllen.
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Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Schaltungschips;
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2 eine
schematische Querschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schaltungschips;
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3 eine
schematische Querschnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Schaltungschips;
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4 eine
schematische Querschnittansicht, der die Verwendung eines erfindungsgemäßen Schaltungschips
in einem Transpondermodul zeigt;
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5 schematisch
ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Transpondermoduls;
und
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6 eine
schematische Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Transpondermoduls.
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In der nachfolgenden Beschreibung
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Schaltungschips
beschrieben, bei denen die Lichtschutzschicht jeweils aus Metallbesteht.
Es ist jedoch offensichtlich, daß eine Lichtschutzschicht, die
aus einem Halbleitermaterial, das einen geringeren Bandabstand als
Silizium aufweist, bzw. einem hochleitfähigen Silizid gebildet ist,
ebenfalls eingesetzt werden kann, wobei jedoch die Verwendung einer
Metallschicht die meisten Vorteile bietet.
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Als Halbleitermaterial, das einen
geringeren Bandabstand als Silizium aufweist, kann vorteilhaft beispielsweise
Germanium eingesetzt werden, das bereits bei sehr geringen Dicken
im Nanometerbereich Licht im sichtbaren Spektrum effizient absorbiert.
Selbiges gilt für
hochleitfähiges
Silizid.
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In 1 ist
ein Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltungschips
dargestellt. Der Schaltungschip ist auf einem Siliziumsubstrat 2 gebildet,
wobei in der in 1 oberen
Oberfläche
des Substrats 2 integrierte Schaltungen definiert sind. Über dieser
Oberfläche
ist eine dünne
Passivierungsschicht 4 vorgesehen, die den Chip vor chemischen
Einflüssen
und Feuchtigkeit schützt.
Diese dünne
Passivierungsschicht kann vorteilhaft aus Siliziumnitrid bzw. Siliziumoxid
bestehen. Auf dieser Passivierungsschicht 4 sind elektrische Anschlußflächen 6 vorgesehen.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind diese Anschlußflächen 6 nun derart
ausgebildet, daß dieselbe
zumindest sämtliche
Bereiche, in denen aktive Elemente der integrierten Schaltung definiert
sind, abdecken, so daß dieselben
eine effektive Lichtabschirmung ermöglichen. Als Metalle kommen
hierbei alle, insbesondere jedoch die im Rahmen der IC-Technik ohnedies
verwendeten Metalle Al, W und Cu in Frage. Daneben können auch
Ti, Ni oder TiN verwendet werden, wobei aufgrund der magnetischen
Eigenschaften insbesondere auch Nickel als ferromagnetische, relativ korrosionsbeständige Schicht
verwendet werden kann. Handelt es sich bei dem Siliziumsubstrat 2 um ein
sehr dünnes
Substrat im Bereich von 10 μm
bzw. darunter, ist es vorteilhaft, auch auf der Rückseite des
Substrats 2 eine Lichtschutzschicht 8 vorzusehen.
Diese Lichtschutzschicht kann ebenfalls aus Metall, einem Halbleitermaterial,
das einen geringeren Bandabstand als Silizium aufweist, oder einem hochleitfähigen Silizid
gebildet sein. Vorteilhafterweise kann die Lichtschutzschicht ganzflächig auf
der Rückseite
des Substrats 2 ausgebildet sein.
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Obwohl dies in den Figuren nicht
dargestellt ist, kann über
die eigentlich abschirmende Metallschicht, die eine Dicke von wenigen
100 nm aufweist, noch eine oder mehrere ebenfalls sehr dünne Schichten
eines Dielektrikums aufgebracht werden. Diesen kann die Aufgabe
zufallen, durch eine destruktive Interferenz (Lambda/2-Interferenz)
in Verbindung mit dem reflektierenden Metall die Einkopplung von
Licht noch wirkungsvoller zu unterdrücken.
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Die in 1 gezeigten
Metallschichten 6 dienen gleichzeitig als Anschlußflächen für die in
dem Substrat 2 gebildeten integrierten Schaltungen. Dazu sind,
in 1 nicht gezeigte,
elektrisch leitfähige
Verbindungen zwischen den Anschlußflächen 6 und den integrierten
Schaltungen vorgesehen. Somit ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel
ein zuverlässiger Lichtschutz
realisiert, indem die Metallanschlußflächen 6 als großflächiger elektrischer
Kontakt ausgebildet sind.
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In 2 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei der die Lichtschutzschicht durch eine mehrlagige
Schicht gebildet ist. Dabei sind in einer auf der Passivierungsschicht 4 aufgebrachten Schicht 10 aus
Siliziumnitrid oder Siliziumoxid ein metallischer Bereich oder eine
Mehr zahl von metallischen Bereichen vorgesehen. Über diesem Schichtgebilde 10, 12 ist
eine weitere Passivierungsschicht 14 aus Siliziumoxid bzw.
Siliziumnitrid vorgesehen. Über
dieser Schicht 14 sind dann wiederum Metallschichtabschnitte 16 vorgesehen.
Die Metallbereiche 12 und 16 sind derart angeordnet,
daß in
der senkrechten Projektion stets mindestens eine Metallage zwischen
der oberen Oberfläche
der Struktur und der Oberfläche
des Siliziumsubstrats 2 zu liegen kommt. Dies kann beispielsweise
durch eine komplementäre Anordnung
der Metallbereiche 12 und 16 erreicht werden.
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Die Struktur, die in 2 gezeigt ist, kann beispielsweise realisiert
werden, indem die für
die Verdrahtungsebene des Chips ohnehin verwendeten Metallbeläge in der
beschriebenen Form realisiert werden. Somit kann durch geeignete
Ausgestaltung von ohnedies verwendeten Metallbelägen erreicht werden, daß von der
Oberseite des Chips her kein Licht bis auf das Silizium vordringt.
Der laterale Lichteinfall spielt demgegenüber eine untergeordnete Rolle.
Zum einen sind aus fertigungstechnischen Gründen in der Nähe der seitlichen
Ränder
des Chips, d.h. der Sägekanten,
keine aktiven Bauelemente angeordnet, um Probleme, die durch sogenannte
Sliplines oder Microcracks entstehen, zu vermeiden. Dieser Sicherheitsabstand
ist in aller Regel größer als
die Eindringtiefe des Lichts. Jedoch kann auch bei Bedarf auch eine
seitliche Lichtabschirmung durch Aufbringen einer entsprechenden
Schutzschicht erfolgen.
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Das in 3 dargestellte
Ausführungsbeispiel
ist identisch zu dem in 2 dargestellten,
mit der Ausnahme, daß dasselbe
eine Lichtschutzschicht 8 auf der Rückseite des Siliziumsubstrats 2 aufweist.
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Wie bereits erläutert, kann die metallische Lichtschutzschicht
weitere Funktionen erfüllen,
beispielsweise als Grenzflächenkontakt
zum Anschluß einer
peripheren Beschaltung. Ferner können
geeignet angeordnete Lichtschutzschichten als Elektroden eines Kondensators
dienen, beispielsweise eines Ladekondensators für den Betrieb eines Transponders oder
einer anderen Ladungspumpe, beispielsweise für einen EEPROM-Speicher. Ein
solcher Kondensator kann durch das Zwischenfügen eines Dielektrikums geringer
Dicke oder hoher Dielektrizitätskonstante
realisiert werden. Es ist somit möglich, eine Kapazität zu realisieren,
wie sie insbesondere bei HDX-Verfahren (Half-Duplex-Verfahren) bei
Transpondern als Energiespeicher benötigt wird. Zu diesem Zweck
kann beispielsweise Aluminium oder Tantal mittels eines üblichen
Anodisierprozesses mit einem Dielektrikum hoher Dielektrizitätskonstante überzogen
werden.
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Überdies
vorteilhaft an der Ausbildung der Lichtschutzschicht als Metallschicht
kann die elektrische Abschirmung bzw. der Potentialausgleich sein, der
sich durch eine elektrisch gut definierte Chip-Oberfläche ergibt.
Dies gilt zum einen für
Hochfrequenzanwendungen und zum anderen für Effekte in Zusammenhang mit
elektrischen Potentialen, beispielsweise aufgrund einer Felddiffusion,
einer Elektromigration oder einer Korrosion, bei einem direkten Kontakt
des Chipträgers
mit dem Chip, wenn der Chipträger
beispielsweise aus Papier, das Chemikalien enthält, besteht, das eine Feuchtigkeit
aufnehmen kann.
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4 zeigt
schematisch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Schaltungschips, der vorzugsweise
eine Dicke von weniger als 10 μm
aufweist, in einem Transpondermodul. Der Chip 20 ist dabei
in ein Isolationssubstrat 22 eingelassen. Auf der Oberfläche des
Isolationssubstrats ist eine strukturierte Metallisierung vorgesehen,
die als Antenne dient. Zur Kontaktierung der Anschlußflächen 6 des Chips 20 ist
ein Eingangsanschlußende 26 der
strukturierten Metallisierung 24 über eine leitfähige Struktur 28 mit
einer Anschlußfläche verbunden,
während ein
Ausgangsanschlußende 30 der
strukturierten Metallisierung 24 über eine leitfähige Überbrückung 32 mit
der anderen Anschlußfläche des
Chips 20 verbunden ist. Der Chip 20 entspricht
im wesentlichen dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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Bezugnehmend auf die 5a)
bis 5c) wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Transpondermoduls
näher erläutert. Wie
am besten in der Draufsicht von 5a)
zu sehen ist, ist auf einem Siliziumsubstrat 40 eine strukturierte
Metallisierung 42 angeordnet, die als spiralförmige Spule
ausgebildet ist, um eine Antenneneinrichtung zu definieren. Wie
am besten in den 5b) und 5c) zu sehen
ist, ist in einer Ausnehmung des Isolationssubstrats 40 ein
Schaltungschip 44 derart angeordnet, daß die obere Oberfläche des
Schaltungschips 44 bündig
mit der oberen Oberfläche
des Isolationssubstrats 40 ist. Um ein möglichst
dünnes Transpondermodul
zu realisieren, kann ferner die untere Oberfläche des Schaltungschips 44 bündig mit der
unteren Oberfläche
des Isolationssubstrats 40 sein. Wie in den 5b) und 5c) zu sehen ist, ist in der oberen
Oberfläche
des Schaltungschips 44 eine Anschlußfläche 46 definiert.
Ein Bereich 48 der strukturierten Metallisierung 42 ist
derart über
dem Schaltungschip 44 ausgebildet, daß er im wesentlichen vollständig über der
Oberfläche
des Schaltungschips angeordnet ist. Obwohl bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Bereich 48 der strukturierten Metallisierung 42 im
wesentlichen vollständig über der
Oberfläche
des Schaltungschips angeordnet ist, ist es ausreichend, wenn dieser
Bereich zumindest in den Bereichen, in denen aktive Elemente der
integrierten Schaltung definiert sind, angeordnet ist, so daß die Metallisierung
zumindest in diesen Bereichen aktiver Elemente als Lichtschutz wirksam
ist.
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Bei dem in 5b)
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist zwischen der Oberfläche
des Schaltungschips 44 und der Metallisierung 48 eine
Schicht 50 angeordnet, die sowohl als Passivierungsschicht als
auch als Isolationsschicht dienen kann. In dem Fall, in dem keine
Isolation der Metallisierung 48 von dem Substrat 44 notwendig
ist, da die Oberflächenbereiche
des Substrats beispielsweise nicht leitfähig sind, ist eine solche Schicht 50 nicht
erforderlich, wie in 5c) dargestellt
ist.
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6 zeigt
eine vollständige
Querschnittansicht des erfindungsgemäßen Transpondermoduls, bei
dem der Chip 44 in das Isolationssubstrat 40 eingebettet
ist. Auf die Oberfläche
des Substrats 40 ist die Antennenmetallisierung 42 aufgebracht,
wobei anzumerken ist, daß die
Anzahl der Windungen der Spule lediglich beispielhaft ist, wobei
in 5a) lediglich aufgrund einer Vereinfachung
der Darstellung nur zwei Windungen gezeigt sind. Ferner ist in 6 der die Oberfläche des
Schaltungschips 44 im wesentlichen überlappende Metallisierungsbereich 48 dargestellt.
Ferner zeigt 6 eine
strukturierte oder ganzflächige
Metallisierungsschicht 60 auf der Rückseite des Isolationssubstrats 40 und
des Schaltungschips 44, die sowohl zur elektrisch leitfähigen Verbindung
des Ausgangsanschlußendes 62 der
strukturierten Metallisierung 42 über eine Durchkontaktierung
64 mit dem Schaltungschip 44 als auch als Lichtschutz dient.
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Die Verwendung der Metallisierungsschicht als
Lichtschutz ermöglicht
somit die Erzeugung ultraflacher Transpondermodule, da die Metallisierung bereits
bei sehr geringen Dicken einen effektiven Lichtschutz ermöglicht.
Somit können
ein mit einem erfindungsgemäßen Schaltungschip
aufgebautes Transpondermodul, bzw. ein Transpondermodul gemäß der vorliegenden
Erfindung, vorteilhaft verwendet werden, um ein elektronisches Etikett
zu fertigen. Insbesondere ist eine weitgehend automatisierte und extrem
preiswerte Fertigung ohne weiteres möglich, so daß sich das
erfindungsgemäße Transpondermodul
als Wegwerfelektronik eignet. Überdies
ist, wenn das erfindungsgemäße Transpondermodul
zwischen zwei Papierschichten bzw. zwei dünne Polymerfolien eingefügt ist,
durch die geringe Dicke desselben, gewährleistet, daß das gebildete
elektronische Etikett ohne weiteres bedruckt werden kann. Typische
Gesamtdicken für
das erfindungsgemäße Transpondermodul
können
zwischen 5 und 50 μm
liegen.
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Der Schaltungschip weist hier ein
halbleitendes Substrat aus, das vorzugsweise aus mono kristallinem
oder polykristallinem Silizium besteht. Jedoch kann das halbleitende
Substrat auch durch andere Halbleiter bzw. Verbindungshalbleiter,
z.B. Galliumarsenid, gebildet sein. Ferner kann das halbleitende Substrat
durch halbleitende Polymere realisiert sein.