DE202014101994U1

DE202014101994U1 - Datenträger

Info

Publication number: DE202014101994U1
Application number: DE202014101994.4U
Authority: DE
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2024-04-29

Abstract

Datenträger, aufweisend einen Mikrochip (1), der von einem ersten Polymermaterial (3) umgeben ist, eine Leiterplatte (2) und ein zweites Polymermaterial (41, 42), mit welchem die Leiterplatte (2) und das erste Polymermaterial (3) umspritzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (1) zumindest teilweise in einer Vertiefung (21) der Leiterplatte (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Datenträger, insbesondere einen Hochtemperaturdatenträger, der eine Leitplatte und einen Mikrochip aufweist.
Stand der Technik
RFID-Datenträger (Radio Frequency Identification) ermöglichen die automatische Identifizierung und Lokalisierung von Gegenständen und erleichtern damit erheblich die Erfassung von Daten. Sie können aus einem RFID-Mikrochip bestehen, der mit einer Leiterplatte verbunden ist. Diese Leiterplatte kann eine Antenne tragen, welche die Auslesung des RFID-Mikrochips über größere Entfernungen ermöglicht. Bei der Verwendung von RFID-Datenträgern in Industrieprozessen müssen diese oftmals hohen Temperaturen standhalten können.
Aus der US 5,973,599 ist ein Hochtemperatur-RFID-Datenträger bekannt, dessen RFID-Chip auf der Oberfläche einer Leiterplatte aufgebracht ist. Die Leiterplatte ist in ein mehrteiliges Gehäuse aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff eingebaut. Die Herstellung eines derartigen Datenträgers ist daher teuer und zeitaufwendig und seine Abmessungen werden durch das Gehäuse deutlich über jene der Leiterplatte erweitert.
Die WO 2011/057662 A1 beschreibt ein Verfahren, in dem ein RFID-Datenträger durch Umspritzen mit einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff vor Temperatureinwirkung geschützt wird. Bei der Durchführung des Umspritzungsprozesses werden sehr hohe Belastungen auf die verwendeten Bauteile und auf Bondverbindungen zwischen Mikrochip und Leiterplatte ausgeübt. Hierbei treten Drücke von bis zu 150 MPa und Temperaturen von bis zum 340°C auf. Im Rahmen des Umspritzungsprozesses kann es daher bereits zur Zerstörung des Mikrochips durch Abriss der Mikrochippads, zur Zerstörung der Bondverbindung oder durch Abriss der Bondpads zur Zerstörung der Leiterplatte kommen. Wenn bei der Herstellung eines derartigen RFID-Hochtemperaturdatenträgers nicht alle Prozessparameter optimal eingehalten werden, kann es zu sehr hohen Ausfällen in der Fertigung von bis 80% kommen. Weiterhin kann es auch zu Vorschädigungen des Datenträgers kommen, die dann zu erhöhten Ausfällen in dessen späterem Betrieb führen.
Um hochtemperaturbeständige RFID-Datenträger mit geringem Ausschuss herstellen zu können, ist es bekannt durch Verwendung der Laminated Package Embedding Technology den RFID-Chip vollständig in eine Leiterplatte zu integrieren (System-in-Packages, SiP). Derartige Systeme sind allerdings ebenfalls aufwendig in ihrer Herstellung und erfordern eine spezielle Auswahl von Materialien, um eine zuverlässige Signalübertragung zu gewährleisten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Datenträger bereitstellen, der eine Leiterplatte und einen Mikrochip aufweist, und der hohen Temperaturen standhalten kann, der aber gleichzeitig in einfacher Weise und mit geringem Ausschuss herstellbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Datenträger, der insbesondere ein Hochtemperaturdatenträger ist, gelöst. Dieser weist einen Mikrochip auf, der von einem ersten Polymermaterial umgeben ist. Weiterhin weist er eine Leiterplatte und ein zweites Polymermaterial auf, mit welchem die Leiterplatte und das erste Polymermaterial umspritzt sind. Der Mikrochip ist zumindest teilweise in einer Vertiefung der Leiterplatte angeordnet. Indem der Mikrochip zunächst in der Vertiefung angeordnet und von dem ersten Polymermaterial umgeben wird, ist er sicher mit der Leiterplatte verbunden und bietet beim Umspritzen mit dem zweiten Polymermaterial den auftretenden Umspritzungskräften weniger Angriffsfläche als dies bei der Herstellung herkömmlicher Hochtemperaturdatenträger der Fall ist. Dadurch kann der erfindungsgemäße Datenträger mit dem zweiten Polymermaterial umspritzt werden, ohne dass es zu einer signifikanten Schädigung des Mikrochips kommen könnte.
Bevorzugt ist der Mikrochip vollständig in der Vertiefung der Leiterplatte angeordnet. Damit wird die Angriffsfläche der Umspritzungskräfte gegenüber einer teilweisen Anordnung in der Vertiefung noch weiter reduziert.
Der Mikrochip ist insbesondere ein RFID-Chip. Grundsätzlich können jedoch andere Mikrochips in der Vertiefung der Leiterplatte angeordnet sein.
Um eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Mikrochip herzustellen, ist es bevorzugt, dass der Mikrochip mittels Bonddrähten mit der Leiterplatte verbunden ist, wobei die Bonddrähte vollständig in der Vertiefung angeordnet sind. Hierdurch sind die Bonddrähte vor den Umspritzungskräften beim Umspritzen mit dem zweiten Polymermaterial geschützt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Bonddrähten um Goldbonddrähte, welche eine besonders zuverlässige elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte und dem Mikrochip gewährleisten.
Vorzugsweise sind mindestens 60 Vol.-% des ersten Polymermaterials in der Vertiefung angeordnet. Dadurch bietet das erste Polymermaterial den Umspritzungskräften beim Umspritzen mit dem zweiten Polymermaterial wenig Angriffsfläche, sodass nur ein geringer Teil der Umspritzungskräfte über das erste Polymermaterial auf den Mikrochip und die gegebenenfalls vorhandenen Bonddrähte übertragen werden kann.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass sich das erste Polymermaterial maximal um eine Höhe von 0,4 mm Millimetern über die Oberfläche der Leiterplatte erhebt. Auch dies stellt sicher, dass nur eine geringe Kraftübertragung über das erste Polymermaterial auf den Mikrochip und die Bonddrähte erfolgen kann.
Um eine hohe Temperaturbeständigkeit des erfindungsgemäßen Datenträgers zu erreichen, besteht die Leiterplatte vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Material, wie beispielsweise einem Polyimid oder einer Keramik.
Bei dem ersten Polymermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Epoxidharz. Epoxidharze weisen über einen breiten Temperaturbereich gute physikalische Eigenschaften auf und gewährleisten so einen Schutz des Mikrochips und der Bonddrähte.
Das Innenvolumen der Vertiefung entspricht bevorzugt maximal 3000% des Volumens des Mikrochips. Hierdurch kann der Mikrochip unter Verwendung einer geringen Menge des ersten Polymermaterials in der Vertiefung befestigt werden.
Das zweite Polymermaterial weist vorzugsweise eine Zersetzungstemperatur von mehr als 350°C auf. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das zweite Polymermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Fluorcarbonen, Polyphenylenethern (PPE) und deren Blends, sowie Polyphenylensulfiden (PPS). Dies hat den Vorteil, dass die Umspritzung mit dem zweiten Polymermaterial eine hohe Temperaturbeständigkeit des Datenträgers sicherstellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt eine isometrische Darstellung eines Datenträgers, der eine Leiterplatte und einen Mikrochip aufweist.
2 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines herkömmlichen Hochtemperaturdatenträgers, welcher mit einem zweiten Polymermaterial umspritzt wird.
3a ist eine Aufsicht auf einen herkömmlichen Hochtemperaturdatenträger, der zu 20% mit einem zweiten Polymermaterial umspritzt ist.
3b zeigt eine Aufsicht auf einen herkömmlichen Hochtemperaturdatenträger, der zu 40% mit einem zweiten Polymermaterial umspritzt ist.
3c zeigt eine Aufsicht auf einen herkömmlichen Hochtemperaturdatenträger, der zu 60% mit einem zweiten Polymermaterial umspritzt ist.
3d zeigt eine Aufsicht auf einen herkömmlichen Hochtemperaturdatenträger, der zu 80% mit einem zweiten Polymermaterial umspritzt ist.
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Hochtemperaturdatenträgers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der mit einem zweiten Polymermaterial umspritzt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein Datenträger, der vorliegend als RFID-Datenträger ausgeführt ist, ist in 1 dargestellt. Erweist einen Mikrochip 1, vorliegend einen RFID-Chip auf, der auf einer kreisförmigen Leiterplatte 2 angeordnet ist.
Wie in 2 dargestellt ist, wird zur Herstellung eines herkömmlichen Hochtemperaturdatenträgers der Mikrochip 1 mit Bonddrähten 11, 12 aus Gold mit der Leiterplatte 2 verbunden. Anschließend werden der Mikrochip 1 und die Bonddrähte 11, 12 mit einer schützenden Ummantelung eines Epoxidharzes (Eccobond^® 104 der Henkel AG & Co. KGaA, Deutschland) als erstem Polymermaterial 3 umgeben. Anschließend erfolgt eine Umspritzung mit einem zweiten Polymermaterial 41, 42. Bei diesem handelt es sich herkömmlicherweise um das Perfluorocarbon Teflon^® (E. I. du Pont de Nemours and Company, USA), das Polyphenylenether/Polystyrol-Blend Noryl^® (SABIC, Saudi Arabien) oder das vernetzte Polyphenylensulfid Ryton^® (Chevron Phillips Chemical Company, USA). In den 3a bis 3d sind vier Phasen des Umspritzungsvorgangs dargestellt. Das zweite Kunststoffmaterial 41, 42 dringt von zwei seitlichen Anspritzpunkten zum Mikrochip 1 hin vor. Im Idealfall trifft das zweite Polymermaterial 41, 42 genau gleichzeitig auf die aus dem ersten Polymermaterial 3 bestehende Abdeckung des Mikrochips 1. Durch den sehr hohen Druck und die sehr hohe Temperatur bei dem Umspritzungsvorgang wirken auf den abgedeckten Mikrochip 1 sehr hohe Kräfte. Diese können insbesondere zum Abheben des ersten Polymermaterials 3 und dadurch zur Zerstörung der Bondverbindungen 11, 12 oder von Pads (nicht gezeigt) führen.
4 zeigt einen Ausschnitt eines Hochtemperaturdatenträgers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dessen Leiterplatte 2 weist im Gegensatz zur Leiterplatte 2 herkömmlicher Hochtemperaturdatenträger eine Vertiefung 21 mit einem Volumen von vorliegend 15 Kubikmillimetern auf. Der Mikrochip 1, welcher ein Volumen von 0,5 aufweist, findet vollständig in der Vertiefung 21 Platz. Auch die Bonddrähte 11, 12 werden vollständig von der Vertiefung aufgenommen. Das erste Polymermaterial 3, das den Mikrochip 1 und die Bonddrähte 11, 12 umgibt, ist überwiegend im Inneren der Vertiefung 21 angeordnet und erhebt sich nur um eine Höhe h von 0,4 Millimetern über die Oberfläche der Leiterplatte 2. Damit bietet es den Umspritzungskräften des zweiten Polymermaterials 41, 42 nur eine geringe Angriffsfläche.
Unter Verwendung von Ryton^® R4-200 Nat als zweitem Polymermaterial 41, 42 wurden bei einer Temperatur von 340°C und einem Druck von 150 MPa 95 Datenträger gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung umspritzt. Bei der Fertigung dieser Hochtemperaturdatenträger kam es zu keinem einzigen Ausfall.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5973599 [0003]
WO 2011/057662 A1 [0004]

Claims

Datenträger, aufweisend einen Mikrochip (1), der von einem ersten Polymermaterial (3) umgeben ist, eine Leiterplatte (2) und ein zweites Polymermaterial (41, 42), mit welchem die Leiterplatte (2) und das erste Polymermaterial (3) umspritzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (1) zumindest teilweise in einer Vertiefung (21) der Leiterplatte (2) angeordnet ist.
Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (1) vollständig in der Vertiefung (21) der Leiterplatte (2) angeordnet ist.
Datenträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (1) ein RFID-Chip ist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (1) mittels Bonddrähten (11, 12) mit der Leiterplatte verbunden ist, wobei die Bonddrähte vollständig in der Vertiefung angeordnet sind.
Datenträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bonddrähte (11, 12) Goldbonddrähte sind.
Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 60 Vol.-% des ersten Polymermaterials (3) in der Vertiefung (21) angeordnet sind.
Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Polymermaterial (3) maximal um eine Höhe (h) von 0,4 Millimetern über die Oberfläche der Leiterplatte (2) erhebt.
Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Polymermaterial (3) ein Epoxidharz ist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenvolumen der Vertiefung (21) maximal 3000% des Volumens des Mikrochips (1) entspricht.
Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Polymermaterial (41, 42) eine Zersetzungstemperatur von mehr als 350°C aufweist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Polymermaterial (41, 42) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Fluorcarbonen, Polyphenylenethern und deren Blends, sowie Polyphenylensulfiden.