DE69820684T2 - Flexible Verbindung zwischen Chip und kontaktbehafteter oder kontaktloser Schnittstelle - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft elektronische Vorrichtungen mit wenigstens einem Mikroschaltkreis, der in einer Trägerkarte versenkt und an durch eine Klemmstelle und/oder eine Antenne gebildete Schnittstellenelemente angeschlossen ist, wie zum Beispiel auch Chipkarten genannte Karten mit integriertem Schaltkreis/integrierten Schaltkreisen mit oder ohne Kontakt.
  • Die Erfindung findet auch insbesondere auf elektronische Etiketten Anwendung, die zur Identifikation von Produkten verwendet werden und die man diesen Chipkarten ohne Kontakt gleichstellen kann.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Anschlüsse zwischen dem Mikroschaltkreis und den Schnittstellenelementen, wie zum Beispiel die Klemmstelle und/oder eine Antenne.
  • Es gibt zahlreiche Herstellungsverfahren für Chipkarten mit Kontakt. Die Mehrheit dieser Verfahren basiert auf dem Zusammenbau des Chips in einem Mikromodul genannten Unteraufbau, der unter Verwendung traditioneller Verfahren zusammengebaut wird.
  • Ein erstes Verfahren umfasst zuerst das Verkleben des Chips oder Mikrochips („die attach") durch Anordnen seiner aktiven Seite mit seinen Ausgangssteckstellen nach oben und durch Kleben der gegenüber liegenden Seite auf eine dielektrische Trägerplatte.
  • Anschließend wird die Mikroverkabelung oder das Löten der Anschlüsse („wire bonding") durchgeführt, das in der Realisierung des Anschlusses der Ausgangssteckstellen des Chips mit der Kontaktklemmstelle der gedruckten Leiterplatte durch Löten besteht.
  • Schließlich erfolgt eine gehäuseförmige Ummantelung („potting"), die im Schutz des Chips und der geschweißten Anschlussdrähte durch Einsatz eines Harzes besteht.
  • Die Patentschrift US-A-5969415 beschreibt eine Daten-Speichervorrichtung, in der ein Chip durch an Kotaktstifte gelötete Drahtverbindungen mit einer Antennenspule verbunden ist. Diese Stifte sind durch einen elektrisch leitenden Klebstoff an der durch eine sogenannte „Ausgabetechnik" („dispense") vorher in die entsprechenden Durchgänge eingeführten Spule befestigt.
  • Die Patentschrift JP-A-07321438 beschreibt einen Zusammenbau auf einer Karte mit gedrucktem Schaltkreis durch Serigraphie und anschließendem thermischen Aushärten eines Chips, dessen aktive Seite zu diesem Schaltkreis gerichtet ist. Anschließend werden Höcker des Chips mit einem wärmeaushärtenden, leitenden Haft kleber überzogen. Eine andere Realisierung zeigt ein Bündel aus einem Halbleiterchip mit einem sogenannten „wire bonding" Drahtanschluss.
  • Die Patentschrift FR-A 2 624 284 legt eine Chipkarte offen, in der die elektrischen Anschlüsse einer elektronischen Komponente an Metallaufträge der Karte durch eine flüssige oder zähflüssige Substanz verbunden sind. Die Anschlüsse der Komponente werden in diese Substanz enthaltende Kanäle eingeführt.
  • In einer Variante dieses Verfahrens verwendet man die Technik des Bandlötens („tape automated bonding oder TAB"), nach der der Chip mittels eines anisotropen Klebstoffs aufgeklebt wird und die verschiedenen Kontakte der Folie durch Thermokompression auf den Chip aufgelötet werden, der die Höcker umfasst.
  • Es gibt auch kein Mikromodul einsetzende Herstellungsverfahren für Chipkarten mit Kontakten. Ein erstes Verfahren basiert auf dem Einsatz der Serigraphie zur Bildung der Kontakte und zur Gewährleistung der Zwischenverbindung mit dem Chip.
  • Ein weiteres Verfahren greift auf einen dreidimensionalen Metallauftrag des Kartenkörpers zurück, gefolgt von einer Übertragung des Chips durch eine klassische Technologie (Kleben plus Mikroverkabelung) oder durch die „Flip-Chip" Technik.
  • In den ein Mikromodul einsetzenden Verfahren werden die damit verbundenen Kosten durch den Preis der Folie begrenzt. Darüber hinaus ist es häufig nach der Verkapselungsoperation notwendig, das Harz zu fräsen, um die Stärke des Aufbaus zu verringern. Diese Operation ist schwer zu realisieren, denn das Harz wird polymerisiert und damit sehr fest. Dieses Fräsen ist der Hauptgrund für Ausschuss bei der Herstellung.
  • Im ersten Verfahren ohne Mikromodul befindet sich dieses an der Oberfläche und unterliegt damit äußeren Beanspruchungen, was die mit ihm verbundenen Kosten stark erhöht. Was das zweite Verfahren ohne Mikromodul anbelangt, ist die Anzahl der Stufen hoch, was die Kosten erhöht.
  • Es ist daher nicht daran zu denken, eine derartige Technologie für die Herstellung von Chipkarten großer Größe einzusetzen.
  • Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist das Anordnen der Anschlüsse zwischen einem Mikroschaltkreis und den Schnittstellenelementen in einer elektronischen Vorrichtung (wie zum Beispiel einer Chipkarte), das die Senkung der Kosten und des Prozentsatzes des Ausschusses bei der Herstellung erlaubt.
  • Die Erfindung wird in den Ansprüchen definiert.
  • Es werden elastische Anschlüsse erreicht, während die Anschlüsse des bekannten Typs fest oder halbfest sind, und dadurch wird der Prozentsatz des Ausschusses bei der Herstellung erheblich gesenkt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der detaillierten Beschreibung der beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen:
  • 1 eine erste Ausführungsform des auf die Herstellung von Chipkarten mit Kontakten angewendeten erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt;
  • 2 eine Variante des Verfahrens der 1 darstellt;
  • 3 eine auf die Herstellung von Chipkarten ohne Kontakte angewendete Ausführungsform darstellt;
  • die 4 bis 7 eine Variante des Verfahrens der 3 darstellt;
  • 8 stellt eine auf die Herstellung von Hybrid-Chipkarten angewendete Ausführungsart dar;
  • die 9 bis 10 stellen eine auf die Herstellung von elektronischen Etiketten angewendete Ausführungsart dar.
  • 1 stellt eine gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Chipkarte mit Kontakten dar.
  • In einer ersten Stufe realisiert man einen eine Aushöhlung 42 umfassenden Kartenkörper 40, welche durch Abformen per Einspritzen oder per Kolaminieren von thermoplastischen Folien, gefolgt von einer Bearbeitung der Aushöhlung realisiert werden kann.
  • In einer zweiten Stufe setzt man den Chip 44 mit seiner aktiven Seite, insbesondere seinen Ausgangssteckstellen 46 und 48 nach oben in die Aushöhlung und befestigt sie zum Beispiel zum Verkleben. Auch kann man ein lokales Aufheizen der Aushöhlung und anschließend ein Einsetzen des Chips in das auf diese Weise geschmolzene thermoplastische Material durchführen. Es ist nicht notwendig, dass die aktive Seite des Chips auf derselben Höhe ist wie der Boden der Aushöhlung.
  • In einer dritten Stufe realisiert man die Kontaktklemmstelle und die Anschlüsse mit den Ausgangssteckstellen 46 und 48 durch Auftragen einer leitenden Substanz mit geringer Viskosität, zum Beispiel einem durch eine sogenannte „Ausgabetechnik" („dispense") mit leitenden oder innerlich leitenden Partikeln geladenem Polymerharz, nach der man eine flüssige Substanz oder eine Substanz mit geringer Viskosität mittels einer Spritze oder dergleichen mit gesteuertem Durchsatz und gesteuerter Öffnung anwendet.
  • Diese im Folgenden Ausgabe (dispense) genannte Auftragsoperation wird zum Beispiel mittels einer unter der Bezeichnung CAM/ALOT von der amerikanischen Firma Camelot Systems Inc. vertriebenen Installation realisiert und für die Realisierung in der Produktionslinie von elektronischen Schaltkreisen verwendet. Die Verschiebungs- und Öffnungsparameter der Spritze werden durch ein Computerprogramm gesteuert.
  • Somit werden Aufbringungen leitender Harze realisiert, die die Kontakte 50 und 52 der Schnittstellenklemmstelle der Chipkarte und die Anschlüsse 54 und 55 zwischen diesen Kontakten 50 und 52 und den Ausgangssteckstellen 46 und 48 des Chips darstellen. Die Dicke dieser Aufbringungen kann sehr viel größer sein als durch ein Serigraphieverfahren, was den Erhalt von umfangreicheren Querschnitten und somit zu geringeren Kontaktwiderständen führt.
  • Die Ausgangssteckstellen 46 und 48 umfassen vorteilhaft einen nicht oxydierenden Metallauftrag, zum Beispiel aus Nickel, Titan oder Wolfram.
  • Auch kann man diese Steckstellen mit Höckern (bumps) derart versehen, dass der elektrische Kontakt verbessert wird.
  • Zur Korrektur der Positionierungsfehler des Chips kann man eine ein durch ein computergestütztes Anzeigesystem (Rechnersehen) geliefertes Bild des Chips einsetzende Regulierung vorsehen.
  • Bevorzugt wählt man Harze, deren Aktivierungstemperatur unter der Schmelztempertur des thermoplastischen Materials des Körpers der Karte liegt.
  • 2 stellte eine Variante des vorgenannten Prozesses dar, in der man eine Aushöhlung in zwei Niveaus realisiert, das heißt, eine eine Aussparung 50 in ihrem Boden aufweisende Aushöhlung 58. Die Abmessungen dieser Aushöhlung reichen zur Aufnahme des Chips 44 aus, und seine Tiefe ist deutlich gleich der Dicke des Chips, so dass die aktive Seite desselben sich auf der Höhe des Bodens 62 der Aushöhlung 58 befindet. Dank dieser Anordnung vermeidet man eine zweite Neigungsänderung der Harzgürtel in der Aushöhlung, was den Kontakt des leitenden Harzes mit den Ausgangssteckstellen 46 und 48 erleichtert.
  • In einer vierten und letzten Stufe realisiert man eine Verkapselung (potting), die im Schutz des Chips durch Einsatz eines Harzes besteht, zum Beispiel auf Silikon- oder Polyurethanbasis.
  • 3 stellt eine gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Chipkarte ohne Kontakt dar. Sie umfasst eine durch eine Spur gebildete „flache" Antenne, welche zum Beispiel die Form einer rechteckigen, auf der Peripherie der Karte angeordneten Spirale aufweist, wie in 9 dargestellt.
  • In einer ersten Stufe realisiert man ein Verkleben eines Chips 64 mit seiner aktiven Seite nach oben an der für den Anschluss ausgewählten Stelle durch Einsatz eines Verfahrens und einer klassischen, als „die attach" bezeichneten Ausrüstung unter Verwendung eines das Verkleben auf einem gedruckten Schaltkreis oder einer Folie erlaubenden Klebestoffs 66. Man wählt einen mit der maximalen Einsatztemperatur des Trägers der Antenne kompatiblen Klebstoff, zum Beispiel einen sich unter der Wirkung des Aussetzens von Ultraviolettstrahlung vernetzenden Haftkleber. Die Kadenz dieser Klebeoperation kann besonders hoch sein, zum Beispiel fünf- bis sechstausend Stück pro Stunde bei einer einzigen Düse. Man bemüht sich um den Erhalt einer perfekt beherrschten Klebstoffausrundung im Bereich des sich gegenüber den Anschlussbereichen 68 und 70 der Antenne befindenden Chipperimeters.
  • In einer zweiten Stufe realisiert man elektrische Anschlüsse 72 und 74 aus leitendem Harz zwischen den Ausgangssteckstellen 76 und 78 des Chips 80 und den Anschlussbereichen 68 und 70 der Antenne.
  • Diese zweite Stufe kann auch mit derselben hohen Kadenz der Klebestufe des Chips realisiert werden. Diese beiden Stufen können auf ein und derselben Ausrüstung realisiert werden.
  • Gemäß einer ersten Variante wird die flache Antenne durch eine „Ausgabetechnik" („dispense") realisiert, und das Verkleben des Chips erfolgt durch die oben beschriebene Technik „Flip Chip".
  • Gemäß einer anderen, in den 4 bis 7 dargestellten Variante, befestigt man zunächst den Chip und realisiert die Antenne durch eine „Ausgabetechnik" („dispense") durch Überfahren über die aktive Seite des Chips.
  • In einer ersten Stufe (4) ordnet man durch Ausgeben („dispense") einen isolierenden Haftkleber 82, zum Beispiel vom Typ Epoxy, auf einem Träger 84, zum Beispiel aus Vinyl-Polychlorid oder aus Polyethylen an der Stelle an, an der man anschließend einen mit Kontakthöckern versehenen Chip aufsetzt.
  • Somit könnte man zur Technik „die attach" bestimmte, an den Träger angepasste Haftkleber verwenden.
  • In einer zweiten Stufe (5) setzt man einen Chip 86 mit seiner aktiven Seite nach oben auf den Haftkleber 82, um ein Verkleben vom Typ „die attach" zu realisieren. Der Vorteil der Kontakthöcker liegt in der Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen den Ausgangssteckstellen 88 und 90 des Chips und der Antenne. Eventuell werden die nicht funktionsbeteiligten Ausgangssteckstellen durch Aufbringen eines dielektrischen Lacks isoliert.
  • In einer dritten Stufe (6) realisiert man die Antenne 92 durch eine Ausgabetechnik („dispense") einer leitenden Substanz, zum Beispiel einer Druckfarbe oder einem Klebstoff, mit Verschiebung der Spritze, zum Beispiel durch den Einsatz der oben genannten Ausrüstung CAM/ALOT.
  • In 7 sieht man, dass die Enden 94 und 96 der die Antenne 92 bildenden rechteckigen Spirale jeweils die Kontaktsteckstellen 88 und 90 des Chips 86 abdecken.
  • In einer letzten und vierten Stufe realisiert man eine Kolaminierungsoperation zur Fertigstellung der Karte.
  • 8 stellt eine gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Hybridchipkarte dar. In diesem Fall kombiniert man zwei zuvor beschriebene Verfahren.
  • In einer ersten Stufe realisiert man einen Kartenkörper 98 mit einer integrierten Antenne 99 mit zwei Kontaktsteckstellen 101 und 103. In einer zweiten Stufe realisiert man eine Aushöhlung 100 im Körper der Karte. In einer dritten Stufe befestigt man den Chip 102 mit seiner aktiven Seite und seinen Ausgangssteckstellen 104, die bevorzugt einen nicht oxydierenden Metallauftrag umfassen, in der Aushöhlung, zum Beispiel durch Aufkleben.
  • In einer vierten Stufe realisiert man die Kontaktklemmstelle 106 und ihre Anschlüsse 108 an die Ausgangssteckstellen 104 des Chips und die Anschlüsse 105 der Kontaktsteckstellen 101 und 103 der Antenne mit den Ausgangssteckstellen 104 durch Aufbringen eines leitenden Harzes 105 durch eine Ausgabetechnik („dispense"). Die Steckstellen 104 können Kontakthöcker umfassen.
  • Die winkligen Positionierungsfehler des Chips 102 können wie oben beschrieben durch Einsatz einer computergesteuerten Anzeigeeinrichtung korrigiert werden.
  • In einer fünften und letzten Stufe realisiert man die Verkapselung des Chips.
  • Die Erfindung findet auf die Herstellung aller elektronischer Vorrichtungen mit wenigstens einem Mikroschaltkreis Anwendung, der in einer Trägerkarte versenkt ist und mit durch eine Klemmstelle und/oder eine Antenne gebildeten Schnittstellenelementen verbundene Ausgangssteckstellen umfasst. Insbesondere erlaubt die Erfindung die Herstellung von elektronischen Etiketten, wie in den 9 und 10 dargestellt.
  • Ein Träger 110 umfasst eine Aushöhlung 112 in dem Boden, in dem eine Antenne 114 realisiert wird. Dort befestigt man anschließend einen Mikroschaltkreis 116 mit seinen nach oben gerichteten Ausgangssteckstellen 118. Man wendet zur Realisierung der Anschlüsse zwischen der Antenne 114 und den Ausgangssteckstellen 118 des Chips ein leitendes Harz 120 durch eine Ausgabetechnik („dispense") an. Anschließend realisiert man eine Verkapselung mit einem isolierenden Harz 122.
  • Man sieht, dass die Erfindung den Wegfall der Realisierung eines Mikromoduls und insbesondere der Fräsoperation erlaubt. Daraus ergibt sich weiterhin, dass der Prozentsatz des Ausschusses bei der Herstellung sehr stark reduziert wird.
  • Im Übrigen wird die Anzahl der Stufen verringert, was die Herstellung beträchtlich vereinfach und eine bedeutende Senkung des Gestehungspreises mit sich bringt. Diese Wirkung wird noch durch die Tatsache verstärkt, dass bestimmte Klebeoperationen des Chips und die Realisierung der Anschlüsse mit derselben Ausrüstung realisiert werden können.
  • Die Erfindung setzt keine kostspieligen Ausrüstungen ein, was die Herstellungskosten senkt.
  • Die Realisierung der Antenne durch die Ausgabetechnik („dispense") erlaubt den Erhalt einer maximalen Fläche und infolgedessen die Erhöhung der Leistung der Antenne im Verhältnis zu klassischen integrierten aufgespulten Antennen.
  • Die Erfindung ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung von komplexen Karten großer Abmessungen.
  • Die Realisierung der Anschlüsse durch die „Ausgabetechnik" („dispense") einer Substanz, die nach ihrer Aktivierung elastisch bleibt, erlaubt die Verringerung der Steifigkeit und die beträchtliche Erhöhung des Flexions-Torsions-Widerstandes der Chipkarten. Somit haben die erfindungsgemäß hergestellten Chipkarten einen Halt gegenüber Beanspruchungen, der sehr viel größer ist als der durch die aktuellen Normen auferlegte Halt.
  • Die Erfindung erlaubt den Erhalt hoher Herstellungskadenzen, zum Beispiel in der Größenordnung von 4.000 Chipkarten pro Stunde, bei einer sehr niedrigen Ausschussquote, wie oben angegeben.

Claims (11)

  1. Elektronische Vorrichtung, wie zum Beispiel eine Chipkarte, mit wenigstens einem Mikroschaltkreis (44; 80; 86; 102), der in einen Kartenträger (40; 84; 98) versenkt und der mit durch eine Klemmstelle (50, 52; 106) und/oder eine Antenne (70; 92; 99; 103) gebildeten Schnittstellenelementen angeschlossene Ausgangssteckstellen (46, 48; 76, 78; 88, 90; 104) umfasst, in der man die Anschlüsse (54, 56; 72, 74; 105; 108) zwischen den Ausgangssteckstellen (46, 48; 76, 78; 88, 90; 104) und den Schnittstellenelementen mit einer leitenden Substanz realisiert; dadurch gekennzeichnet, dass die mittels einer Spritze oder dergleichen aufgebrachte leitende Substanz eine geringe Viskosität hat und nach ihrer Anwendung und ihrer Polymerisierung elastisch bleibt und der Auftrag einen Gürtel realisiert.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmstelle (106) aus einer leitenden Substanz mit geringer Viskosität und elastisch ist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne (92) aus leitender Substanz mit geringer Viskosität und elastisch ist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz ein mit leitenden Partikeln geladenes Polymerharz ist.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz ein mit innerlich leitenden Partikeln geladenes Polymerharz ist.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssteckstelen einen nicht oxydierbaren Metallauftrag umfassen.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Chipkarte mit Kontakt handelt, wobei ein Kartenkörper (40) eine Aushöhlung (42) umfasst, der Mikroschaltkreis (44) mit seiner aktiven Seite nach oben in der Aushöhlung (42) befestigt ist, wobei die Klemmstelle (50, 52) und die Anschlüsse (54, 56) aus leitender Substanz sind und dass der Mikroschaltkreis (44) verkapselt ist.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroschaltkreis (44) Kontakthöcker umfasst.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (58) eine Aussparung (60) in ihrem Boden (62) aufweist, in der der Mikroschaltkreis (44) aufgenommen wird.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Chipkarte ohne Kontakt oder ein elektronisches Etikett und eine flache Antenne handelt und dass der Mikroschaltkreis (64) auf der Karte mit seiner aktiven Seite nach oben befestigt ist und dass die Anschlüsse (72, 74) zwischen den Ausgangssteckstellen (76, 78) des Mikroschaltkreises und der Steckstellen (68, 70) der Antenne in der leitenden Substanz mit geringer Viskosität und elastisch sind.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Mikroschaltkreis (86) mit seiner nach oben gerichteten aktiven Seite eine flache Antenne (92) aus leitender Substanz mit geringer Viskosität und elastisch ist.
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