WO2001061643A1 - Verfahren zum einbau von chips in kartenkörper - Google Patents

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WO2001061643A1
WO2001061643A1 PCT/EP2001/001709 EP0101709W WO0161643A1 WO 2001061643 A1 WO2001061643 A1 WO 2001061643A1 EP 0101709 W EP0101709 W EP 0101709W WO 0161643 A1 WO0161643 A1 WO 0161643A1
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card
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recess
card body
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PCT/EP2001/001709
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Rüdiger KREUTER
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Datacard Corporation
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
    • G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
    • G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
    • G06K19/07—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
    • G06K19/077—Constructional details, e.g. mounting of circuits in the carrier
    • G06K19/07745—Mounting details of integrated circuit chips
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to identity cards, passports, other identification elements, cards such as telephone cards, bank cards, credit cards, prepaid cards and the like equipped with a chip or integrated circuit (IC).
  • IC integrated circuit
  • the plastic body is first produced, as a rule from a plastic material, and then the IC and the IC connected to the IC, which are necessary on the outside of the card, are fixed on or in the card body.
  • the inexpensive cards which are generally intended for single use only, have a monoblock card body, usually made of ABS.
  • High-quality card bodies have a multi-layer structure, for example with an opaque, opaque middle layer and on both sides, eg. B. transparent, cover layers.
  • the methods for embedding the ICs and contact areas are different, on the one hand depending on the structure of the card body and on the other hand depending on the structure of the! C unit.
  • both the IC on the one hand and the contact areas on the other are attached to a carrier material, the so-called substrate, which again consists of non-conductive material, usually plastic, and is in the form of a thin plate or film.
  • the contact areas are located on one outside of the substrate, while the IC is either on the outside facing away from it or in a through opening of the substrate, and is connected to the contact areas via electrically conductive webs.
  • a corresponding, usually graduated, depression is made for this - after the cover layers have been applied - in the card body, usually by milling.
  • the middle, lower part of this recess serves to receive the IC projecting downward from the substrate in the direction of the card body, while the surrounding, flatter part of the recess serves to receive the substrate. This ensures that either the substrate itself is flush with the front of the card body with its front side, or the electrically conductive contact surfaces arranged on the substrate and projecting slightly therefrom.
  • Irregularities in the card surface can occur primarily because, for reasons of automated producibility, the depression receiving the substrate with a larger base area must be selected than the substrate itself, and thus excess adhesive can either escape from the surrounding joints and thus bulge outwards result, or are not completely filled in by excess glue, and thereby depressions remain. In order to achieve a smooth surface, it is only possible to work with excess kieber, which then always pre-swells over the surface and must be removed mechanically in a separate step.
  • the flowable material be it a specially applied adhesive that becomes doughy or liquid due to heat or ultrasonic vibration, or be it the plastic material of the components to be joined together, which can be activated by ultrasound, flows into the valleys between the Elevations into it, which, however, are preferably not completely filled out, but rather represent a volume buffer for the material that becomes fluid during the connection.
  • the sonotrode used can also serve as a mechanical smoothing stamp.
  • the welding by means of ultrasound that is to say the application of pressure and ultrasound vibrations, on the one hand enables very short cycle cycles, since the welding solidifies immediately after the ultrasound vibration has ended.
  • ultrasonic welding offers the advantage that the energy required for gluing is introduced in the form of mechanical vibrations into the connection to be generated, which only at the contact point between - see the parts to be connected and implemented to break the molecular bonds of the solid material, in this case the substrate on the one hand and the card base body on the other hand, and to change the state from solid to doughy or liquid, near the contact point becomes.
  • material heating also occurs at the contact point during ultrasonic welding, but this is achieved by controlling the supplied energy as precisely as possible, i.e. the amount and duration of the applied pressure and frequency and duration of the vibrations can be controlled so that no or minimal heating occurs at the weld.
  • the cooling times in ultrasonic welding are very short or are completely eliminated, which reduces the cycle times in the mass production of such cards or ID cards;
  • the heating if such takes place, is limited to the immediate bond area, i.e. those in contact with each other brought adhesive surfaces, while distant areas, in particular the outward-facing side of the substrate and the IC itself are no longer subjected to heating.
  • Visually disadvantageous changes on the outside of the card such as are often the result when a heating stamp is put on, and which, for example, limits the selection of the materials that can be used, are completely avoided.
  • a further advantage of ultrasonic welding is that the bonding can be carried out either with the aid of an ultrasound-capable adhesive or without an additional adhesive, provided that the material is at least one of the components involved in the bonding that can be ultrasonically welded, that is, adhesive when energy is supplied becomes. Both materials should preferably have this property and in particular the materials of both components should be identical, since this results in optimal ultrasonic welding.
  • a substrate usually also a plastic film or a plastic plate, which in turn has the actual integrated circuit as well as the contact surfaces and the connecting webs between the two, can be connected to the card body, or it can be under Elimination of the substrate, the integrated circuit and / or the contact surfaces are connected directly to the card body.
  • an interchangeable coating of the sonotrode is conceivable, for example an endless tape made of a material with low adhesion, which is placed over the sonotrode in sections for example Teflon.
  • Another advantage of the ultrasound connection is that the ultrasound exposure - even when using an adhesive - also causes the material of the card body to become doughy and thus flowable in the exposure area. This makes it possible to achieve material displacement in the card base body, and thus either completely avoid or at least simplify the production of a recess for the chip or the substrate in the card body, by this recess not subsequently by milling but, for example, by reshaping or can be produced directly during the injection molding process, i.e. in a simple manner.
  • the cut-out for the chip itself could be sufficient, while the much thinner substrate is displaced into the surface by material displacement. before the card body is brought in until the respective outer surfaces of the substrate and card base body are flush.
  • one or more additional depressions can be used as volume buffers for excess card body material or adhesive material that occurs during the displacement, for example when using an adhesive.
  • the area of the sonotrode can be selected to be significantly larger than the substrate, so that the laterally projecting areas of the sonotrode prevent the material or adhesive from escaping, and at the same time compression of the material takes place in these adjacent areas, with the aid of which the displaced volume is compensated.
  • Another possibility is to achieve a wedge effect by very precisely fitting and in particular conical edges of either the substrate or also the flanks of the recess in the card body when the substrate is pressed in under ultrasound exposure, which offers a good seal at the edge and thus an escape of excess material! or glue in this area prevented.
  • Handling can also be facilitated by specific design of the sonotrode in coordination with the upper side of the substrate facing the sonotrode.
  • the metallic contact surfaces applied there protrude slightly upwards over the substrate on this side.
  • these projecting contact surfaces can be used for positioning the sonotrode.
  • the sonotrode has depressions in its front surface which correspond to the existing contact surfaces.
  • the sonotrode is only on the substrate open areas outside of the contact areas Substrate and only applies pressure and ultrasonic vibration there. If the base area of these depressions corresponds exactly to the area of the contact areas, the contact areas are used for the positive positioning and centering of the sonotrode, however with the result that ultrasonic vibrations are also transmitted to the edges of the contact areas. If this is to be avoided, the base area of the depressions must be larger than that of the contact areas. Furthermore, a depression can be provided in the front surface of the sonotrode in the area of the actual integrated circuit so that neither pressure nor ultrasonic vibrations are introduced into the substrate in this area.
  • the front surface of the sonotrode is flat and, in the case of contact surfaces projecting above the substrate, to bring the sonotrode into contact only with the metal contact surfaces, which in particular in the peripheral regions beyond which this leads to deformation of the substrate, however, in view of the plastic material used for the substrate, this generally does not lead to any damage to the substrate.
  • This direction of oscillation can be selected transversely to the main map level, in particular perpendicular to it, or alternately in the main map level, in particular in the two spatial directions.
  • the advantage of a perpendicular direction of vibration lies in the fact that very little or no relative movements of the parts to be connected to one another take place in the card plane, that is to say, for example, the recesses in the card body provided for the substrate or the integrated circuit are not larger in terms of their base area, but rather exactly the size of these components can be selected.
  • the advantage of vibrations in the plane of the card is that this results in the flow process of the doughy material, be it material of the components involved and / or adhesive material is promoted in the main map level. In particular, the transport of material into defined buffer zones can thereby be promoted.
  • a preferred embodiment therefore consists in first applying an oscillation direction perpendicular to the card plane and then carrying out ultrasound oscillation with an oscillation direction in the card plane, in particular in succession in both directions of the card plane or in a circular fashion in the card plane.
  • the first step drives the generation of heat to such an extent that the material becomes doughy
  • the second step which can be carried out, in particular compared to the first step, with reduced pressure or without pressure, only promotes the material into the desired zones.
  • These zones can be the already mentioned differential volume in the cut-out for the IC, or also separately produced buffer zones, for example, smaller punctiform depressions, which are regularly introduced again in the bottom of the depression of the card base body, or one, in particular, machined along the edge region of the depression of the card base body - Special closed circumferential groove, which takes up excess material before it can rise along the outer edges of the substrate above the card surface.
  • ultrasonic welding offers advantages:
  • the contact surfaces are designed as a continuous surface as before, but as a finely wound spiral, at least from a large number of wire windings etc. lying in one plane.
  • a grid-like contact surface serves the same purpose. Contacting is possible in the same way with such a broken contact surface, but that is Displacement of such a broken contact surface is very much smaller and thus the displacement when pressed into a flat card surface by means of pressure and ultrasound, that is to say without a recess provided for this purpose.
  • such components which are very unstable on their own, such as lattice foils made of metal or wire windings, as they could be used as broken contact surfaces, or the very thin connecting webs between the contact surfaces and the integrated circuit, can be handled comparatively easily with a sonotrode by doing this
  • Specially designed recesses of suitable size and depth can be provided in the front surface of the sonotrode.
  • the depth can be selected so that it only corresponds to a fraction of the thickness of these elements, so that these elements still protrude beyond the rest of the front surface of the sonotrode and can thus be pressed into the flat outer surface of the raw card base body when pressure and ultrasound are applied ,
  • a separate preprocessing step which takes place before the introduction of the substrate or the electrically conductive components, is also conceivable, which initially softens the material of the card base body in a defined area in the flat outer surface of the raw card base body by applying pressure and ultrasound in order to implement the desired components on or in the basic card body only afterwards - again by applying pressure and / or ultrasound. This considerably reduces the vibrations and pressures introduced into the electrical components.
  • the choice of materials can also be advantageous in terms of their softening temperature. If, for example, the material of the card base body softens earlier than the material of the substrate that carries the electrical components, then a good flowability of the base is body material and its flow into the desired buffer zones can be achieved.
  • FIGS. 1 and 2 an enlarged sectional view in the same direction of view as FIGS. 1 and 2,
  • the card body 2 of a plate-shaped card made of plastic, preferably with mutually parallel front 14 and rear 15 is shown, in which a carrier element 4 is to be used, which comprises a substrate 5, also a plate-shaped plastic element or piece of film whose back 12 facing card body 2 is fitted with an integrated circuit IC and is protected by a lenticular casing 19, and on whose front side 13 facing away from card body 2 13 metal contact surfaces 6 are applied, which are used for subsequent contacting of the IC.
  • a carrier element 4 which comprises a substrate 5, also a plate-shaped plastic element or piece of film whose back 12 facing card body 2 is fitted with an integrated circuit IC and is protected by a lenticular casing 19, and on whose front side 13 facing away from card body 2 13 metal contact surfaces 6 are applied, which are used for subsequent contacting of the IC.
  • the also present electrically conductive connections between these contact surfaces 6 and the IC are not shown, but are also part of the carrier element 4.
  • the support element 4 thus has an approximately plate-like shape with the IC or casing 19 projecting downward in this design.
  • a recess in the form of a recess 3 is therefore incorporated in the front side 14 facing the carrier element 4, which is somewhat larger in circumference than the substrate 5 of the carrier element 4, over the outer edge of which the contact surfaces 6 do not protrude.
  • a further recess in the form of a recess 3 1 is incorporated in a pot shape, at the position of the IC or its casing 19, and also dimensioned larger in size than the casing 19 and also somewhat deeper.
  • the recess 3 ′ is not a passage opening up to the rear side 15 of the card body 2.
  • the depth of the first recess 3 is greater than the thickness of the substrate 5, preferably also greater than the common thickness of the substrate 5 and metallic contact surfaces 6 placed thereon.
  • this carrier element 4 is positioned in the cutouts 3 and 3 'and on the one hand by means of a sonotrode 11 or 11' placed on one side of the card plane 10 and an anvil 9 which is supported on the opposite side pressurized and, on the other hand, by means of ultrasonic vibrations, with which the sonotrode 11 or 11 'oscillates, while the anvil 9 preferably stands still.
  • the adhesive 8 is a hot glue or hot melt adhesive which is converted into thermal energy by the action of the ultrasonic vibration on the contact surface between the card body 2 and the substrate 5, that is in the area of the adhesive 8, so that the adhesive is doughy or becomes fluid and the carrier element 4 is glued to the card body 2.
  • the layer of the adhesive 8 is thereby compressed in height and the material of the adhesive is displaced to the side when the carrier element 4 is pressed into the recess 3 of the card body 2 so far by means of the sonotrode 11 or 11 'that the front side 13 thereof with the Front 14 of the card body 2 is aligned.
  • the adhesive 8 is therefore displaced to the side and, on the one hand, penetrates into the space in the deeper recess 3 ', which is therefore chosen to be larger than is necessary for the IC and its casing 19.
  • the recess 3 ' is designed as a recess with flanks perpendicular to the floor, while the casing 19 of the IC is curved in the form of a lens.
  • the adhesive 8 thereby penetrates into the outer circumferential joint between the outer flanks 24 of the recess 3 and the outer edge 23 of the substrate 5.
  • the adhesive 8 penetrates outwards via the front side 14 of the card body 2 and thereby forms an undesirable bulge 21, or it remains behind this front side 14 and thereby forms a groove-shaped undesired depression.
  • 1b shows, in which the sonotrode 11 or 11 'is placed on the front 13 or front 17 of the substrate 5 or the card body 2, while the rear 15 of the card body 2 is supported by the anvil 9.
  • the sonotrode 11 ' is only on the substrate 5, so that the joint between the outer edge of the substrate 5 and the outer edge of the recess 3 remains free and the bulge 21 can emerge there.
  • the sonotrode 11 extends over this joint and would prevent such leakage, instead forcing the displacement of the adhesive 8 into the free space of the recess 3 '.
  • the sonotrode 11 has, on its front surface 17, flat projections 16 which rest on the substrate 5 only outside the electrical contact surfaces 6 and also outside the region of the IC.
  • the outer edges of the depression 22 ′′ generally rest on the side edges of the contact surface 6 projecting over the substrate 5, and are moved along with the latter when the sonotrode 11 ′ in the card 10 vibrates.
  • the depth of the recess 22 ' is greater than the thickness of the contact surface 6, so that pressure is not introduced into the contact surface 6 vertically to the card plane 10.
  • the sequence shown in FIG. 2 differs primarily in that the card body 2c, in which the carrier element 4 is incorporated, represents only the middle layer of a multi-layer card structure, and then one lower layer 2b is applied to the rear side 15, ie also an upper layer 2a, to the front side 14 of the middle layer 2c.
  • the central cutout 3, 2 'for the IC is designed as a cutout penetrating the middle layer 2c. B. can be punched out.
  • Another advantage is that the curvature 21 in the edge regions between the outer circumference of the substrate 5 and the outer edge of the recess 3 is leveled out or groove-shaped recess 21 'by the 2a attached above it.
  • FIGS. 1a-2b shows that the integrated circuit IC does not have to be located on the rear side 12 of the substrate 5, as shown in FIGS. 1a-2b, but is located in a recess provided for this purpose within the substrate 5, which is usually thicker for this purpose.
  • the central recess 3, 2 ' in which the IC projecting downward or its casing 19 is otherwise to be accommodated, then only serves to accommodate excess material of the adhesive 8, and can also be completely omitted, as in the left one Half of the Fig. 2c shown.
  • FIG. 3 shows a top view of the front side 14 of the carrier element 4 with the substrate 5, on the upper side of which the contact surfaces 6 are visible, and below which the integrated circuit IC is located, but thus drawn in, but invisibly.
  • the outer edges of the substrate 5 thus lie completely within the flanks 24 of the recess 3.
  • the circumference and the depressions 22 of the sonotrode 11 and 11 'from FIG. 1b are shown with broken lines.
  • the outer circumference of the sonotrode 11 extends beyond the joint between the substrate 5 and the edge of the cutout 3 in both directions of the plane of the drawing, and the cutout 22 in which a total of three contact surfaces 6 are arranged on the left side , is therefore a single recess that spans all contact areas on this page.
  • the sonotrode 11 thus only presses on the carrier element 4 with its remaining raised portions 16 and the raised portion toward the center.
  • the sonotrode 11 'shown in the right half of FIG. 3 does not extend beyond the outer edge of the substrate 5 of the carrier element 4, and the depressions 22 provided for the electrical elements in the sonotrode each individually comprise one of the contact surfaces 6 , ie also the area of the integrated circuit IC by means of a single cutout 22.
  • FIG. 4 shows in the top view of the recess 3 for the substrate of the carrier element 4 different types of arrangement of elevations 18.
  • dot-shaped elevations 18, for example in the form of pyramids or truncated pyramids, are arranged in the upper left region of FIG. 4, in the middle of the three regions linear elevations 18 ', with channels located therebetween, are arranged parallel to one another, in this case parallel to one the outer edges of the rectangular recess 3.
  • the linear elevations 18 In the right part of FIG. 4 it can be seen that from the recess 3 'arranged centrally in the recess 3 and which is provided for the IC itself, the linear elevations 18 "also run radially outwards ,
  • the remaining flowable material will fill the valleys between the linear depressions 18 "and, if there is excess, will be displaced into the free space of the central recess 3 ', which is significantly larger in volume than the IC to be accommodated therein.
  • an oscillation direction that is to say an amplitude direction, in the plane of the card body is preferred in the case of vibration application by means of ultrasonic welding, in particular as the last application step.
  • FIGS. 5-7 show, in the viewing direction of FIGS. 1 and 2, enlarged detailed representations, in which elevations 18 and 18 'are shown, which show the cross section and size of the elevations 18, 18':
  • the component to be applied for example the substrate 5, but possibly also directly the electrical component to be applied, that is to say the contact surface 6 or the IC, is already partially from above onto the surface of the Initial state tapered elevations 18, 18 'pointing towards the substrate 5 are pressed on.
  • the material of the elevations which was originally present in its tip area, could already be pressed down into the valleys 26 as material 118, but does not yet completely fill these. In most cases, however, a connection between the individual surveys 18 has already been made.
  • the front side 13 of the substrate 5 is not yet level with the front side 14 or 14 'of the card body 2, so that further pressing down is necessary.
  • the valleys 26 are increasingly - and depending on the dimensioning of the height of the depression 3 almost completely - with displaced flowable material 118 from the elevations 118 g «
  • the base area of the substrate 5 is significantly smaller than that of the cutout 3, which is why, in addition to the substrate 5, an elevation 18 or 18 'remains unaffected and continues to rise completely, thus also forming a barrier against lateral escape of flowable material 118.
  • the recess 3 is only slightly larger than the substrate 5 to be applied that all elevations 18 are pressed down by the substrate 5.
  • the gap dimension between the flank 24 of the recess 3 and the outer edge 23 of the substrate 5 should be chosen to be so small that here the resistance to penetration of the flowable material 118 gets very high.
  • a circumferential depression 26, which can accommodate excess flowable material 118, is arranged along the edge in the bottom of the depression 3 as a volume compensation option.
  • the depressions 26 are in particular arranged transversely to the course of the linear elevations 18.
  • Such depressions serving as buffers can be used for large-area contact surfaces or recesses.
  • stanchions 3 can also be arranged within this area and not only at its edge area.
  • FIG. 7 shows the situation immediately before the substrate 5 is pressed onto the elevations 18 on the bottom of the recess 3 of the card body 2.
  • the elevations 18 are frustoconical.
  • the substrate 5 is pressed against the card body 2 only to such an extent that the free ends of the elevations 18 contact or almost contact the substrate 5.
  • the pasty or liquid adhesive 8 which is pasty or liquid by heating, in particular by ultrasound, is displaced into the valleys 25, and also into the circumferential depression 26 at the edge of the recess 3.
  • Fig. 8 differs from Fig. 7 in that there the elevations 18 have a widening towards the free end, in particular trapezoidal, cross-section, and thereby an adhesive 8 penetrating into the valleys 25 therebetween acts positively after solidification.
  • the survey forms shown can instead of on the contact surface of the card body 2 also on the corresponding opposite contact surface z.

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Abstract

Die Erfindung betrifft mit einem Chip bzw. integrierten Schaltkreis ausgestattete Ausweise, Pässe, andere Identifikationselemente, Karten wie etwa Telefonkarten, Bankkarten, Kreditkarten, Guthabenkarten und dergleichen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Karten dargestellt, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken. Aufgabe ist, ein Verfahren zum formschlüssigen Befestigen von ICs und elektrischen Kontaktflächen an bzw. in einen Kartenkörper zu schaffen sowie eine auf diese Art und Weise teilweise oder ganz fertiggestellte Karte. Ein derartige Verfahren kennzeichnet sich dadurch, dass eine der Kontaktflächen mit Erhebungen versehen wird, so dass in die Täler zwischen diesen Erhebungen Material hinein verdrängt werden kann.

Description

Verfahren zum Einbau von Chips in Kartenkörper
§. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft mit einem Chip bzw. integrierten Schaltkreis (IC) ausgestattete Ausweise, Pässe, andere Identifikationselemente, Karten wie etwa Telefonkarten, Bankkarten, Kreditkarten, Guthabenkarten und dergleichen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Karten dargestellt, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken.
19. Technischer Hintergrund
Bei derartigen Karten wird zunächst der Kunststoffkörper hergestellt, in der Regel aus einem Kunststoffmaterial, und anschließend der IC sowie die mit dem IC verbundenen, an der Außenseite der Karte notwendigen, Kontaktflächen am bzw. im Karten körper fixiert.
Einerseits sind unterschiedliche Kartenkörper bekannt:
Die kostengünstigen, in der Regel für nur einmalige Verwendung vorgesehenen Karten weisen einen Monoblock-Kartenkörper, meist aus ABS, auf.
Hochwertige Kartenkörper weisen einen mehrschichtigen Aufbau auf, beispiels- weise mit einer opaken, undurchsichtigen Mittelschicht sowie beidseitigen, z. B. durchsichtigen, Deckschichten. Andererseits sind die Verfahren zum Einbetten der ICs und Kontaktflächen unterschiedlich, einerseits abhängig von dem Aufbau des Kartenkörpers, andererseits abhängig vom Aufbau der !C-Einheit.
Bisher wird der IC bzw. die Kontaktflächen nicht alleine gehandhabt, da die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des ICs, der Kontaktflächen oder der dazwischen bestehenden elektrisch leitfähigen Verbindungen zu groß wäre. Daher sind sowohl der IC einerseits als auch die Kontaktflächen andererseits an einem Trä- germaterial, dem sogenannten Substrat, befestigt, welches ebenfalls wieder aus nicht leitfähigem Material, in der Regel Kunststoff, besteht und in Form einer dünnen Platte oder Folie vorliegt.
Dabei befinden sich die Kontaktflächen auf der einen Außenseite des Substrates, während der IC sich entweder auf der davon abgewandten Außenseite oder in einer Durchgangsöffnung des Substrates befindet, und über elektrisch leitende Stege mit den Kontaktflächen verbunden ist.
Bei der Handhabung dieses mit IC und Kontaktflächen ausgestatteten Substrates wird darauf geachtet, auf den IC selbst keine zu hohen Belastungen hinsichtlich Druck, Temperatur etc. auftreffen zu lassen.
Bekannt ist es, das Substrat mittels Heißkleber oder Kaitkleber mit dem Kartenkörper zu verkleben.
Um dabei eine ebene Oberfläche der fertigen Karte zu erzielen, wird hierfür - nach dem Aufbringen der Deckschichten - vor dem Verkleben im Kartenkörper eine entsprechende, meist abgestufte, Vertiefung hergestellt, in der Regel durch Ausfräsen. Der mittlere, tiefere Teil dieser Vertiefung dient der Aufnahme des vom Substrat nach unten in Richtung des Kartenkörpers vorstehenden ICs, während der umgebende flachere Teil der Vertiefung der Aufnahme des Substrates dient. Damit wird erzielt, daß nach dem Verkleben entweder das Substrat selbst mit seiner Frontseite bündig mit der Vorderseite des Kartenkörpers ist, oder die auf dem Substrat angeordneten und über dieses leicht vorstehenden elektrisch leitenden Kontaktflächen.
Unregelmäßigkeiten der Kartenoberfläche können vor allem dadurch auftreten, daß aus Gründen der automatisierten Herstellbarkeit die das Substrat aufnehmende Vertiefung mit größerer Grundfläche gewählt werden muß als das Substrat selbst, und an den umlaufend verbleibenden Fugen somit entweder über- schüssiger Kleber austreten kann und damit Aufwölbungen nach außen ergeben, oder durch überschüssigen Kleber eben nicht vollständig ausgefüllt werden, und dadurch Vertiefungen verbleiben. Zur Erzielung einer glatten Oberfläche kann nur mit Kieberüberschuß gearbeitet werden, der dann jedoch immer über die Oberfläche vorquillt und in einem separaten Arbeitsschritt mechanisch entfernt werden muß.
Dabei soll jedoch unbedingt vermieden werden, daß der aus Entlastungsgründen im tieferen Teil der Kavität frei hineinragende IC, die sogenannte "Pille", dort durch Kleberüberschuß aus dem flacheren Teil der Kavität verklebt wird.
.HL DarsteHung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum formschlüssigen Befestigen von ICs und elektrischen Kontaktflächen an bzw. in einen Kartenkörper zu schaffen sowie eine auf diese Art und Weise teilweise oder ganz fertiggestellte Karte. b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 18 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch das Aufbringen einer dreidimensionalen Struktur, beispielsweise sich abwechselnden Erhebungen und Tälern, auf wenigstens einer, vorzugsweise beiden Kontaktflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile, insbesondere auf der Kontaktfläche des Kartenkörpers, kann ein Verkleben oder Verschweißen mittels Ultraschallschwingungen der Bauteile zueinander deutlich erleichtert werden. Insbesondere kann es damit erreicht werden, daß das Nacharbeit erfordernde Austreten von Klebermaterial oder anderem fließfähigem Material über die Vorderseite des Kartenkörpers hinaus vermieden wird. Das fließfähige Material, sei es ein spezieller aufgebrachter Kleber, der durch Wärme oder Ultraschallschwin- gung, teigig bzw. flüssig wird, oder sei es das Kunststoffmaterial der miteinander zu verbindenden Bauteile selbst, welches durch Ultraschall aktivierbar ist, fließen dabei in die Täler zwischen den Erhebungen hinein, die vorzugsweise dabei jedoch nicht vollständig ausgefüllt werden, sondern sozusagen einen Volumenpuffer für das bei der Verbindung fließfähig werdende Material darstellen.
Wird das Material eines der Bauteile selbst fließfähig, so werden die Spitzen der Erhebungen abgebaut und deren Material in die Täler hinein verlagert.
Dadurch ist es möglich, die Höhenlage des einzubringenden Bauteiles, also des Substrates mit dem IC und den elektrischen Kontaktflächen, oder diese elektrischen Bauteile alleine während des Einbringprozesses exakt zu steuern und damit eine durchgehend fluchtende, plane Oberfläche der fertigen Karte zu erzielen, was insbesondere zur Vermeidung des Aufbringens weiterer Deckschichten sehr notwendig ist. Gerade beim Aufbringen mittels Ultraschall kann die dabei verwen- dete Sonotrode gleichzeitig als mechanischer Glättungsstempel dienen. Durch das Verschweißen mittels Ultraschall, also Aufbringen von Druck und Ultraschall-Schwingungen, sind einerseits sehr kurze Taktzyklen möglich, da die Verschweißung unmittelbar nach Beenden der Ultraschallschwingung verfestigt.
Im Gegensatz zur direkten Einbringung von Wärmeenergie mittels z. B. eines Heizstempels, wie es heute bei dem Verkleben mittels Heißklebern bzw. Schmelzklebern angewandt wird, bietet das Ultraschallschweißen den Vorteil, daß die zum Verkleben notwendige Energie in Form von mechanischen Schwingungen in die zu erzeugende Verbindung eingebracht wird, die erst an der Kontaktstelle zwi- sehen den miteinander zu verbindenden Teilen umgesetzt und zum Aufbrechen der molekularen Bindungen des festen Materials, in diesem Falle des Substrates einerseits und des Kartengrundkörpers andererseits, sowie zur Änderung des Zu- standes von fest zu teigig bzw. flüssig, in der Nähe der Kontaktstelle eingesetzt wird. Sofern beim Ultraschallschweißen über diese Materialerweichung hinaus Energie durch Aufbringen von Druck und/oder Schwingungen zugeführt wird, kommt es auch beim Ultraschallschweißen an der Kontaktstelle zu einer Materialerwärmung, was jedoch durch möglichst genaue Steuerung der zugeführten Energie, also Höhe und Zeitdauer des aufgebrachten Druckes sowie Frequenz und Zeitdauer der Schwingungen, so geregelt werden kann, daß keine oder eine nur möglichst geringe Erwärmung an der Schweißstelle auftritt.
Zum einen sind beim Ultraschallschweißen somit die Abkühlzeiten sehr gering bzw. entfallen vollständig, was die Taktzeiten bei der Massenproduktion derartiger Karten bzw. Ausweise reduziert, zum anderen beschränkt sich die Erwärmung, sofern eine solche stattfindet, auf den unmittelbaren Verklebungsbereich, also die miteinander in Kontakt gebrachten Klebeflächen, während davon weiter entfernte Bereiche, insbesondere die nach außen weisende Seite des Substrates und der IC selbst bereits keiner Erwärmung mehr unterworfen werden. Auch optisch nachteilige Veränderungen auf der Außenseite der Karte, wie sie beim Aufsetzen eines Heizstempels häufig die Folge sind, und die beispielsweise die Auswahl der verwendbaren Materialien einschränkt, werden vollständig vermieden. Ein weiterer Vorteil der Ultraschailschweißung besteht darin, daß die Verklebung entweder mit Hilfe eines Ultraschall-fähigen Klebers durchgeführt werden kann, oder ohne zusätzlichen Kleber, sofern das Material mindestens eines der an der Verklebung beteiligten Bauteile Ultraschall-schweißfähig ist, also bei Energie- zufuhr klebfähig wird. Vorzugsweise sollten beide Materialien diese Eigenschaft aufweisen und insbesondere die Materialien beider Bauteile identisch sein, da dies eine optimale Ultraschallverschweißung ergibt.
Auf diese Art und Weise kann - wie bisher bekannt - ein Substrat, in der Regel ebenfalls eine Kunststoffolie oder eine Kunststoffplatte, die ihrerseits den eigentlichen integrierten Schaltkreis sowie die Kontaktflächen und die Verbindungsstege zwischen beiden aufweist, mit dem Kartenkörper verbunden werden, öder es können unter Wegfall des Substrates der integrierte Schaltkreis und/oder die Kontaktflächen direkt mit dem Kartenkörper verbunden werden. Um dabei ein Ankleben von erwärmtem Material an der Sonotrode, mittels welcher die Ultraschallschwingung und der Druck aufgebracht werden, zu vermeiden, ist ein wechselbarer Überzug der Sonotrode vorstellbar, beispielsweise ein über die Sonotrode abschnittsweise darüber gelegtes endloses Band aus einem Material mit niedriger Haftfähigkeit, wie beispielsweise Teflon.
Ein weiterer Vorteil der Ultraschallverbindung besteht darin, daß durch die Ultraschallbeaufschlagung - auch bei Verwendung eines Klebers - auch das Material des Kartenkörpers im Beaufschlagungsbereich teigig und damit fließfähig wird. Damit ist es möglich, eine Materialverdrängung im Kartengrundkörper zu errei- chen, und damit das Herstellen einer Vertiefung für den Chip bzw. das Substrat im Kartenkörper entweder vollständig zu vermeiden oder zumindest zu vereinfachen, indem diese Vertiefung nicht nachträglich durch Fräsen, sondern beispielsweise durch Umformung oder direkt beim Spritzgußvorgang, also auf einfache Art und Weise, hergestellt werden kann.
So könnte beispielsweise die Aussparung für den Chip selbst ausreichen, während das wesentlich dünnere Substrat durch Materialverdrängung in die Oberflä- ehe des Kartenkörpers hinein gebracht wird bis zur Bündigkeit der jeweiligen Außenflächen von Substrat und Kartengrundkörper.
Dabei kann insbesondere eine oder mehrere zusätzliche Vertiefungen als Volu- menpuffer für bei der Verdrängung anfallendes überschüssiges Kartenkörper- Material bzw. Klebermaterial bei Verwendung eines Klebers, benutzt werden, z. B. ein Ringkanal knapp innerhalb des äußeren Randes des Substrates.
Das seitliche Austreten von Kleber bzw. Überschußmaterial entlang des Umfangs des Substrates kann durch zusätzliche Maßnahmen vermieden werden:
Zum einen kann die Sonotrode von ihrer Fläche her deutlich größer gewählt werden als das Substrat, so daß die seitlich überstehenden Bereiche der Sonotrode ein Austreten des Materials bzw. Klebers verhindern, und gleichzeitig in diesen angrenzenden Bereichen eine Komprimierung des Materials stattfindet, mit deren Hilfe das verdrängte Volumen kompensiert wird.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch sehr paßgenaue und insbesondere konische Kanten entweder des Substrates oder auch der Flanken der Vertiefung im Kartenkörper beim Eindrücken des Substrates unter Ultraschallbeaufschlagung eine Keilwirkung zu erzielen, die eine gute Abdichtung am Rand bietet und damit ein Austreten von Überschußmateria! bzw. Kleber in diesem Bereich verhindert. Dabei kann die Handhabung auch durch spezifische Gestaltung der Sonotrode in Abstimmung auf die der Sonotrode zugewandte Oberseite des Substrates erleich- tert werden. In der Regel stehen auf dieser Seite über das Substrat die dort aufgebrachten metallischen Kontaktflächen etwas nach oben vor. Diese vorstehenden Kontaktflächen können einerseits zum Positionieren der Sonotrode benutzt werden. In diesem Fall weist die Sonotrode in ihrer Frontfläche Vertiefungen auf, die den vorhandenen Kontaktflächen entsprechen.
Sind diese Vertiefungen tiefer als es der Dicke der Kontaktflächen entspricht, liegt die Sonotrode nur an den Substratfreiflächen außerhalb der Kontaktflächen am Substrat an und bringt nur dort Druck und Ultraschallschwingung auf. Sofern die Grundfläche dieser Vertiefungen exakt der Fläche der Kontaktflächen entspricht, werden die Kontaktflächen zum formschlüssigen Positionieren und Zentrieren der Sonotrode verwendet, allerdings mit der Folge, daß auf die Kanten der Kontaktflächen ebenfalls Ultraschallschwingungen übertragen werden. Soll dies vermieden werden, muß die Grundfläche der Vertiefungen größer sein als die der Kontaktflächen. Weiterhin kann eine Vertiefung in der Frontfläche der Sonotrode im Bereich des eigentlichen integrierten Schaltkreises vorgesehen sein, um in diesem Bereich weder Druck noch Ultraschallschwingungen in das Substrat einzuleiten.
Ebenso ist es jedoch denkbar, die Frontfläche der Sonotrode eben auszubilden, und - bei über das Substrat vorstehenden Kontaktflächen - damit die Sonotrode nur in Kontakt mit den metallenen Kontaktflächen zu bringen, was insbesondere in den darüber hinausstehenden Randbereichen eine Verformung des Substrates nach sich zieht, was jedoch angesichts des für das Substrat verwendeten Kunst- stoffmateriales in der Regel zu keinen Beschädigungen am Substrat führt.
Bei der Beaufschlagung mittels Ultraschall ist dabei auch nach der Richtung der Ultraschallschwingung, also der Amplitudenrichtung der Schwingung, zu unter- scheiden. Diese Schwingungsrichtung kann quer zur Kartenhauptebene, insbesondere lotrecht hierzu, gewählt werden, oder in der Kartenhauptebene, insbesondere in den beiden Raumrichtungen abwechselnd.
Der Vorteil einer lotrechten Schwingungsrichtung liegt darin, daß hierbei sehr ge- ringe bzw. überhaupt keine Relativbewegungen der miteinander zu verbindenden Teile in der Kartenebene stattfinden, also beispielsweise die für das Substrat oder den integrierten Schaltkreis vorgesehenen Vertiefungen im Kartenkörper hinsichtlich ihrer Grundfläche nicht größer, sondern exakt der Größe dieser Bauteile gewählt werden können.
Der Vorteil von Schwingungen in der Kartenebene liegt darin, daß hierdurch der Fließprozeß des teigigen Materials, sei es Material der beteiligten Bauteile und/oder Klebermaterial, in Kartenhauptebene gefördert wird. Dadurch kann insbesondere das Transportieren von Material in definiert vorhandene Pufferzonen hinein gefördert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht deshalb darin, zunächst eine Beaufschlagung mit einer Schwingungsrichtung lotrecht zur Kartenebene vorzunehmen und anschließend Ultraschallschwingung mit Schwingungsrichtung in der Kartenebene, insbesondere nacheinander in beiden Richtungen der Kartenebene oder kreisend in der Kartenebene durchzuführen. Durch den ersten Schritt wird die Wärmeerzeugung soweit vorangetrieben, daß das Material teigig wird, und durch den zweiten Schritt, der insbesondere gegenüber dem ersten Schritt bei reduziertem Druck oder ganz ohne Druck vonstatten werden kann, wird ausschließlich die Materialförderung in die gewünschten Zonen hinein gefördert.
Diese Zonen können das bereits erwähnte Differenzvolumen in der Aussparung für den IC sein, oder auch separat hergestellte Pufferzonen, beispielsweise regelmäßig im Boden der Vertiefung des Kartengrundkörpers nochmals eingebrachte kleinere punktförmige Vertiefungen, oder eine entlang des Randbereiches der Vertiefung des Kartengrundkörpers in dessen Boden eingearbeitete, insbe- sondere geschlossen umlaufende Rinne, die Überschußmaterial aufnimmt, bevor dieses entlang der Außenränder des Substrates über die Kartenoberfläche hochsteigen kann.
Auch und gerade beim Befestigen von IC und Kontaktflächen ohne Substrat, also direkt auf bzw. im Kartengrundkörper, bietet die Verschweißung mittels Ultraschall Vorteile:
Zum einen ist es möglich, die Kontaktflächen nicht wie bisher als durchgängige Fläche auszubilden, sondern als fein gewickelte Spirale, jedenfalls aus einer Viel- zahl von in einer Ebene liegenden Drahtwicklungen etc. auszuführen. Den gleichen Zweck erfüllt eine gitterartige Kontaktfläche. Die Kontaktierung ist mit einer solchen durchbrochenen Kontaktfläche in gleicher Weise möglich, jedoch ist das Verdrängungsvolumen einer solchen durchbrochenen Kontaktfläche sehr viel kleiner und damit auch das Verdrängungsvolumen beim Einpressen mittels Druck und Ultraschall in eine ebene Kartenoberfläche, also ohne hierfür vorgesehene eingearbeitete Vertiefung.
Zum anderen können derartige für sich allein sehr instabile Bauteile wie Gitterfolien aus Metall oder Drahtwicklungen, wie sie als durchbrochene Kontaktflächen verwendet werden könnten, oder auch die sehr dünnen Verbindungsstege zwischen den Kontaktflächen und dem integrierten Schaltkreis, mit einer Sonotrode vergleichsweise leicht gehandhabt werden, indem hierfür in der Frontfläche der Sonotrode speziell gestaltete Vertiefungen angepaßter Größe und Tiefe vorgesehen werden können. Dabei kann insbesondere die Tiefe so gewählt werden, daß sie nur einem Bruchteil der Dicke dieser Elemente entspricht, so daß diese Elemente noch über die übrige Frontfläche der Sonotrode hervorstehen und dadurch bei Aufbringen von Druck und Ultraschall in die ebene Außenfläche des rohen Kartengrundkörpers eingepreßt werden können.
Auch ein - vor dem Einbringen des Substrats bzw. der elektrisch leitfähigen Bauteile - stattfindender separater Vorbearbeitungsschritt ist denkbar, der in der ebe- nen Außenfläche des rohen Kartengrundkörpers durch Aufbringen von Druck und Ultraschall mittels einer Sonotrode in einem definierten Bereich das Material des Kartengrundkörpers zunächst erweicht, um erst danach - wiederum mittels Aufbringen von Druck und/oder Ultraschall - die gewünschten Bauteile auf oder in den Kartengrundkörper zu implementieren. Dies reduziert die in die elektrischen Bauteile eingebrachten Schwingungen und Drücke erheblich.
Bei der Verbindung von zwei thermoplastischen Kunststoffmaterialien kann ferner durch Wahl der Materialien hinsichtlich ihrer Erweichungstemperatur Vorteil erzielt werden. Wenn beispielsweise das Material des Kartengrundkörpers früher er- weicht als das Material des Substrates, welches die elektrischen Bauteile trägt, so ist bei noch relativ stabilem Substrat bereits eine gute Fließfähigkeit des Grund- körpermaterials und dessen Fließen in die gewünschten Pufferzonen hinein erzielbar.
c) Ausführungsbeispiele
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 : die Vorgehensweise bei einer Monoblockkarte,
Fig. 2: die Vorgehensweise bei einer Mehrschichtkarte,
Fig. 3: eine Aussicht auf das Trägerelement 4 beim Einsetzen in den Karten- körper 2,
Fig. 4: eine Aufsicht auf den Kartenkörper 2 von dessen Vorderseite 14 her,
Fig. 5: eine vergrößerte Schnittdarstellung in gleicher Blickrichtung wie die Fi- guren 1 und 2,
Fig. 6: eine Darstellung ähnlich Fig. 5,
Fig. 7: eine Darstellung ähnlich Fig. 5 und 6, jedoch unter Verwendung eines separaten Klebers 8, und
Fig. 8: eine Darstellung ähnlich Fig. 7.
In den Fig. 1 - 2 ist die Karte 1 , bzw. vor Zusammenbau deren Einzelteile jeweils im Querschnitt, also geschnitten quer zur Hauptebene, der Kartenebene 10, dargestellt. In Fig. 1a ist der Kartenkörper 2 einer plattenförmigen Karte aus Kunststoff, mit vorzugsweise zueinander paralleler Vorderseite 14 und Hinterseite 15 dargestellt, in welche ein Trägerelement 4 eingesetzt werden soll, welches aus einem Substrat 5, ebenfalls ein plattenförmiges Kunststoffelement oder Folienstück, umfaßt, auf dessen dem Kartenkörper 2 zugewandten Rückseite 12 ein integrierter Schaltkreis IC aufgesetzt und mittels einer linsenförmigen Umhüllung 19 geschützt ist, und auf dessen dem Kartenkörper 2 abgewandten Frontseite 13 Kontaktflächen 6 aus Metall aufgebracht sind, die dem späteren Kontaktieren des ICs dienen. Die ebenfalls vorhandenen elektrisch leitenden Verbindungen zwischen die- sen Kontaktflächen 6 und dem IC sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, sind jedoch ebenfalls Bestandteil des Trägerelementes 4.
Das Trägerelement 4 weist somit bei dieser Bauform eine etwa plattenförmige Gestalt mit nach unten vorstehendem IC bzw. Umhüllung 19 auf.
Zur Aufnahme im Kartenkörper 2 ist daher in dessen dem Trägerelement 4 zugewandten Vorderseite 14 eine Vertiefung in Form einer Aussparung 3 eingearbeitet, die vom Umfang her etwas größer ist als das Substrat 5 des Trägerelements 4, über dessen Außenrand die Kontaktflächen 6 nicht vorstehen. Im Bo- den dieser Aussparung 3 ist eine weitere Vertiefung in Form einer Aussparung 31 topfförmig eingearbeitet, an der Position des ICs bzw. dessen Umhüllung 19, und ebenfalls wieder vom Umfang her größer dimensioniert als die Umhüllung 19 und auch etwas tiefer. Die Aussparung 3' ist bei einem einschichtigen Kartenaufbau, wie er in Fig. 1a, 1b vorzugsweise dargestellt ist, keine Durchgangsöffnung bis zur Hinterseite 15 des Kartenkörpers 2.
Die Tiefe der ersten Aussparung 3 ist größer als die Dicke des Substrates 5, vorzugsweise auch größer als die gemeinsame Dicke von Substrat 5 und darauf aufgesetzten metallischen Kontaktflächen 6. Auf dem Boden dieser Aussparung 3, insbesondere um die zweite Aussparung 3' herum, ist eine Schicht aus Kleber 8 aufgebracht. Dieser könnte statt dessen auch an der Rückseite 12 des Substrates 5 außerhalb der Umhüllung 19 für den IC angeordnet sein. Wie in Fig. 1 b dargestellt, wird dieses Trägerelement 4 in den Aussparungen 3 bzw. 3' positioniert und mittels einer von der einen Seite der Kartenebene 10 aufgesetzten Sonotrode 11 bzw. 11 ' und einem von der Gegenseite her abstützen- den Amboß 9 einerseits mit Druck und andererseits mittels Ultraschallschwingungen beaufschlagt, mit weicher die Sonotrode 11 bzw. 11' schwingt, während der Amboß 9 vorzugsweise stillsteht.
Bei dem Kleber 8 handelt es sich dabei um einen Heißkleber bzw. Schmelzkleber, der durch die bei der Einwirkung der Ultraschallschwingung an der Kontaktfläche zwischen Kartenkörper 2 und Substrat 5, also im Bereich des Klebers 8, in Wärmeenergie umgesetzt wird, wodurch der Kleber teigig bzw. flüssig wird und das Trägerelement 4 mit dem Kartenkörper 2 verklebt. Die Schicht des Klebers 8 wird dadurch in ihrer Höhe zusammengedrückt und das Material des Klebers zur Seite hin verdrängt, wenn mittels der Sonotrode 11 bzw. 11 ' das Trägerelement 4 soweit in die Aussparung 3 des Kartenkörpers 2 hfneingedrückt wird, daß dessen Frontseite 13 mit der Vorderseite 14 des Kartenkörpers 2 fluchtet.
Der Kleber 8 wird daher zur Seite hin verdrängt, und dringt einerseits in den Frei- räum in der tieferen Aussparung 3' vor, die aus diesem Grunde größer gewählt ist, als es für den IC und dessen Umhüllung 19 notwendig ist. Insbesondere wird die Aussparung 3' als Aussparung mit senkrecht dem Boden stehenden Flanken ausgeführt, während die Umhüllung 19 des ICs linsenförmig gewölbt ist. Andererseits dringt der Kleber 8 dadurch in die außen umlaufende Fuge zwischen den äußeren Flanken 24 der Aussparung 3 und die Außenkante 23 des Substrates 5 vor. Je nach Breite dieser Fuge dringt der Kleber 8 dabei über die Vorderseite 14 des Kartenkörpers 2 nach außen vor, und bildet dabei eine unerwünschte Aufwölbung 21 , oder er bleibt hinter dieser Vorderseite 14 zurück, und bildet dabei eine nut- förmige unerwünschte Vertiefung. Wie Fig. 1b zeigt, bei welcher die Sonotrode 11 bzw. 11' auf die Frontseite 13 bzw. Vorderseite 17 des Substrates 5 bzw. des Kartenkörpers 2 aufgesetzt wird, während die Hinterseite 15 des Kartenkörpers 2 vom Amboß 9 abgestützt wird.
In der rechten Bildhälfte der Fig. 1 b befindet sich dabei die Sonotrode 11' nur auf dem Substrat 5, so daß also die Fuge zwischen der Außenkante des Substrates 5 und dem äußeren Rand der Aussparung 3 frei bleibt und dort die Aufwölbung 21 austreten kann.
In der linken Bildhälfte erstreckt sich die Sonotrode 11 dagegen über diese Fuge hinweg und würde ein solches Austreten verhindern, statt dessen die Verdrängung des Klebers 8 in den Freiraum der Aussparung 3' hinein erzwingen.
Die Sonotrode 11 weist an ihrer Frontfläche 17 flächenförmige Vorsprünge 16 auf, die nur außerhalb der elektrischen Kontaktflächen 6 und auch außerhalb des Bereiches des ICs auf dem Substrat 5 anliegen. Die dazwischen befindlichen Vertiefungen 22 in der Frontfläche 17 des Sonotrode 11 bzw. 11 ' sind entweder - sowohl hinsichtlich ihrer Tiefe als auch ihres Umfanges - größer als die entsprechende Kontaktfläche 6, wie an der Vertiefung 22 in der linken Bildhälfte darge- stellt, oder sie weisen zwar eine größere Tiefe, jedoch passende Außenkontur bezüglich der Kontaktfläche 6 auf, wie bei der Vertiefung 22' in der rechten Bildhälfte der Fig. 1 b dargestellt. Dann liegen die äußeren Ränder der Vertiefung 22" in der Regel an den Seitenkanten der über das Substrat 5 vorspringende Kontaktfläche 6 an, und werden - bei einer Schwingung der Sonotrode 11' in der Karte- nebene 10 - mit diesem mitbewegt. Die Tiefe der Aussparung 22' ist je größer als die Dicke der Kontaktfläche 6, so daß eine Druckeinleitung in die Kontaktfläche 6 vertikal zur Kartenebene 10 nicht stattfindet.
Der in Fig. 2 dargestellte Ablauf unterscheidet sich primär dadurch, daß der Kar- tenkörper 2c, in welchen das Trägerelement 4 eingearbeitet wird, nur die Mittelschicht eines mehrschichtigen Kartenaufbaus darstellt, und anschließend eine untere Schicht 2b auf die Hinterseite 15, also auch eine obere Schicht 2a, auf die Vorderseite 14 der Mittelschicht 2c aufgebracht wird.
Dies stellt zwar zusätzlichen Arbeitsaufwand dar, bietet jedoch auch Vorteile, bei- spielsweise, daß die zentrale Aussparung 3, 2' für den IC als die Mittelschicht 2c durchdringende Aussparung ausgebildet, also z. B. ausgestanzt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die in den Randbereichen zwischen Außenumfang des Substrates 5 und äußerem Rand der Aussparung 3 bestehende Aufwölbung 21 nach außen oder nutförmige Vertiefung 21' durch die darüber ange- brachte 2a egalisiert werden.
Weiterhin ist anhand der Fig. 2c dargestellt, daß sich der integrierte Schaltkreis IC nicht - wie in den Fig. 1a - 2b dargestellt - auf der Rückseite 12 des Substrates 5 befinden muß, sondern sich in einer hierfür vorgesehenen Aussparung innerhalb des Substrates 5 befindet, welches in der Regel zu diesem Zweck auch dicker ausgebildet ist.
Die zentrale Aussparung 3, 2', in der ansonsten der nach unten vorstehende IC bzw. dessen Umhüllung 19 aufzunehmen ist, dient dann nur noch der Aufnahme von überschüssigem Material des Klebers 8, und kann ggf. auch vollständig weggelassen werden, wie in der linken Bildhälfte der Fig. 2c dargestellt.
Anhand der Darstellung der verwendeten Sonotroden 11" bzw. 11'" in Fig. 2b sind weitere Möglichkeiten der Gestaltung der Vertiefungen 22' in deren Frontfläche 17 dargestellt: Während in der linken Hälfte, also an der Sonotrode 11", der Vorsprung 16 in der Frontfläche der Sonotrode 11" nur entlang des äußeren Randbereiches verläuft, und somit nur in diesem Bereich Druck und Ultraschallschwingungen auf das Substrat 5 ausgeübt werden, ist in der rechten Bildhälfte der Fig. 2b bei der Sonotrode 11'" dargestellt, daß dessen Vertiefungen 22'" eine Tiefe aufweist, die der Dicke der Kontaktfläche 6 entspricht, so daß sowohl die Freiflächen 7 außerhalb der Kontaktflächen 6 als auch die Kontaktflächen 6 selbst mit Druck/Ultraschallschwingung beaufschlagt werden. Fig. 3 zeigt in der Aufsicht auf die Vorderseite 14 das Trägerelement 4, mit dem Substrat 5, auf dessen Oberseite und damit sichtbar sich die Kontaktflächen 6 befinden, und unter dem und somit zwar eingezeichnet, aber unsichtbar sich der integrierte Schaltkreis IC befindet.
Die Außenkanten des Substrates 5 liegen damit vollständig innerhalb der Flanken 24 der Aussparung 3. Getrennt für rechte und linke Bildhälfte sind mit unterbrochenen Linien der Umfang und die Vertiefungen 22 der Sonotrode 11 bzw. 11' aus Fig. 1 b dargestellt. Dabei erstreckt sich in der linken Bildhälfte der Außenumfang der Sonotrode 11 über die Fuge zwischen dem Substrat 5 und dem Rand der Aussparung 3 in beiden Richtungen der Zeichenebene hinaus, und die Aussparung 22, in der die auf der linken Seite insgesamt drei Kontaktflächen 6 angeordnet sind, ist also eine einzige, alle Kontaktflächen dieser Seite übergreifende Aus- sparung gestaltet.
Die Sonotrode 11 drückt somit nur mit ihren verbleibenden randseitigen Erhebungen 16 sowie der zur Mitte hin verbleibenden Erhebung auf das Trägerelement 4.
Im Gegensatz dazu erstreckt sich die in der rechten Bildhälfte der Fig. 3 dargestellte Sonotrode 11' nicht über den äußeren Rand des Substrates 5 des Trägerelementes 4 hinaus, und die für die elektrischen Elemente in der Sonotrode vorgesehenen Vertiefungen 22 umfassen einzeln jeweils eine der Kontaktflächen 6, also auch die Fläche des integrierten Schaltkreises IC mittels einer einzelnen Aussparung 22.
Bei der rechten unteren Kontaktfläche 6 ist dargestellt, daß diese Aussparung 22' exakt der Größe der Kontaktfläche entspricht, während in allen anderen Fällen die Aussparungen größer sind und einen umlaufenden Rand zwischen der Außenkante der Kontaktfläche 6 bzw. des integrierten Schaltkreises und dem Rand der Aussparung 22 lassen. Fig. 4 zeigt in der Aufsicht auf die Vertiefung 3 für das Substrat des Trägerelementes 4 unterschiedliche Arten der Anordnung von Erhebungen 18.
Während im linken oberen Bereich der Fig. 4 rasterartig punktförmige Erhebungen 18, beispielsweise in Form von Pyramiden oder Pyramidenstümpfen angeordnet sind, sind in dem mittleren der drei Bereiche linienförmige Erhebungen 18', mit dazwischen befindlichen Rinnen parallel zueinander angeordnet, in diesem Fall parallel zu einer der Außenkanten der rechteckigen Vertiefung 3. Im rechten Teil der Fig. 4 ist zu erkennen, daß von der zentral in der Vertiefung 3 angeordneten Aussparung 3', die für den eigentlichen IC vertieft vorgesehen ist, die ebenfalls linienförmigen Erhebungen 18" radial nach außen laufen.
Um zu vermeiden, daß am äußeren Rand der Aussparung 3 fließfähiges Material nach oben aus der Vertiefung 3 austritt, kann im Randbereich umlaufend entweder eine linienförmige Erhebung 18" als Stopper vorgesehen sein oder eine linienförmige Vertiefung 18, deren Volumen als Puffervolumen für überschüssiges fließfähiges Material am Außenrand dient. Das übrige fließfähige Material wird die Täler zwischen den linienförmigen Vertiefungen 18" ausfüllen und bei Überschuß in den Freiraum der zentralen Aussparung 3' verdrängt werden, welche vom Volumen her deutlich größer ist als der darin aufzunehmende IC. Um dies zu fördern, wird bei Schwingungsbeaufschlagung mittels Ultraschallschweißen bevorzugt, insbesondere als letzter Beaufschlagungsschritt, eine Schwingungsrichtung, also Amplitudenrichtung, in der Ebene des Kartenkörpers gewählt.
Die Figuren 5 - 7 zeigen in Blickrichtung der Figuren 1 und 2 vergrößerte Detaildarstellungen, in denen Erhebungen 18 bzw. 18' dargestellt sind, die Querschnitt und Größe der Erhebungen 18, 18' erkennen lassen:
In den Figuren 5 und 6 ist das zu applizierende Bauteil, beispielsweise das Substrat 5, aber unter Umständen auch direkt das aufzubringende elektrische Bauteil, also die Kontaktfläche 6 oder der IC, bereits teilweise von oben her auf die im Ausgangszustand spitz zulaufenden, gegen das Substrat 5 weisenden Erhebungen 18, 18' aufgedrückt. Das Material der Erhebungen, welches ursprünglich in dessen Spitzenbereich vorhanden war, hat sich bereits als Material 118 in die Täler 26 herabdrücken lassen, füllt diese jedoch noch nicht vollständig aus. Eine Verbindung zwischen den einzelnen Erhebungen 18 ist jedoch in den meisten Fällen bereits erfolgt. Die Frontseite 13 des Substrates 5 befindet sich dabei allerdings noch nicht auf einer Höhe mit der Vorderseite 14 bzw. 14' des Kartenkörpers 2, so daß weiteres Herabdrücken notwendig ist. Dadurch werden die Täler 26 zunehmend - und je nach Dimensionierung der Höhe der Vertiefung 3 fast voll- ständig - mit verdrängtem fließfähigem Material 118 aus den Erhebungen 118 g«
In Fig. 5 ist die Grundfläche des Substrates 5 deutlich kleiner als die der Aussparung 3, weshalb neben dem Substrat 5 eine Erhebung 18 bzw. 18' unbeeinflußt bleibt und weiterhin vollständig aufragt und damit auch eine Sperre gegen seitliches Austreten von fließfähigem Material 118 bildet.
Demgegenüber ist in Fig. 6 die Aussparung 3 nur so geringfügig größer als das aufzubringende Substrat 5, daß sämtliche Erhebungen 18 vom Substrat 5 nieder- gedrückt werden. Um ein Austreten von fließfähigem Material 118 insbesondere im Randbereich über die Vorderseite 14 hinaus zu vermeiden, ist einerseits das Spaltmaß zwischen der Flanke 24 der Aussparung 3 und der Außenkante 23 des Substrates 5 so klein zu wählen, daß hier der Widerstand zum Hindurchdringen von fließfähigem Material 118 sehr hoch wird. Zum anderen ist als Volumen- ausgleichsmöglichkeit entlang des Randes im Boden der Vertiefung 3 eine umlaufende Vertiefung 26 angeordnet, die überschüssiges fließfähiges Material 118 aufnehmen kann.
Die Vertiefungen 26 sind - bei linienförmigen Erhebungen 18 - insbesondere quer zum Verlauf der linienförmigen Erhebungen 18 angeordnet. Derartige als Puffer dienende Vertiefungen können bei großflächigen Kontaktflächen bzw. Ausspa- rungen 3 auch innerhalb dieser Fläche und nicht nur an dessen Randbereich angeordnet werden.
Demgegenüber zeigt Fig. 7 die Situation unmittelbar vor dem Aufdrücken des Substrates 5 auf die Erhebungen 18 am Boden der Aussparung 3 des Kartenkörpers 2. Gegenüber den Darstellungen der Figuren 5 und 6 ist auf der dem Kartenkörper 2 zugewandten Rückseite 12 des Substrates 5 bereits eine Schicht aus Kleber 8, insbesondere einem Schmelzkleber, aufgebracht. Die Erhebungen 18 sind kegelstumpfförmig ausgebildet.
Das Substrat 5 wird dabei nur soweit gegen den Kartenkörper 2 gedrückt, daß die freien Enden der Erhebungen 18 das Substrat 5 kontaktieren oder beinahe kontaktieren.
Der durch Erwärmung, insbesondere durch Ultraschallbeaufschlagung, teigige bzw. flüssige Kleber 8 wird dabei in die Täler 25 hinein verdrängt, und auch in die umlaufende Vertiefung 26 am Rande der Aussparung 3.
Dies bietet den Vorteil, daß durch die nicht spitz nach oben zulaufenden, sondern abgeflachten Erhebungen 18 eine definierte Auflagefläche für die Rückseite 12 des Substrates 5 geschaffen werden kann, bei deren Kontaktierung die Frontseite 13 bündig mit der Vorderseite 14 des Kartenkörpers ist.
Fig. 8 unterscheidet sich von Fig. 7 dadurch, daß dort die Erhebungen 18 einen zum freien Ende hin sich vergrößernden, insbesondere trapezförmigen, Querschnitt besitzen, und dadurch ein in die Täler 25 dazwischen vordringender Kleber 8 nach Erstarren formschlüssig hintergreifend wirkt.
Die dargestellten Erhebungsformen können anstelle an der Kontaktfläche des Kartenkörpers 2 auch an der entsprechenden entgegengerichteten Kontaktfläche z. B. des Substrates 5 oder auch an beiden Flächen vorgesehen werden. BEZUGSZE1CHENLISTE
1 Karte 13 Frontseite
2 Kartenkörper 14 Vorderseite
2a obere Deckschicht 15 Hinterseite
2b untere Deckschicht 25 16 Vorsprünge 2c Mittelschicht 17 Frontfläche
3 Aussparung 18 Erhebungen
3' Aussparung 18', 18" linienförmige Erhebungen
4 Trägerelement 19 IC-Umhüllung
5 Substrat 30 21 Aufwölbung 6 Kontaktfläche 22 Vertiefungen
7 Substratfreifläche 23 Außenkante
8 Kleber 24 Flanke
9 Amboß 25 Täler
10 Kartenebene 35 26 Vertiefung 11 Sonotrode 118 Material
12 Rückseite IC integrierter Schaltkreis

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Einbau eines integrierten Schaltkreises (IC) an bzw. in einem Grundkörper, insbesondere einen Kartenkörper (2) mittels eines kraftschlüssigen, auf Haftkraft basierenden Verbindungsverfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kontaktflächen mit Erhebungen (18) versehen wird, so daß in die Täler (25) zwischen diesen Erhebungen (18) Material hinein verdrängt werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsverfahren Schweißen, insbesondere Schweißen mittels Aufbringen von Ultraschallschwingungen und Druck, ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsverfahren Kleben, insbesondere Kleben mittels eines Heißklebers bzw. Schmelzklebers ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (IC) zuvor auf einem Substrat (5) angeordnet wurde und das Substrat (5) mittels Ultraschall mit dem Kartenkörper (2) verbunden wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ultraschallverbindung ein mittels Druck und Ultraschall verbindbarer Kleber (8) zwischen Substrat (5) und Kartenkörper (2) eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) und Täler (25) so dimensioniert sind, daß die Täler (25) noch nicht vollständig mit Material angefüllt sind, wenn die am oder im Kartenkörper zu fixierenden Bauteile die Soll-Position erreicht haben, insbesondere wenn die Frontseite (13) des Substrates (5) fluchtend und in einer Ebene mit der Vorderseite (14) des Kartenkörpers (2) liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche des Kartenkörpers (2) mit den Erhebungen (18) und Tälern (25) versehen ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) mittels Fräsen erzeugt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) mittels Prägen erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) punktförmige Erhebungen mit Abständen von weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,5 mm sind.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) über die Täler zwischen den Erhebungen um maximal 0,3 mm, insbesondere maximal 0,2 mm aufragen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) linienförmige Erhebungen (18') sind und insbesondere von der zentralen Aussparung (3) für den integrierten Schaltkreis radial nach außen verlaufen, bei zentral in der Aussparung (3) angeordneter Aussparung (3') allseitig von dieser radial nach außen verlaufen.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bezüglich der Aussparung (3) für den integrierten Schaltkreis (IC) am weitesten außen liegende Erhebung eine insbesondere durchgängig umlaufende linienförmige Erhebung (18") als äußere Begrenzung der mit Erhebungen ausgestatteten Fläche ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) sich zu ihren freien Enden hin verjüngen, insbesondere spitz zulaufen.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) sich zu ihren freien Enden hin konisch verbreitern, insbesondere einen kegelstumpfförmigen Querschnitt besitzen.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) und Täler (25) in der Kontaktfläche desjenigen der miteinander zu verbindenden Bauteile angeordnet werden, dessen Material - falls kein separater Kleber (8) verwendet wird - diese niedrigere Schmelztemperatur aufweist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) der Kontaktfläche über die Oberfläche außerhalb der Kontaktfläche desselben Bauteiles hervorstehen.
18. Karte mit einem Kartenkörper (2) und einem daran bzw. darin mittels eines kraftschlüssigen, auf Haftkraft basierenden Verbindungsverfahrens integriertem Schaltkreis (IC), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Kontaktflächen zwischen Kartenkörper (2) und integriertem Schaltkreis (IC) Erhebungen (18) aufweist, deren dazwischen befindliche Täler (25) wenigstens teilweise mit Kleber angefüllt sind.
19. Karte nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber beim Kontaktieren verdrängtes Material des die Erhebungen (18) aufweisenden Elementes, insbesondere des Kartengrundkörpers (2), ist.
20. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (IC) mit einem Substrat (5) verbunden ist und das Substrat (5) im Kartenkörper (2) eingebaut ist.
21. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) punktförmige Erhebungen mit Abständen von weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,5 mm sind.
22. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) über die Täler zwischen den Erhebungen um maximal 0,3 mm, insbesondere maximal 0,2 mm aufragen.
23. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) linienförmige Erhebungen (18') sind und insbesondere von der zentralen Aussparung (3) für den integrierten Schaltkreis radial nach außen verlaufen, bei zentral in der Aussparung (3) angeordneter Aussparung (3') allseitig von dieser radial nach außen verlaufen.
24. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bezüglich der Aussparung (3) für den integrierten Schaltkreis (IC) am weitesten außen liegende Erhebung eine insbesondere durchgängig umlaufende linienförmige Erhebung (18") als äußere Begrenzung der mit Erhebungen ausgestatteten Fläche ist.
25. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) sich zu ihren freien Enden hin verjüngen, insbesondere spitz zulaufen.
26. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) sich zu ihren freien Enden hin konisch verbreitern, insbesondere einen kegelstumpfförmigen Querschnitt besitzen.
27. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) der Kontaktfläche über die Oberfläche außerhalb der Kontaktfläche desselben Bauteiles hervorstehen.
28. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide in Kontakt zueinander befindliche Kontaktflächen Erhebungen (18, 118) aufweisen, die in Richtung quer zur Hauptebene der Karte formschlüssig ineinan- der verrastet sind.
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