DE10006515C2

DE10006515C2 - Verfahren zum Einbau von Chips in Kartenkörper

Info

Publication number: DE10006515C2
Application number: DE2000106515
Authority: DE
Inventors: Ruediger Kreuter
Original assignee: Datacard Corp
Current assignee: Entrust Corp
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: AU4241201A; DE10006515C5; WO2001061643A1; DE10006515A1

Description

I. Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft mit einem Chip bzw. integriertem 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.

II. 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 Kartenkörper 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 IC-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 Trägermaterial, 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 Kaltkleber 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 aufneh mende 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 Kleberüberschuß 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.

Die US 4,737,620 offenbart ein Verfahren zur Befestigung eines Chipmoduls an einem Kartenkörper, wobei der Kartenkörper über eine Ausnehmung verfügt. In der Ausnehmung zur Aufnahme des Chipmoduls sind Höcker (130) vorgesehen. Die Höcker werden entsprechend Punkt c) des Patentanspruchs 1 auf ihre Erweichungstemperatur erwärmt und durch Aufpressen des Chipmoduls in ihrer Form soweit verändert, bis die Oberfläche des Chipmoduls mit der Oberfläche des Kartenträgers bündig abschließt. Anschließend wird ein isolierender Klebstoff in die Zwischenräume zwischen Höckern und dem Chipmodul zur Befestigung desselben am Kartenkörper eingebracht.

III. Darstellung 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 15 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 fließfähigem Material über die Vorderseite des Kartenkörpers hinaus vermieden wird. Das fließfähige Material, das Kunststoff material der miteinander zu verbindenden Bauteile selbst, welches durch Ultraschall aktivierbar ist, fließt 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 elektri schen 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 verwendete 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. Schmelz klebern 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 zwischen 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 Zustandes 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 Ultraschallschweißung besteht darin, daß die Verklebung 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 Verbin dungsstege zwischen beiden aufweist, mit dem Kartenkörper verbunden werden, oder 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 erreichen, 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 Oberfläche des Kartenkörpers hinein gebracht wird bis zur Bündigkeit der jeweiligen Außenflächen von Substrat und Kartengrundkörper.

Dabei kann insbesondere eine oder mehrere zusätzliche Vertiefungen als Volumenpuffer für bei der Verdrängung anfallendes überschüssiges Kartenkörper- Material benutzt werden, z. B. ein Ringkanal knapp innerhalb des äußeren Randes des Substrates.

Das seitliche Austreten von 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 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 Überschußmaterial in diesem Bereich verhindert. Dabei kann die Handhabung auch durch spezifische Gestaltung der Sonotrode in Abstimmung auf die der Sonotrode zugewandte Oberseite des Substrates erleichtert 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 Kunststoffmateriales 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, insbe sondere lotrecht hierzu, gewählt werden, oder in der Kartenhauptebene, insbesondere in den beiden Raumrichtungen abwechselnd.

Der Vorteil einer lotrechten Schwingungsrichtung liegt darin, daß hierbei sehr geringe bzw. überhaupt keine Relativbewegungen der miteinander zu verbinden den 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 der beteiligten Bauteile 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 Beauf schlagung mit einer Schwingungsrichtung lotrecht zur Kartenebene vorzunehmen und anschließend Ultraschallschwingung mit Schwingungsrichtung in der Karten ebene, 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 redu ziertem Druck oder ganz ohne Druck vollzogen 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 einge brachte 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 hoch steigen 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 Vielzahl 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 Gitter folien 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 ebenen 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 erweicht als das Material des Substrates, welches die elektrischen Bauteile trägt, so ist bei noch relativ stabilem Substrat bereits eine gute Fließfähigkeit des Grundkörpermaterials 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. Die Fig. 1 bis 3 zeigen den Stand der Technik. Es zeigen:

Fig. 1 die Vorgehensweise bei einer Monoblockkarte,

Fig. 2 die Vorgehensweise bei einer Mehrschichtkarte,

Fig. 3 eine Aufsicht auf das Trägerelement 4 beim Einsetzen in den Kartenkörper 2,

Fig. 4 eine Aufsicht auf den Kartenkörper 2 von dessen Vorderseite 14 her,

Fig. 5 eine vergrößerte Schnittdarstellung in gleicher Blickrichtung wie die Fig. 1 und 2,

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich Fig. 5,

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 inte grierter 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 diesen 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 Ge stalt mit nach unten vorstehendem IC bzw. Umhüllung 19 auf.

Zur Aufnahme im Kartenkörper 2 ist daher in dessen dem Trägerelement 4 zuge wandten 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 Boden dieser Aussparung 3 ist eine weitere Vertiefung in Form einer Aussparung 3' 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, vor zugsweise 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. 1b 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 abstützenden Amboß 9 einerseits mit Druck und andererseits mittels Ultraschallschwingungen beaufschlagt, mit welcher 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 hineingedrückt 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 raum 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 zum Boden stehenden Flanken aus geführt, 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 nutförmige unerwünschte Vertiefung.

Wie Fig. 1b zeigt, ist die Sonotrode 11 bzw. 11' auf die Frontseite 13 bzw. Vorderseite 17 des Substrates 5 bzw. des Kartenkörpers 2 aufgesetzt, während die Hinterseite 15 des Kartenkörpers 2 vom Amboß 9 abgestützt wird.

In der rechten Bildhälfte der Fig. 1b 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 der 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 dargestellt, oder sie weisen zwar eine größere Tiefe, jedoch passende Außen kontur bezüglich der Kontaktfläche 6 auf, wie bei der Vertiefung 22' in der rechten Bildhälfte der Fig. 1b 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 Kartenebene 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 Kartenkörper 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 Außen umfang des Substrates 5 und äußerem Rand der Aussparung 3 bestehende Aufwölbung 21 nach außen oder die nutförmige Vertiefung 21' durch die darüber angebrachte obere Deckschicht 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" 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 weggelas sen 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 Ultraschall schwingungen 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 die Vorderseite 14 des Trägerelements 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. 1b 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 über greifende Aussparung gestaltet.

Die Sonotrode 11 drückt somit nur mit ihren verbleibenden randseitigen Erhe bungen 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 Träger elementes 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 Schwingungs richtung, also Amplitudenrichtung, in der Ebene des Kartenkörpers gewählt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen in Blickrichtung der Fig. 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 Fig. 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 Täfer 25 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 25 zunehmend - und je nach Dimensionierung der Höhe der Vertiefung 3 fast vollständig - mit verdrängtem fließfähigem Material 118 aus den Erhebungen 18 gefüllt.

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.

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.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Karte

2

Kartenkörper

2

a obere Deckschicht

2

b untere Deckschicht

2

c Mittelschicht

3

Aussparung

3

' Aussparung

4

Trägerelement

5

Substrat

6

Kontaktfläche

7

Substratfreifläche

8

Kleber

9

Amboß

10

Kartenebene

11

Sonotrode

12

Rückseite

13

Frontseite

14

Vorderseite

15

Hinterseite

16

Vorsprünge

17

Frontfläche

18

Erhebungen

18

',

18

" linienförmige Erhebungen

19

IC-Umhüllung

21

Aufwölbung

22

Vertiefungen

23

Außenkante

24

Flanke

25

Täler

26

Vertiefung

118

Material
IC integrierter Schaltkreis

Claims

1. Verfahren zum Einbau eines integrierten Schaltkreises (IC) an bzw. in einem Grundkörper, insbesondere einem Kartenkörper (2), mittels eines kraftschlüssigen auf Haftkraft basierenden Verbindungsverfahrens durch Wärme oder Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß
eine der Kontaktflächen mit Erhebungen (18) versehen wird, so daß in Täler (25) zwischen diesen Erhebungen (18) Material hinein verdrängt werden kann, und
das Kunststoffmaterial der miteinander zu verbindenden Bauteile selbst direkt, das heißt ohne zusätzlichen Kleber, verklebt oder verschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, 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.

3. 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.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche des Kartenkörpers (2) mit den Erhebungen (18) und Tälern (25) versehen ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) mittels Fräsen erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) mittels Prägen erzeugt werden.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bezüglich der Aussparung (3) für den integrierten Schaltkreis (IC) am weite sten außen liegende Erhebung eine insbesondere durchgängig umlaufende linienförmige Erhebung (18') als äußere Begrenzung der mit Erhebungen ausge statteten Fläche ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) sich zu ihren freien Enden hin verjüngen, insbesondere spitz zulaufen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) sich zu ihren freien Enden hin konisch verbreitern, insbesondere einen kegelstumpfförmigen Querschnitt besitzen.

13. 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 die niedrigere Schmelztemperatur aufweist.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) der Kontaktfläche über die Oberfläche außerhalb der Kontaktfläche desselben Bauteiles hervorstehen.

15. Karte mit einem Kartenkörper (2) und einem daran bzw. darin mittels eines kraftschlüssigen, auf Haftkraft basierenden Verbindungsverfahrens durch Wärme oder Ultraschall 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 einem Material angefüllt sind, welches das durch das Verbindungsverfahren verdrängte Kunststoffmaterial der zu verbindenden Bauteile selbst ist.

16. Karte nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (IC) mit einem Substrat (5) verbunden ist und das Substrat (5) im Kartenkörper (2) eingebaut ist.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bezüglich der Aussparung (3) für den integrierten Schaltkreis (IC) am weite sten außen liegende Erhebung eine insbesondere durchgängig umlaufende linienförmige Erhebung (18') als äußere Begrenzung der mit Erhebungen ausge statteten Fläche ist.

21. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) sich zu ihren freien Enden hin verjüngen, insbesondere spitz zulaufen.

22. Karte nach einem der Vorrichtungsansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) sich zu ihren freien Enden hin konisch verbreitern, insbesondere einen kegelstumpfförmigen Querschnitt besitzen.

23. Karte nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (18) der Kontaktfläche über die Oberfläche außerhalb der Kontaktfläche desselben Bauteiles hervorstehen.

24. 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 ineinander verrastet sind.