DE19720226C5

DE19720226C5 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Chipkarten

Info

Publication number: DE19720226C5
Application number: DE1997120226
Authority: DE
Inventors: Tomas Meinen; Bernd Göbel
Original assignee: Kuennecke Verwaltungs & C GmbH; Kuennecke Verwaltungs & Co Holding KG GmbH
Current assignee: KUENNECKE VERWALTUNGS GMBH & CO. HOLDING KG, 37603
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: WO1998052154A1; DE19720226C1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Chipkarten, bei denen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Kontaktabschnitt (12, 13) eines ersten, in einem Kartenkörper (10) eingebetteten Bauteils (11), insbesondere einer Antenneneinrichtung (14) und einem Kontakt eines zweiten, in oder auf einem Kartenkörper (10) ein- oder aufzusetzenden Bauteils geschaffen wird, wobei in eine Oberfläche des Kartenkörpers mittels eines Einsenkwerkzeugs (28, 29) eine Ausnehmung (15) bis zu einer Tiefe eingesenkt wird, in der sich der Kontaktabschnitt (12, 13) befindet, wobei während des Einsenkens eine mindestens zweistufige Messung eines Abstands zwischen dem Kontaktabschnitt (12, 13) und dem Einsenkwerkzeug durchgeführt und der Einsenkvorgang dann abgebrochen wird, wenn die Messung im Wesentlichen eine Berührung des Kontaktabschnitts durch das Einsenkwerkzeug ergibt, und die Impedanz zwischen einer Messelektrode (22) und einer Gegenelektrode (30) gemessen wird, zu welcher das eingebettete Bauteil über das Einsenkwerkzeug elektrisch parallel schaltbar ist, wobei der Kartenkörper (10) mit dem eingebetteten Bauteil (11) zwischen der Messelektrode und...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrich tung zur Herstellung von Chipkarten.
Bei kontaktlosen Chipkarten sind passive Übertragungs elemente, insbesondere Spulen oder elektrisch leitende Schichten für eine kapazitive Daten- und Energieübertragung im Inneren des Kartenkörpers eingegossen oder einlaminiert.
Um diese Bauteile nun an einen Chip anschließen zu können, wird in der EP 0 671 705 A2 vorgeschlagen, schon bei der Fertigung eine Öffnung dort zu lassen, wo sich die Kontakte befinden. Dadurch wird die Fertigung der Kartenkörper wesentlich erschwert. Darüber hinaus ist die weitere Handhabung (Verpackung, Versand usw.) derartig vorgefertigter Kartenkörper zu Kunden sehr schwierig und kann die Kartenkörper unbrauchbar machen, wenn die Kunden individuelle Chips einsetzen wollen.
Aus der DE 195 00 925 A1 ist eine Chipkarte dieser Art bekannt, bei welcher ein getrenntes, also zusätzliches Übertragungsmodul eingesetzt wird, um die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem im Kartenkörper eingebetteten Bauteil und dem Chip herzustellen. Auch diese Anordnung bzw. dieses Verfahren sind aufwendig.
Aus der DE 42 41 482 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von IC-Karten bekannt. Dabei wird in eine aus Kunststoff bestehende Karte zunächst eine Mulde eingebracht, worin ein IC-Baustein nur außen liegenden Kontaktflächen vorgesehen ist. Zur Herstellung der Mulde wird zunächst ein Sackloch in die Karte vorzugsweise durch Fräsen eingebracht. Anschließend wird die Mulde mit Hilfe eines Prägestempels ausgeformt, wobei das vom Prägestempel verdrängte Material in das Sackloch ausweicht. Das Ausformen der Mulde erfolgt vorzugsweise durch Warmprägen.
Aus der US 5 563 444 ist ein transportierbarer Gegenstand bekannt, der in einem Kunststoffträger einen Hohlraum zur Aufnahme einer Mikroschaltung aufweist. Die Mikroschaltung enthält einen leitenden Chip mit voneinander elektrisch isolierten Zonen. Die Grundfläche des Hohlraums hat einen Umriß, der aus einer Reihe von Bögen gebildet ist, die im Verhältnis zum Chipdurchmesser einen relativ kleinen Radius haben. Die seitlichen Begrenzungen des Hohlraums sind um etwa 10° nach innen geneigt. Durch diese geometrische Anordnung kann eine Mikroschaltung mit verhältnismäßig wenig Klebstoff in dem Hohlraum befestigt werden.
Aus der WO 97/05571 A1 ist ein Datenträger mit einem Modul, das ein Bauteil aufweist, und eine Spule bekannt. Weiterhin ist darin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Datenträgers beschrieben. Die Spulenwindungen der Spule sind dabei so angeordnet, daß sie zumindest in ihrem zu dem Bauteil benachbarten Bereich in einem außerhalb des Bauteilniveaubereiches liegenden Windungsniveaubereich liegen. Zwei Anschlußkontakte des Bauteils sind so ausgebildet, daß sie sich zu zwei Spulenanschlußkontakten hin erstrecken, die in dem Windungsniveaubereich liegen. Eine unmittelbare Berührung der Spulenanschlußkontakte mit den Anschlußkontakten des Bauelements ist jedoch nicht vorgesehen. Die elektrische Verbindung zwischen den Spulenanschlußkontakten und den Anschlußkontakten des Bauelements erfolgt durch einen elektrisch leitenden Klebstoff.
Aus der DE 43 40 249 A1 ist eine Vorrichtung zum Tiefbohren von Leiterplatten bekannt, bei welcher unter der Oberfläche der Platte liegende Leiterplatten bis zu deren Rand durchgezogen sind. Hierbei legt man das Bohrwerkzeug entweder durch unmittelbare mechanische Kontaktierung oder aber induktiv/kapazitiv auf ein erstes Potential und die tiefergelegene Leiterschicht durch direkte Kontaktierung auf ein anderes Potential, so dass die Potentialunterschiede für eine Kontaktmessung verwendbar sind. Eine derartige Kontaktierung des eingebetteten Bauteils ist bei Chipkarten nicht möglich.
Die bekannten Vorschläge sind somit nicht geeignet, eine sichere Bauteil-Kontaktierung mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie auf einfache Weise eine sichere Bauteil-Kontaktierung erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch den Gegenstand des Anspruches 1 und vorrichtungsmäßig durch den Gegenstand des Anspruches 5 gelöst.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass man eine echte Regelung des Einsenkvorgangs dadurch durchführt, dass man das zu kontaktierende Bauteil selbst bzw. dessen Position mit in den Bearbeitungsvorgang bzw. in die Regelung einbezieht. Es wird also nicht mehr davon ausgegangen, dass die zu kontaktierende Schicht in einer ganz bestimmten Tiefe unter der Kartenoberfläche liegt – was durch Fertigungstoleranzen sehr unterschiedlich sein kann –, es wird vielmehr davon ausgegangen, dass man die Entfernung zwischen dem Einsenkwerkzeug und der zu kontaktierenden Schicht zumindest so messen kann, dass der direkte Kontakt zwischen dem Einsenkwerkzeug und dem Kontaktabschnitt feststellbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die elektrische Impedanz zwischen dem elektrischen Bauteil und mindestens einer mit dem Einsenkwerkzeug verbundenen Messelektrode gemessen. Hierfür eignet sich insbesondere eine Kapazitätsmessung (oder auch eine Verlustfaktor-Messung), da zu Beginn des Einsenkvorganges das im Kartenkörper eingebettete Bauteil zunächst „isoliert" ist. Dann, wenn das mit der Messelektrode elektrisch verbundene Einsenkwerkzeug in elektrisch leitende Verbindung zum Kontaktabschnitt kommt, wird diese Impedanz kurzgeschlossen, erfährt also eine extrem starke Änderung.
Diese Kapazitäts- oder Verlustfaktor-Messung kann durch die Feststellung einer Resonanzfrequenz (und/oder einer Dämpfung) eines Schwingkreises erfolgen, in welchen die Messelektrode und das eingebettete Bauteil sowie das dazwischen liegende Kartenmaterial mit einbezogen sind. In diesem Fall regt man den Schwingkreis durch kurze Impulse (Blips) an und beobachtet den Abklingvorgang der Schwingung hinsichtlich der Nulldurchgänge, um die Resonanzfrequenz bzw. die Dämpfung des Schwingkreises festzustellen. Dann, wenn das Einsenkwerkzeug die Impedanz kurzschließt, erfährt dieser Ausschwingvorgang eine extrem starke Änderung.
Um eine möglichst hohe Arbeitsgeschwindigkeit zu erzielen und dennoch nicht aufgrund von Vorschub-Totzeiten die oftmals sehr dünnen (15 μm dicken) Kontaktschichten zu zerstören bzw. zu durchbrechen, ist es von Vorteil, wenn man einen wesentlichen Teil der einzuarbeitenden Ausnehmung im Steuerungsbetrieb durchführt, bei welchem das Einsenkwerkzeug aufgrund gespeicherter Steuerdaten geführt wird. Diese sind dann so den zu erwartenden Toleranzen angepasst, dass die Kontakte sicher noch nicht vom Einsenkwerkzeug berührt werden, so lange im Steuerbetrieb gearbeitet wird. In diesem Betriebsmodus wird das Einsenkwerkzeug mit einer erhöhten Vorschubgeschwindigkeit betrieben. Sobald die voreingestellte Tiefengrenze erreicht ist, wird auf eine niedrigere Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet, um den Vorschub dann anhalten zu können, wenn das Einsenkwerkzeug einen (elektrischen) Kontakt mit dem Kontaktabschnitt des im Kartenkörper eingebetteten Bauteils hergestellt hat.
Vorzugweise wird die Impedanz zwischen dem eingebetteten Bauteil und einer Halteeinrichtung gemessen, auf welcher der Kartenkörper mit seiner, der Oberfläche gegenüber liegenden Unterfläche aufliegt. Dann, wenn das Einsenkwerkzeug einen elektrischen Kontakt zum Kontaktabschnitt des eingebetteten Bauteils herstellt und dieses mit der Messelektrode elektrisch verbindet, steigt die Kapazität zwischen der Halteeinrichtung und der Messelektrode.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausfüh rungsbeispielen erläutert, die unter Bezug auf die beigefügten Abbildung beschrieben werden. Hierbei zeigen
1: eine Draufsicht auf eine in ihrer Mittelebene geschnittene Karte,
2: einen Schnitt durch eine vollständige Karte in einer Position, wie sie mit der Linie II-II in 1 angedeutet ist,
3: einen Längsschnitt entsprechend dem nach 2 durch einen Kartenkörper sowie eine Bearbeitungsvorrichtung, in welche der Kartenkörper eingesetzt ist,
4: ein elektrisches Ersatzschaltbild der Meßanordnung unter Einbeziehung der Vorrichtung nach 3,
5: eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht ähnlich der nach 3 jedoch mit einer angepaßten Meßelektrode,
6: ein elektrisches Ersatzschaltbild zur Ausführungsform der Erfindung nach 5,
7: eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer Darstellung ähnlich der nach den 3 und 5, und
8: ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung nach 7.
In der nachfolgenden Darstellung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
In den 1 und 2 ist sehr schematisiert ein Kartenkörper 10 gezeigt, in welchem ein Bauteil 11, hier eine Spule bestehend aus einer Leiterbahn 14 und einem ersten und einem zweiten Kontaktabschnitt 12 und 13 eingebettet ist. Bei einem so hergestellten Kartenkörper müssen nun die Kontaktabschnitte 12 und 13 freigelegt werden und zwar derart, daß die Metallschicht (meist Kupfer), die sehr dünn ist, nicht durchbrochen wird.
Hierzu wird der Kartenkörper 10, wie schematisiert in den 3, 5 und 7 gezeigt, auf eine Halteeinrichtung 20 aufgelegt, die den Kartenkörper 10 mit seiner Oberseite, in welche Ausnehmungen 15 eingebracht werden sollen, gegen eine Andruckplatte 30 drückt und in dieser Position hält. Dadurch ist der Kartenkörper während der Bearbeitung vollständig fixiert.
Die Andruckplatte 30 weist in diesem Beispiel eine erste und eine zweite Bohrung 31 und 32 auf, die so in der Andruckplatte 30 angebracht sind, daß sie über den Kontaktabschnitten 12 und 13 angeordnet sind. Sie sind so dimensioniert, daß der Fräskopf 28 eines Fräswerkzeugs 29 durch die Bohrungen 31, 32 hindurchgeführt und in das Material des Kartenkörpers 10 hineingefahren werden kann.
Die Halteeinrichtung 20 umfaßt nun einen Stempel 21, der auf und ab bewegbar ist, um einen Kartenkörper 10 einzuspannen und freizugeben. Im Stempel 21 ist eine Elektrode 22 über einen Isolator 23 isoliert gehalten, auf welcher der Kartenkörper 10 aufliegt. Die Elektrode 22 ist mit einem Anschlußkontakt A verbunden. Die Andruckplatte 30 wiederum ist mit Masse verbunden, wie auch das Fräswerkzeug 29 mitsamt dem Fräzkopf 28.
Nachfolgend wird anhand von 4 eine mögliche Meßeinrichtung erläutert, mittels welcher feststellbar ist, wenn der Fräskopf 28 einen elektrischen Kontakt zum Bauteil 11 bzw. zu dessen ersten Kontaktabschnitt 13 herstellt.
Die in 4 gezeigte Meßanorndung ist (natürlich auf den ersten Blick) als Wheatstone-Brücke zu erkennen, deren eines Paar von Zweigen von ohmschen Widerständen R1, R2 gebildet wird und von deren anderen Zweigen der eine (untere) Zweig von einem Meßkondensator C1 gebildet ist. Der andere Kondensator ist einerseits durch die Fläche der Elektrode 22 gebildet, andererseits durch die gegenüberliegende Fläche der Andruckplatte 30.
Das Bauteil 11 bzw. seine Kontaktabschnitte 12, 13 sowie seine Leiterbahn 14 bilden eine weitere Kondensatorfläche, die der Elektrode 22 gegenüberliegt. Zunächst, also wenn das Fräswerkzeug 29 bzw. der Fräskopf 28 den Kontaktabschnitt 13 noch nicht berührt, während die Ausnehmung 15 geschaffen wird, hängt das elektrische Bauteil (die Kontaktabschnitte 12, 13 und die Leiterbahn 14) sozusagen in der Luft. Der in 4 gezeigte Schalter ist offen. Dann, wenn der Fräskopf 28 einen elektrischen Kontakt zum Kontaktabschnitt 13 herstellt, wird das Bauteil 11 auf Masse gelegt, so daß die Flächenabschnitte gebildet aus den Kontaktabschnitten 12 und 13 sowie der Leiterbahn 14 – elektrisch parallel geschaltet werden zur Andruckplatte 30. Dadurch steigt die Kapazität in der Wheatstone-Brücke W, so daß bei einer geeigneten vorherigen Abstimmung der Brücke eine von einem Meßgenerator G abgegebene Wechselspannung nun nicht mehr kompensiert sondern über einen Meßgleichrichter auf einen Differenzverstärker A gegeben und von diesem als verstärktes Signal einer Steuereinrichtung S zugeführt werden kann, welche einen (nicht gezeigten) Vorschubmechanismus für das Fräswerkzeug 29 anhält und den Einsenkvorgang beendet.
Die in den 5 und 6 gezeigte Variante der Erfindung unterscheidet sich von der nach den 3 und 4 lediglich dadurch, daß die Elektrode 22 nicht wie in 3 gezeigt ganzflächig sondern der Form des Bauteils 11 bzw. dessen Leiterbahn 14 angepaßt ist. Dadurch wird die Kapazität zwischen der Andruckplatte 30 und der Elektrode 22 verringert, nicht aber zwischen der Elektrode 22 und dem Bauteil 11 bzw. der Leiterbahn 14. Dies wiederum führt dazu, daß die Kapazitätsänderung bei Kontakt zwischen dem Fräskopf 28 und dem zweiten Kontaktabschnitt 13 größer ist gegenüber der Kapazitätsänderung bei der Ausführungsform der Erfindung nach 3.
Die in den 7 und 8 gezeigte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der nach den 5 und 6 dadurch, daß kein fester Meßkondensator C1 vorgesehen ist. Vielmehr wird der zweite Abschnitt des kapazitiven Brückenzweiges durch einen Kondensator gebildet, dessen eine Fläche von der Andruckplatte 30 und dessen andere Fläche durch eine Elektrode 22' gebildet ist, die ebenso wie die Elektrode 22 über einen Isolator 23' im Stempel 21 gehalten ist. Diese Elektrode 22' ist nun an einer Stelle des Stempels 21 (zum Beispiel in seinem Zentrum) angeordnet, an welcher nicht die Leiterbahn 14 sondern ausschließlich die Andruckplatte 30 angeordnet ist. Dadurch gelingt es, die Gesamtanordnung (bei einer entsprechenden Abstimmung der Meßwiderstände R1 und R2) entsprechend der jeweiligen Kartendicke sozusagen selbstkalibrierend aufzubauen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Meßeinrichtungen bzw. Meßverfahren zu verwenden bzw. die hier erläuterten Möglichkeiten miteinander zu kombinieren. Wichtig ist, daß der elektrische Kontakt zwischen dem Fräskopf 28 und dem Bauteil 11 (bzw. einem Kontaktabschnitt 12, 13) dazu verwendet wird, den Einsenkvorgang zu beenden.
Insbesondere sei darauf hingewiesen, daß die Elektroden 22 natürlich nicht nur im Stempel 21, sonder ohne weiteres auch in der Andruckplatte 30 vorgesehen sein können.

10: Kartenkörper
11: Bauteil
12: erster Kontaktabschnitt
13: zweiter Kontaktabschnitt
14: Leiterbahn
15: Ausnehmung
20: Halteeinrichtung
21: Stempel
22: Elektrode
23: Isolator
28: Fräskopf
29: Fräswerkzeug
30: Andruckplatte
31: erste Bohrung
32: zweite Bohrung

Claims

Verfahren zur Herstellung von Chipkarten, bei denen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Kontaktabschnitt (12, 13) eines ersten, in einem Kartenkörper (10) eingebetteten Bauteils (11), insbesondere einer Antenneneinrichtung (14) und einem Kontakt eines zweiten, in oder auf einem Kartenkörper (10) ein- oder aufzusetzenden Bauteils geschaffen wird, wobei in eine Oberfläche des Kartenkörpers mittels eines Einsenkwerkzeugs (28, 29) eine Ausnehmung (15) bis zu einer Tiefe eingesenkt wird, in der sich der Kontaktabschnitt (12, 13) befindet, wobei während des Einsenkens eine mindestens zweistufige Messung eines Abstands zwischen dem Kontaktabschnitt (12, 13) und dem Einsenkwerkzeug durchgeführt und der Einsenkvorgang dann abgebrochen wird, wenn die Messung im Wesentlichen eine Berührung des Kontaktabschnitts durch das Einsenkwerkzeug ergibt, und die Impedanz zwischen einer Messelektrode (22) und einer Gegenelektrode (30) gemessen wird, zu welcher das eingebettete Bauteil über das Einsenkwerkzeug elektrisch parallel schaltbar ist, wobei der Kartenkörper (10) mit dem eingebetteten Bauteil (11) zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung durch die Feststellung einer Resonanzfrequenz und/oder Dämpfung eines Schwingkreises erfolgt, in welchen die Meßelektrode und das Bauteil einbezogen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsenkwerkzeug entsprechend voreingestellten Steuerwerten nahe der Oberfläche mit höherer Geschwindigkeit abgesenkt wird als in tieferen Bereichen des Kartenkörpers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz zwischen dem eingebetteten Bauteil und einer Halteeinrichtung gemessen wird, auf welcher der Kartenkörper mit seiner, der Oberfläche gegenüberliegenden Unterfläche aufliegt.
Vorrichtung zur Herstellung von Chipkarten, bei denen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Kontaktabschnitt (12, 13) eines ersten, in einem Kartenkörper (10) eingebetteten Bauteils (11), insbesondere einer Antenneneinrichtung (14) und einem Kontakt eines zweiten, in oder auf den Kartenkörper ein- oder aufzusetzenden Bauteil geschaffen wird, umfassend ein Einsenkwerkzeug (28, 29), insbesondere einen Fräser zum Einsenken einer Ausnehmung (15) in eine Oberfläche des Kartenkörpers (10) bis zu einer Tiefe, in der sich der Kontaktabschnitt (12, 13) befindet, und eine Meßvorrichtung, die während des Einsenkens den Abstand zwischen dem Einsenkwerkzeug (28, 29) und dem Kontaktabschnitt (12, 13) in mindestens zwei Stufen mißt und den Einsenkvorgang dann abbricht, wenn die Messung eine Berührung des Kontaktabschnitts (12, 13) durch das Einsenkwerkzeug (28, 29) ergibt, wobei die Meßvorrichtung zur Durchführung einer Impedanzmessung ausgebildet ist und mit einer Haltevorrichtung (20) zum Fixieren des Kartenkörpers (10) vorzugsweise mit seiner, der Oberfläche gegenüberliegenden Unterfläche, die mindestens eine, das eingebettete Bauteil (12–14) überdeckende Meßelektrode (22) aufweist, die elektrisch isoliert derart angeordnet ist, daß die Impedanz/Kapazität zwischen der Meßelektrode (22) und dem eingebetteten Bauteil (12–14) meßbar ist.