DE19749650C2 - Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung eines in einer Kavität eines Kartenkörpers einer Chipkarte eingesetzten, elektronische Komponenten aufweisenden Moduls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung eines in einer Kavität eines Kartenkörpers einer Chipkarte eingesetzten elektronischen Moduls mit einer Antennenschicht oder Antennenspule.

Chipkarten für die kontaktbehaftete, aber auch kontaktlose, d. h. induktive Datenübertragung weisen einen mit dem Karten­ körper verbundenen Chipkarten-Modul auf, der einen auf einem Kunststoffträger befindlichen Halbleiterchip umfaßt, welcher bei kontaktbehafteten Karten mit einem galvanisch erzeugten Kontaktfeld verbunden ist. In einem Kartenlesegerät werden diese Kontaktflächen elektrisch abgetastet, so daß die ge­ wünschte Kommunikation möglich wird.

Bei kontaktlos, induktiv arbeitenden Systemen erfolgt die Da­ tenübermittlung durch elektromagnetische Wechselfelder, mit­ tels wenigstens einer in der Chipkarte bzw. im Kartenkörper angeordneten Induktionsspule bzw. Antennenspule.

Bei sogenannten Kombikarten sind beide oben erwähnten Systeme in einer Karte vereint. Die Kombikarte verfügt demnach sowohl über ein Kontaktfeld für die kontaktbehaftete Übertragung als auch über einen induktiv koppelbaren Kontakt. Hierfür ist es erforderlich, neben den elektrisch leitenden Verbindungen vom Halbleiterchip zum System für die kontaktbehaftete Übertragung auch Verbindungen zum System für die induktive Datenübermitt­ lung herzustellen.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung einer Chipkarte, insbesondere solcher, bei der sowohl Mittel zur kontaktlosen Datenübertragung als auch die erwähnte galvanische Kontakt­ ebene vorhanden sind, wird in einen Kartenkörper ein Modul eingebracht, welcher einen IC-Chip umfaßt.

Der Modul wird in eine Kavität, die z. B. durch Fräsen erzeugt wurde, in den Kartenkörper eingelegt und mittels Fügen oder dergleichen mit dem Kartenkörper unter Erhalt einer entsprechenden mechanischen Verbindung laminiert.

Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Modul und Karten­ körper bzw. auf dem Kartenkörper befindlichen Kontakten, die mit der Induktionsspule in Verbindung stehen, kommt beispiels­ weise dadurch zustande, daß ein anisotroper leitender Kleb­ stoff im Bereich der Anschlußstellen und/oder der Verbindungs­ stellen des jeweiligen Mittels für eine kontaktlose Datenüber­ tragung aufgetragen und der Klebstoff zumindest im Bereich der Anschlußstelle soweit verdichtet oder komprimiert wird, daß eine elektrisch leitende Brücke entsteht.

Im Falle eines Klebstoffes mit leitenden Partikeln führt dies also dazu, daß die Partikel im Bereich zwischen den Anschluß­ stellen und dem Mittel für die kontaktlose Datenübertragung sich berühren, woraus die gewünschte leitende Verbindung re­ sultiert.

Es sind Chipkarten bekannt, bei welchen im Kartenkörper eine aus Draht gewickelte Spule vorgesehen ist, deren Enden mit An­ tennenkontakten des Chips bzw. seines Trägers oder Moduls ver­ bunden sind. Die Gesamtanordnung wird im Kartenkörper einge­ gossen, wobei die Herstellung im einzelnen technologisch sehr aufwendige Schritte umfaßt.

Darüber hinaus wurden bereits Chipkarten vorgestellt, bei wel­ chen die Antenne aus einer Antennenschicht herausgeätzt wurde, wobei die Antenne Chipkontakte aufweist, welche über einen leitenden Kleber mit den Antennenkontakten des Chips bzw. sei­ nes Trägers oder Moduls verbunden sind.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß das erforderliche Druck-, Temperatur- und Zeitregime zur Herstellung zuverlässi­ ger sowohl elektrischer als auch mechanischer Verbindungen en­ gen Toleranzen unterliegt, so daß bei nicht optimalen Verfah­ rensparametern die Langzeitstabilität derart hergestellter Kombikarten reduziert ist, und daß es aufgrund der Abmessungen und der plastischen Eigenschaften des Moduls sowie des Karten­ trägers zu Verwindungen und Verspannungen in der Karte mit der Folge von Kontaktstörungen und damit geringerer Zuverlässig­ keit kommen kann.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß die zu überbrückenden Abstände zwischen den Kontakten für die Antenne und den Gegen­ kontakten für die elektronischen Komponenten des Moduls eine Größe besitzen, die nicht ohne weiteres durch Leitkleber oder Lot überbrückbar ist. Auch hat es sich herausgestellt, daß aufgrund nicht gegebener Verträglichkeit leitfähiger Kleb­ stoffe einerseits und Laminatklebstoffen andererseits die Sta­ bilität der Verbindungen nicht die gewünschten langzeitstabi­ len Eigenschaften besitzen.

Aus der DE 195 00 925 A1 ist eine Chipkarte zur kontaktlosen Datenübertragung vorbekannt, welche ein separat in den Karten­ körper eingebautes Übertragungsmodul aufweist. Weiterhin ist eine Antenne in Form einer Spule zur induktiven Daten- und En­ ergieübertragung und/oder in Form elektrisch leitender Schich­ ten zur kapazitiven Übertragung vorhanden. Zur elektrischen Kopplung an das Chipmodul weist das Übertragungsmodul An­ schlußflächen auf. Zwischen den Kontakten im Kartenkörper und den Antennenkontakten ist ein diese leitend verbindendes, ela­ stische Eigenschaften aufweisendes Kontaktelement oder ein elektrisch leitfähiger Stützfuß, in Form eines Bolzens, ange­ ordnet. Die vorbekannte Verbindungsanordnung weist jedoch Nachteile bei mechanischen Belastungen der Chipkarte auf, so daß deren Zuverlässigkeit im täglichen Einsatz eingeschränkt ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Her­ stellen einer elektrischen Verbindung eines in einer Kavität des Kartenkörpers in einer Chipkarte eingesetzten, elektroni­ sche Komponenten aufweisenden Moduls mit einer Antennenschicht oder Antennenspule anzugeben, wobei die elektrische Kontaktsi­ cherheit zwischen Modul und der Antennenschicht oder der An­ tennenspule auch unter allen praktischen Umständen und Gege­ benheiten, auch bezüglich der Verwindungsbelastungen, gewähr­ leistet ist, so daß sich eine hohe Langzeitstabilität und aus­ reichende Zuverlässigkeit, z. B. in einer sogenannten IC-Karte für die kontaktbehaftete und kontaktlose Datenübertragung bzw. dem Datenaustausch zu einem Terminal ergibt.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verbindungsverfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, wobei der Unteranspruch eine zweckmäßige Ausgestaltung umfaßt.

Die eingesetzte Chipkarte umfaßt einen Kartenkörper, eine aus diesem herausgearbeitete Kavität, einen Chip oder andere elektronische Komponenten mit Kontakten, insbesondere zum Anschluß einer Antenne und eine Antennenschicht mit Antenneneinrichtungen, insbesondere einer Spule im Kartenkörper, welche Chipkontakte zum Anschließen des Chips aufweist. Zwischen den einen größeren Abstand aufweisenden Chipkontakten und den Antennenkontakten wird diese leitend verbindend ein elastische Eigenschaften aufweisendes Kontaktelement oder ein leitfähiger metallischer Bolzen angeordnet.

Im Falle der Verwendung eines elastische Eigenschaften aufwei­ senden Kontaktelementes, insbesondere der Schraubendruckfeder, wird dieses beim Einsetzen des Chips bzw. eines Chipmoduls un­ ter Spannung gehalten, wobei die Federenden mit den sich im wesentlichen gegenüberstehenden Kontaktflächen in Wechselwir­ kung treten und dort eine form- und/oder stoffschlüssige Ver­ bindung eingehen. Dadurch daß die Kontaktflächen in der Regel aus Kupfer entsprechender Duktilität bestehen, kann bei ge­ eignetem Federmaterial von einer intermetallischen Verbindung im Bereich der unmittelbaren Berührungsflächen der Federenden mit der Kontaktfläche ausgegangen werden.

Das elastische Eigenschaften aufweisende Kontaktelement bzw. der leitfähige metallische Bolzen befindet sich in einer Aus­ nehmung im Kartenkörper, deren Bodenfläche durch die entspre­ chende Kontaktfläche, die hin zur Antenne führt und ein Be­ standteil dieser Antenne ist, gebildet wird.

Anstelle einer zylindrischen Schraubendruckfeder kann eine solche in Kegelstumpf- oder Tonnenform bevorzugt eingesetzt werden. Insbesondere der vorgesehene progressive Verlauf der Federkennlinie einer Kegelstumpffeder ist bei geeigneter Di­ mensionierung für die Langzeitkontaktstabilität nach dem Lami­ nieren oder Einkleben des Moduls von Vorteil.

In Abhängigkeit von den zu überbrückenden Abständen zwischen den sich gegenüberliegenden Kontaktflächen kann auch die Ver­ wendung einer Tellerfeder von Vorteil sein.

Beim Verbindungsverfahren wird in den Kartenkörper im Bereich der Kontakte für die Antennenschicht oder Antennenspule mindestens eine Ausnehmung je Kontakt eingebracht, wobei die Ausnehmung dem seitlichen Fixieren des elastische Eigenschaften aufweisenden Kontaktelementes, insbesondere der erwähnten Schraubendruckfeder dient. Die in die Ausnehmung eingebrachte Feder berührt einerseits die Kontaktfläche für die Antennenschicht oder -spule und andererseits die Gegenkontaktfläche des Moduls unter Erhalt der gewünschten elektrischen Eigenschaften. Die Dimensionierung des elasti­ schen Kontaktelementes wird so gewählt, daß im Zustand der fertigen Karte, d. h. bei verklebtem bzw. laminiertem Modul ausreichende Federkräfte zur Verfügung stehen, um auch bei Verwindungen oder sonstigen mechanischen Belastungen eine elektrische Kontaktierung zu gewährleisten.

In einer Variante des Verbindungsverfahrens wird in die minde­ stens eine Ausnehmung, die im Kartenkörper vorhanden ist, ein leitfähiger metallischer Bolzen derart eingebracht, daß die Enden des Bolzens die Kontaktflächen für die Antennenschicht- oder spule einerseits und die Gegenkontaktflächen des Moduls andererseits berühren und dort durch Leitkleber oder Löten mit diesem verbunden werden. Die Kontaktierung des leitfähigen me­ tallischen Bolzens mit der im Kartenkörper bzw. der Ausnehmung befindlichen Kontaktfläche wird zweckmäßigerweise vor dem Ein­ setzen des Moduls ausgeführt und hinsichtlich der Kontaktqua­ lität kontrolliert.

Die so vorkonfektionierte Karte nimmt dann den Chipmodul auf, wobei der Modul mit dem Chip face-down in die Kavität eingesetzt und dort mittels Kleben bzw. Laminieren mit dem Kartenkörper verbunden wird. Über eine aufgebrachte Leitklebermenge, die sich auf der Oberseite des metallischen Bolzens befindet, kann der am Modul befindliche Gegenkontakt elektrisch kontaktiert werden. Insbesondere dann, wenn diese Gegenkontaktierung durch Löten erfolgt, ist aufgrund der Vor­ konfektionierung die thermische Belastung bei diesem Löt­ schritt gering.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigt:

Fig. 1a einen Querschnitt durch eine Chipkarte mit Ausneh­ mung für das Kontaktelement und Kavität für den Mo­ dul;

Fig. 1b eine Darstellung nach Fig. 1a, jedoch mit bereits in der Ausnehmung befindlichem elastischem Kontaktele­ ment, nämlich einer Schraubendruckfeder, und

Fig. 1c einen Querschnitt durch eine Karte mit eingesetztem Modul und hergestellter elektrischer Verbindung über das elastische Kontaktelement.

Bei dem anhand der Fig. 1a bis 1c beschriebenen Ausführungs­ beispiel wird von einem zu überbrückenden Kontaktabstand zwi­ schen dem Modul 1 bzw. der Antennenanschlußkontakte 2 und den Kontakten 3 im Kartenkörper 4 im Bereich von im wesentlichen <0,5 mm ausgegangen. Die Kontakte 3 stehen mit einer Antennen­ spule 5 in Verbindung oder sind Bestandteil derselben.

Wie die Figuren zeigen, ist im Kartenkörper eine Kavität 6 eingebracht, die der Aufnahme des Moduls 1 dient. Auf dem Mo­ dul 1 befindet sich, wie in Fig. 1c erkennbar, ein face-down montierter Chip 7.

Der Kartenkörper 4 weist im Bereich der Kontakte 3 eine Aus­ nehmung 8 auf. Diese Ausnehmung 8 dient dem seitlichen Fixie­ ren eines elastischen Kontaktelementes, im gezeigten Beispiel einer Schraubendruckfeder 9. Anstelle dieser Schraubendruckfe­ der 9 kann auch ein elektrisch leitfähiger oder mit einem leitfähigen Überzug versehener, elastischer Kunststoffkörper Verwendung finden.

Beim Endmontageschritt, d. h. dem Einsetzen des Moduls 1 mit Chip 7 in die Kavität 6 und Verbinden mit dem Kartenkörper 4 tritt die Antennenanschlußkontaktfläche bzw. der Antennenan­ schlußkontakt 2 in Wirkverbindung mit dem oberen Ende der Schraubenfeder 9 unter Erhalt eines elektrischen Kontaktes. Durch die beim Ausbilden der Feder entstehenden oder durch Schliff erzeugten scharfkantigen Federenden wird in Verbindung mit der Duktilität des üblichen Kupferkontaktflächenmaterials eine kraft- und formschlüssige Verbindung erreicht, die inter­ metallische Eigenschaften aufweist.

Bei einem nicht zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel wird anstelle einer Schraubenfeder 9 ein metallischer Bolzen mittels Leitkleber oder durch Löten in der Ausnehmung 8 fi­ xiert, so daß sich ein vorgefertigter Kartenkörper mit Primär- Antennenspulenkontaktierung ergibt.

Nach vorzugsweise elektrischer Prüfung dieses Primärkontaktes wird dann der Modul 1 mit dem Kartenkörper 4 verbunden, wobei der Antennenanschlußkontakt dann ebenfalls mittels Leitkleber und/oder Löten realisiert werden kann. Trotz der Wärmekapazität des metallischen Bolzens, der der Überbrückung der Kontaktabstände dient, ist durch die Zweiteilung des Verbindungsschrittes bei der abschließenden Lötung nur eine geringe Wärmeenergie notwendig, so daß die thermische Belastung im Bereich der aktiven Bauelemente, nämlich des Chips, gering gehalten werden kann.

Mittels der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ge­ lingt es in besonders vorteilhafter Weise, elektrische Verbin­ dungen auch über einen großen Abstand gegenüberliegender Kon­ takte zu erstellen, die darüber hinaus, insbesondere beim ela­ stischen Kontaktelement, in der Lage sind, Biegespannung und Biegekräfte, die beim Betrieb oder dem Einsatz der Chipkarte regelmäßig auftreten, aufzunehmen, ohne daß die Kontaktsicher­ heit und Langzeitstabilität beeinträchtigt wird.

Claims (3)

1. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung eines in einer Kavität eines Kartenkörpers einer Chipkarte eingesetzten, elektronische Komponenten aufweisenden Moduls mit einer Antennenschicht oder Antennenspule, wobei in den Kartenkörper im Bereich der Kontakte für die Antennenschicht oder Antennenspule mindestens eine Ausneh­ mung je Kontakt eingebracht wird, und die Ausnehmung zum seitlichen Fixieren eines elastische Eigenschaften aufwei­ senden Kontaktelementes, insbesondere einer Schrauben­ druckfeder dergestalt dient, daß die Enden des Kontaktele­ mentes die Kontaktfläche für die Antennenschicht oder -spule einerseits und die Gegenkontaktflächen des Moduls andererseits berühren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elastisches Element ein leitfähiger Kunststoffkör­ per eingesetzt wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung eines in einer Kavität eines Kartenkörpers einer Chipkarte eingesetzten elektronische Komponenten aufweisenden Moduls mit einer Antennenschicht oder Antennenspule, wobei in dem Kartenkörper im Bereich der Kontakte für die Antennenschicht oder Antennenspule mindestens eine Ausneh­ mung je Kontakt eingebracht wird, wobei die Ausnehmung zum seitlichen Fixieren eines leitfähigen metallischen Bolzens dergestalt dient, daß die Enden des Bolzens die Kontakt­ fläche für die Antennenschicht oder -spule einerseits und die Gegenkontaktflächen des Moduls andererseits berühren und dort durch Leitkleber oder Löten mit diesen verbunden werden.