DE10006514C5

DE10006514C5 - Verfahren zum Einbau von Chips in Kartenkörper

Info

Publication number: DE10006514C5
Application number: DE10006514A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger KREUTER
Original assignee: Datacard Corp
Current assignee: Entrust Corp
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: DE10006514C2; WO2001061642A1; AU3175401A; DE10006514A1

Abstract

Verfahren zur Bestückung eines Grundkörpers, insbesondere eines Kartenkörpers (2), mit einem Chipmodul (4), umfassend ein Substrat (5), auf dessen Oberfläche ein integrierter Schaltkreis (IC) und Kontaktflächen (6), die sich auf der dem Kartenkörper (2) abgewandten Oberfläche des Substrates (5) befinden untergebracht sind, wobei das Chipmodul (4) mit dem Kartenkörper (2) in Kontakt gebracht und durch Ausübung von Druck mittels Ultraschall-Schweißen mit dem Kartenkörper (2) verbunden wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Ultraschall-Schweißen mittels einer Sonotrode (11) erfolgt, die auf die Vorderseite (13) des Chipmoduls (4) aufgesetzt wird, wobei
– die Sonotrode (11) an ihrer Kontaktfläche gegen das Substrat (5) weisende Vorsprünge (16) aufweist, die um mehr als die Dicke der Kontaktflächen (6) gegenüber dem Substrat (5) über die übrige Frontfläche (17) der Sonotrode (11) vorstehen, – die Sonotrode unter Druckausübung ausschließlich außerhalb der Kontaktflächen (6) und des integrierten Schaltkreises (IC) am Chipmodul (4) angesetzt wird und...

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, beispielsweise 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 Kartenkörpen, 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, auch Modul genannt, 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 Substrats, während der IC sich entweder auf der davon abgewandten Außenseite oder in einer Durchgangsöffnung des Substrats befindet, und über elektrisch leitende Stege mit den Kontaktflächen verbunden ist.
Bei der Handhabung dieses mit IC und Kontaktflächen ausgestatteten Substrats 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 Kegel 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 Substrats 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 überschüssiger 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 DE 197 31 737 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestückung eines Kartengrundkörpers mit einem Chipmodul. Zur Verbindung des Chipmoduls mit dem Kartenkörper wird dieser mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens lokal erwärmt, so daß das Chipmodul in eine Vertiefung druckbar ist. Üblicherweise wird das Zusammenfügen von Karte und Chipmodul mit einer Sonotrode durchgeführt, die ganzflächig auf dem Chipmodul aufliegt und dadurch insbesondere die Kontaktflächen und den integrierten Schaltkreis oftmals zu stark erwärmt.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Befestigen von ICs und 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 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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 zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen umgesetzt und zum Aufbrechen der molekularen Bindungen des festen Materials, in diesem Falle des Substrats 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 zugefführten 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 Erwär mung 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 Substrats 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 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 Ultraschallschweißfähig ist, also bei Energiezufuhr 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, oder es können unter Wegfall des Substrats 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 bzw. Klebermaterial bei Verwendung eines Klebers, benutzt werden, z. B. ein Ringkanal knapp innerhalb des äußeren Randes des Substrats.
Das seitliche Austreten von Kleber bzw. Überschußmaterial entlang des Umfangs des Substrats 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 Substrats oder auch der Flanken der Vertiefung im Kartenkörper beim Eindrücken des Substrats unter Ultraschallbeaufschlagung eine Keilwirkung zu erzielen, die eine gute Abdichtung am Rand bietet und damit ein Austreten von Überschußmaterial 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 Substrats 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 Karten der Kontaktflächen ebenfalls Ultraschallschwingungen übertragen werden. Soll dies vermieden werden, muß die Grundfläche der Vertiefungen größer sein als die der Kontaktflächen. Weiterhin ist eine Vertiefung in der Frontfläche der Sonotrode im Bereich des eigentlichen integrierten Schaltkreises vorgesehen, um in diesem Bereich weder Druck noch Ultraschallschwingungen in das Substrat einzuleiten.
Bei der Beaufschlagung mittels Ultraschall ist dabei auch nach der Richtung der Ultraschallschwingung, also der Amplitudenrichtung der Schwingung, zu unterscheiden. 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 geringe 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 Energieeinbringung soweit vorangetrieben, daß das Mate rial teigig wird, und durch den zweiten Schritt, der insbesondere gegenüber dem ersten Schritt bei reduziertem Druck oder ganz ohne Druck vonstatten gehen kann, wird ausschließlich die Materialförderung in die gewünschten Zonen hinein gefördert.
Diese Zonen können das bereits erwähnte Differenzvolumen in separat hergestellten Pufferzonen sein, 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, insbesondere geschlossen umlaufende Rinne, die Überschußmaterial aufnimmt, bevor dieses entlang der Außenränder des Substrats über die Kartenoberfläche hochsteigen kann.
Im Idealfall soll natürlich gar kein Material fließen, sondern ausschließlich die Oberfläche des kontaktierenden Materials nur bis zur Klebfähigkeit erweichen.
Auch ein – vor dem Einbringen des Substrats – 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.
Bei der Verbindung von zwei thermoplastischen Kunststoffmaterialien kann ferner durch gezielte Wahl der Materialien hinsichtlich ihrer Erweichungsenergie ein Vorteil erzielt werden. Wenn beispielsweise das Material des Kartengrundkörpers früher erweicht als das Material des Substrats, 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. Es zeigen:
1 die Vorgehensweise bei einer Monoblockkarte,
2 die Vorgehensweise bei einer Mehrschichtkarte,
3 eine ähnliche Darstellung gegenüber 1, und
4 eine Aufsicht auf das Trägerelement 4 beim Einsetzen in den Kartenkörper 2.
In den 1-2 ist die Karte 1, bzw. vor Zusammenbau deren Einzelteile jeweils im Querschnitt, also geschnitten quer zur Hauptebene, der Kartenebene 10, dargestellt.
In 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 diesen. 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 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 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 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 Substrats 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 Substrats 5 außerhalb der Umhüllung 19 für den IC angeordnet sein.
Wie in 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 Kleber, der durch die bei der Einwirkung der Ultraschallschwingung an der Kontaktfläche zwischen Kartenkörper 2 und Substrat 5, also im Bereich des Klebers 8, teigig bzw. klebfähig wird und das Trägerelement 4 mit dem Kartenkörper 2 verklebt. Die Schicht des Klebers 8 wird dadurch in ihrer Höhe zusammengedrückt und so wenig wie möglich 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 Freiraum in der tieferen Aussparung 3' vor, die aus diesem Grunde größer gewählt ist, als es für den IC und dessen Umhülung 19 notwendig ist. Insbesondere wird die Aussparung 3' als Aussparung mit senkrecht zum 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 Substrats 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 1b zeigt ist die Sonotrode 11 bzw. 11' auf die Frontseite 13 bzw. Vorderseite 17 des Substrats 5 bzw. des Kartenkörpers 2 aufgesetzt, während die Hinterseite 15 des Kartenkörpers 2 vom Amboß 9 abgestützt wird.
In der rechten Bildhälfte der 1b befindet sich dabei die Sonotrode 11' nur auf dem Substrat 5, so daß also die Fuge zwischen der Außenkante des Substrats 5 und dem äußeren Rand der Aussparung 3 frei bleibt und dort die Auf wölbung 21 austreten kann.
In der linken Bildhälfte erstreckt sich die Sonotrode 1 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 Außenkontur bezüglich der Kontaktfläche 6 auf, wie bei der Vertiefung 22' in der rechten Bildhälfte der 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 jedoch größer als die Dicke der Kontaktfläche 6, so daß eine Druckeinleitung in die Kontaktfläche 6 vertikal zur Kartenebene 10 nicht stattfindet.
Der in 2 dargestellte Ablauf untetscheidet sich primär dadurch, daß der Kartenkörper 2c, in welchen das Trägerelement 4 eingearbeitet wird, nur die Mittelschicht eines mehrschichtigen Kartenaufbaus darstellt, und vorher eine untere Schicht 2b auf die Hinterseite 15, also auch eine obere Schicht 2a, auf die Vorderseite 14 der Mittelschicht 2c aufgebracht wurde.
Dies stellt zwar zusätzlichen Arbeitsaufwand dar, bietet jedoch auch Vorteile, beispielsweise, daß die zentrale Aussparung 3'' für den IC als die Mittelschicht 2c durchdringende Aussparung ausgebildet, also z. B. ausgestanzt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht dann, daß die in den Randberechen zwischen Außenumfang des Substrats 5 und äußerem Rand der Aussparung 3 bestehende Rufwölbung 21 nach außen oder die nutförmige Vertiefung 21' nach innen durch die darüber angebrachte obere Deckschicht 2a egalisiert werden kann.
Weiterhin ist anhand der 2c dargestellt, daß sich der integrierte Schaltkreis IC nicht – wie in den 1a–2b dargestellt – auf der Rückseite 12 des Substrats 5 befinden muß, sondern sich in einer hierfür vorgesehenen Aussparung innerhalb des Substrats 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 weggelassen werden, wie in der Linken Bildhälfte der 2c dargestellt. Eine Verklebung des IC erfolgt nicht.
Anhand der Darstellung der verwendeten Sonotroden 11'' bzw. 11''' in 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 2b, die nicht als zur Erfindung gehörend betrachtet wird, 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/Utraschallschwingung beaufschlagt werden.
3 zeigt eine Abwandlung gegenüber den Darstellungen der 1, in dem einerseits eine Zentrierung des Substrats 5 in der Aussparung 3 bewirkt wird, und andererseits eine Sperrwirkung für den Kleber 8' bzw. 8'', der beim Verbindungsvorgang in der Aussparung 3 vorhanden ist, erzielt wird.
Während in der linken Bildhälfte die Flanke 24 der Aussparung 3 schräg gestellt nach außen verläuft, während die sich dort annähernde Außenkante 23 des Substrats 5 lotrecht zur Hauptebene des Substrats 5 verläuft, ist in der rechten Bildhälfte umgekehrt die Außenkante 23 des Substrats 5 schräg gestellt nach außen verlaufend, während die Flanke 24 der Aussparung 3, in welcher der Kleber 8'' angeordnet ist rechtwinklig zur Bodenfläche der Aussparung 3 verläuft.
Zusätzlich ist in der linken Bildhälfte die Kleberschicht 8' dünner als die Höhe der Aussparung 3, während in der rechten Bildhälfte die Kleberschicht 8'' sogar dicker als die Höhe der Aussparung ist. Die Dimensionierung und Erstreckung der Sonotrode 11'' 11' entspricht denjenigen in 1b.
4 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 Substrats 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 den 1b und 3b 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 als eine einzige, alle Kontaktflächen dieser Seite übergreifende Aussparung 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 4 dargestellte Sonotrode 11' nicht über den äußeren Rand des Substrats 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.

1: Karte
2: Kartenkörper
2a: obere Deckschicht
2b: untere Deckschicht
2c: 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: Vordersite
15: Hinterseite
16: Vorsprünge
17: Frontfläche
19: IC-Umhüllung
21: Aufwölbung
22: Vertiefungen
23: Außenkante
24: Flanke
IC: integrierter Schaltkreis

Claims

Verfahren zur Bestückung eines Grundkörpers, insbesondere eines Kartenkörpers (2), mit einem Chipmodul (4), umfassend ein Substrat (5), auf dessen Oberfläche ein integrierter Schaltkreis (IC) und Kontaktflächen (6), die sich auf der dem Kartenkörper (2) abgewandten Oberfläche des Substrates (5) befinden untergebracht sind, wobei das Chipmodul (4) mit dem Kartenkörper (2) in Kontakt gebracht und durch Ausübung von Druck mittels Ultraschall-Schweißen mit dem Kartenkörper (2) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ultraschall-Schweißen mittels einer Sonotrode (11) erfolgt, die auf die Vorderseite (13) des Chipmoduls (4) aufgesetzt wird, wobei – die Sonotrode (11) an ihrer Kontaktfläche gegen das Substrat (5) weisende Vorsprünge (16) aufweist, die um mehr als die Dicke der Kontaktflächen (6) gegenüber dem Substrat (5) über die übrige Frontfläche (17) der Sonotrode (11) vorstehen, – die Sonotrode unter Druckausübung ausschließlich außerhalb der Kontaktflächen (6) und des integrierten Schaltkreises (IC) am Chipmodul (4) angesetzt wird und – das Substrat (5) zunächst mit Druck in Richtung quer zur Kartenebene (10) und Ultraschallschwingung mit einer Schwingungsrichtung quer zur Kartenebene (10) beaufschlagt, und zum Abschluss der Ultraschallbefestigung mit Druck quer zur Kartenebene (10) und Ultraschallschwingungen mit Schwingungsrichtung in der Kartenebene (10), insbesondere beiden Raumrichtungen der Kartenebene (10), beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Ultraschallverbindung ein mittels Druck und Ultraschall verbindbarer Kleber (8) zwischen Substrat (5) und Kartenkörper (2) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Materialien, entweder des Substrates (5) oder des Kartenkörpers (2), insbesondere die mit dem Substrat (5) in Kontakt gelangende Schicht des Kartenkörpers (2) ein mittels Druck und Ultraschall aktivierbares Material, insbesondere ein mittels Druck und Ultraschall aktivierbarer Kunststoff, insbesondere ein mittels Ultraschall und Druck aktivierbarer thermoplastischer Kunststoff ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5) und der Kartenkörper (2), insbesondere die mit dem Substrat (5) in Kontakt kommende Schicht des Kartenkörpers (2), aus dem gleichen Material bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Schaltkreis (IC) auf der dem Kartenkörper (2) zugewandten Rückseite (12) des Substrates (5) angeordnet ist und in einer Aussparung (3) der dem Substrat (5) zugewandten Vorderseite (14) des Kartenkörpers (2) positioniert wird und das Einbringen von Druck- und Ultraschallschwingungen nur im Bereich außerhalb der Aussparung (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ultraschall-Schweißen ein abstützender Amboss (9) an der Rückseite (15) des Kartenkörpers (2) im Bereich der Sonotrode (11) angesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Aussparung (3) für den integrierten Schaltkreis (IC) größer als das Volumen des integrierten Schaltkreises einschließlich dessen eventueller Umhüllung ist und in das Differenzvolumen das überschüssige Volumen an Kleber (8) gedrückt wird, ohne den integrierten Schaltkreis (IC) zu erreichen und mit dem Grundkörper zu verkleben.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (16) den Freiflächen zum Aufbringen von Druck und Ultraschall entsprechen und beim Anlegen der Sonotrode an das Substrat (5) in der Kartenebene (10) an den Seitenkanten der Kontaktflächen (6) angelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (16) kleiner sind, insbesondere um wenigstens eine Amplitude der aufgebrachten Ultraschallschwingung kleiner sind, als die Substratfreiflächen (7) zum Aufbringen von Druck und Ultraschall des Substrates (5).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Karte auch außerhalb des Substrates mehrschichtig aufgebaut ist, und der Kartenkörper (2) nach Aufbringen des Substrates zumindest auf seiner Vorderseite (14) mit einer oberen Deckschicht (2a) abgedeckt wird, die die Kontaktflächen (6) auf der Frontseite (13) des Substrates (5) freilässt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ultraschallaktivierbares Material Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) verwendet wird.
Sonotrode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sonotrode (11) an ihrer Frontfläche im Bereich der Kontaktflächen (6) Vertiefungen aufweist und – die Sonotrode (11) an ihrer Kontaktfläche gegen das Substrat (5) weisende Vorsprünge (16) aufweist, die um mehr als die Dicke der Kontaktflächen (6) gegenüber dem Substrat (5) über die übrige Frontfläche (17) der Sonotrode (11) vorstehen, – die außerhalb der elektrischen Kontaktflächen (6) und außerhalb des Bereichs des ICs auf dem Substrat (5) anliegen, – die Sonotrode (11) eine größere Grundfläche als das Substrat (5) aufweist, – wobei die Sonotrode so ausgebildet ist, dass sie sowohl quer zu ihrer Frontfläche als auch in Richtung ihrer Frontfläche Ultraschallschwingungen vollziehen kann.
Sonotrode nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (11) auch eine größere Grundfläche als die Fläche der Aussparung (3') für das Substrat (5) aufweist, wobei der Überstand der Sonotrode (11) das Austreten von Kleber (8) entlang des Außenrandes des Substrates (5) verhindert.
Sonotrode nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (11) mit einem wechselbaren Überzug, insbesondere in Form eines endlosen Bandes, aus einem Material mit geringer Haftfähigkeit, insbesondere Tetra-Fluor-Ethylen (Teflon) ausgestattet ist.