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Die
Erfindung betrifft ein Personaldokument, wie Personalausweis, Reisepass,
Führerschein
oder Mitarbeiterausweis sowie ein Verfahren zur Herstellung des
Personaldokuments.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Anwendungen bekannt,
bei denen integrierte Schaltungen in Dokumente, bspw. in Form von
IC-Karten, eingebaut werden. Hierdurch wird eine schnelle, teilweise auch
automatisierte Verifikation erleichtert und die Fälschung
solcher Dokumente erschwert. Außerdem
können
auf diese Weise zusätzliche
Daten wie z.B. biometrische Daten zur Authentifizierung des Inhabers
im Dokument gespeichert werden.
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Der
Nachteil der Einbringung von ICs in Dokumente ist jedoch, dass diese
in vielen Fällen
flexibel sein müssen
und sehr starken, unterschiedlichen Belastungen, insbesondere Biegebelastungen
im Laufe ihrer Gültigkeitsdauer
unterworfen sind. ICs auf Siliziumbasis hingegen sind spröde und brechen
leicht, so dass die erforderliche Widerstandsfähigkeit nur bedingt gewährleistet
werden kann. Deshalb werden Chips herkömmlich in Vergussmasse eingebettet
und in dieser Form als „Chipmodul" in IC-Karten eingebaut,
in denen sie aber keinen integralen Bestandteil bilden sondern einen
Fremdkörper
darstellen, der sich in seinen mechanischen Eigenschaften deutlich
vom Trägermaterial
der Karte unterscheidet. Besonders gefährdet sind dabei auch die Kontakte
zwischen IC und Leiterbahn, wenn bei Verbiegung des Dokuments sich
zwar das Substrat verbiegt, der IC jedoch starr bleibt. Dies limitiert
insbesondere die Größe von ICs
in flexiblen Dokumenten ganz erheblich.
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Der
Einbau großer
und leistungsfähigerer
dicker ICs ist bisher allenfalls in nicht-flexible Dokumente, bspw.
die Buchdeckel von Pässen
möglich,
weil hier der starre Buchdeckel Dokument und IC schützt. Bei
den ebenfalls relativ starren Chipkarten ist mindestens eine Dicke
von 760 μm
erforderlich, wobei wegen der Größe des Chipmoduls
und seiner Dicke von bspw. 350 μm
wenig Platz zur Ausgestaltung des Kartenaufbaus übrig bleibt. Letztlich wird
durch den Einbau eines Chips der Aufbau des Dokuments insgesamt
instabiler, wodurch sich für
potentielle Fälscher
wiederum Möglichkeiten
zur Manipulation ergeben.
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Aus
dem Stand der Technik (
DE
196 51 566 B4 ) ist bekannt, Silizium-ICs von ihrer Rückseite
her abzuschleifen und damit entsprechend auszudünnen. Solche ICs, die im Extremfall
bis auf 10 μm
bis 15 μm
ausgedünnt
werden können,
sind gegenüber
herkömmlichen
dicken Chips erheblich flexibler, so dass sie bspw. auch in dünne, auf
Papier basierende Dokumente eingebaut werden können (
DE 196 30 648 A1 ).
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Beim
Einbau in Personaldokumente stellen aber auch derartige ICs nach
wie vor einen Fremdkörper im
Dokumentenverbund dar. Sie verbinden sich nur unvollkommen mit den
für Personaldokumente üblichen Substraten
wie Papier und Kunststoffen, insbesondere Polycarbonat oder Polyethylenterephthalat.
Hierdurch ist eine mit Absicht oder auch nur versehentlich herbeigeführte Trennung
von Dokument und IC möglich,
so dass die Risiken eines technischen Versagens sowie die Möglichkeiten
für manipulatorische
Eingriffe weiterhin bestehen. Das Ziel der Erfindung ist, ein diesbezüglich verbessertes
Personaldokument zu schaffen.
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Dieses
Ziel wird mit einem Personaldokument mit einem integrierten kontaktlosen
Chip erreicht, das aus einem Laminat besteht, das zumindest eine
Chipfolie, ein die Chipfolie auf der Strukturseite des Chips überdeckendes
Substrat und eine die Chipfolie rückseitig überdeckende Abdeckschicht umfasst.
Die Chipfolie selbst umfasst einen auf eine Dicke d ≤ 50 μm, bevorzugt
d ≤ 30 μm, besonders
bevorzugt d ≤ 20 μm ausgedünnten Chip
mit integriertem Schaltkreis und eine polymeren Trägerfolie,
welche abgesehen von Kontaktanschlüssen, sowohl auf der Strukturseite
als auch auf der Rückseite
des Chips aufgebracht ist, wobei der Chip beiderseits mit der Trägerfolie
durch je ein Kopplungsreagens verbunden ist, dessen Moleküle eine
erste chemisch funktionelle Gruppe aufweisen, die bevorzugt mit
dem Halbleitermaterial der Chipoberfläche reagiert und dort eine
kovalente Bindung ausbildet sowie eine zweite funktionelle Gruppe
besitzen, welche bevorzugt mit der Polymermatrix der Trägerfolie
reagiert. Der Chip ist mit einer auf dem Substrat vorgesehenen Antenne verbunden.
Die Trägerfolie,
das Substrat und die Abdeckschicht weisen jeweils kompatible Polymere
auf, die miteinander mischbar, insbesondere ineinander löslich sind.
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In
dem erfindungsgemäßen Personaldokument
wird somit kein herkömmliches
Chipmodul eingesetzt, das einen vergleichsweise dicken Chip enthält, der
in eine Vergussmasse eingebettet ist und damit einen starren Fremdkörper im
Dokumentenverbund bildet. Vielmehr wird der Chip quasi direkt eingebracht,
was eine bessere Verbindung zwischen Dokument und Chip ermöglicht,
wobei die Materialien des Dokumentenkörpers die Funktionen übernehmen,
die herkömmlich
durch die Vergussmasse des Chipmoduls gewährleistet werden müssen. Der
Begriff „Chipfolie" bezeichnet dabei
ein halbleiterstrukturiertes Silizium, welches auf Polymerfolie appliziert
und gedünnt
ist, so dass nur noch eine Silizium-Schutzschicht von wenigen 10 μm auf der
Halbleiterstruktur verbleibt. Zwischen Chip und Trägerfolie
wird dabei eine untrennbare Verbindung hergestellt, welche durch
an den Chip kovalent gebundene Moleküle erzielt wird. Daraus ergibt
sich der Vorteil, dass mechanische Belastungen, wie sie z.B. durch
Biegen des Dokuments oder durch thermische Ausdehnung entstehen, vom
Trägermaterial
aufgenommen werden und die Halbleiterstruktur entsprechend geschützt wird.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass bei einem Manipulationsversuch,
bspw. bei einer Delaminierung, die Chipfolie nicht zerstörungsfrei
aus dem Dokument entfernt werden kann.
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Die
Polymere, die auf Unter- und Oberseite des Chips aufgebracht werden
sollen kompatibel sein. Dies bedeutet, dass sie miteinander mischbar
und insbesondere ineinander löslich
sind. Hierdurch vermischen sich die Polymere bei der Lamination
und bilden mit den ebenfalls kompatiblen benachbarten Oberflächen des Substrats
und der Abdeckschicht einen einheitlichen Kartenkörper. Dies
ist in optimaler Weise erfüllt,
wenn jeweils identische Polymere vorliegen. In bevorzugter Ausführungsform
umhüllen
dabei die Polymerfolien, welche die Trägerfolie bilden, den Chip mit
Ausnahme seiner Kontaktstellen vollständig
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Vorteilhaft
ist, wenn im Dokument über
und unter dem Chip eine zusätzliche
Schutzschicht gegen Licht eingebracht wird. Dies kann in Form einer
Metallisierung, bspw. durch ein Hologramm-Patch, einer Farbe oder Ruß im Folienaufbau
und dgl. realisiert werden. Damit können photoelektrische Effekte
ausgeschlossen und die ordnungsgemäße Funktionsweise auch bei
starkem Lichteinfall gewährleistet
werden. Außerdem
verhindert dies gezielte Manipulation des Chips mittels Lichteinstrahlung.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Personaldokument
sind die kompatiblen Polymere bevorzugt aus der Gruppe der thermoplastischen
Kunststoffe, insbesondere der Polycarbonate (PC), der Polyethylenterephthalate
(PET) einschließlich
deren Derivate ausgewählt.
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Bevorzugt
werden bei dem erfindungsgemäßen Personaldokument
Polymerfolien eingesetzt, die biaxial verstreckt sind und keine
nennenswerten Spannungen aufbauen, die den IC beschädigen könnten. Insbesondere
können
die Schichten so aufgebaut werden, dass sich die durch die Molekülorientierung
bedingte Kontraktionen und die thermischen Ausdehnungen der polymeren
Schichten gegenseitig kompensieren.
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Der
Chip des erfindungsgemäßen Personaldokuments
ist mit einer im bzw. auf dem Substrat befindlichen Antenne zum
kontaktlosen Auslesen verbunden, wobei die Enden von auf dem Substrat
aufgedruckten Leiterbahnen der Antenne mit dem Chip verbunden sind
und mindestens eine Leiterbahn in einer Ebene unterhalb des Chips
verläuft
oder mindestens eine Leiterbahn am Ort des Chips eine Unterbrechung
aufweist, die intern durch den Chip verbunden wird. Hierdurch wird
vermieden, dass ein Ende der Antenne die Leiterbahnen kreuzend zum
Kontakt mit dem Chip herausgeführt
werden muss.
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Vorzugsweise
wird zwischen zumindest einer Seite des Chips und der polymeren
Trägerfolie
eine Passivierungsschicht, bspw. aus Siliziumnitrid vorgesehen,
wodurch sich zum Beispiel auch eine gute Haftung ergibt. Außerdem kann
auf den Kontaktanschlüssen
eine elektrisch leitfähige
Schicht, insbesondere bis zur Schichtdicke der polymeren Trägerfolie
aufgebracht werden, die bspw. aus einem intrinsisch leitfähigen Polymer
gebildet ist, aus einem versinterbaren nanoskaligen Metallpulver
oder aus einem Kleber mit carbon nanotubes besteht.
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Zum
Ausgleich der bei den Antennenanschlüssen gegebenenfalls verbleibenden
Zwischenräume
wird mit Vorteil zwischen den Antennenanschlussflächen eine
Füllstruktur
auf der polymeren Oberfläche
des Substrats vorgesehen, die beim Auflaminieren mit der Chipfolie
verbunden wird.
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Das
gesteckte Ziel wird ferner mit einem Verfahren zur Herstellung eines
Personaldokuments erreicht, das einen auf eine Dicke d ≤ 50 μm, bevorzugt
d ≤ 30 μm, besonders
bevorzugt d ≤ 20 μm ausgedünnten Chip als
integralen Bestandteil aufweist und die folgenden Verfahrensschritte
aufweist:
- a) Herstellen einer Chipfolie durch
Verbinden der Strukturseite und der Rückseite des ausgedünnten Chips mit
jeweils einer polymeren Trägerfolie
mittels eines Kopplungsreagens, dessen Moleküle eine erste chemisch funktionelle
Gruppe aufweisen, die bevorzugt mit dem Halbleitermaterial der Chipoberfläche reagiert und
dort eine kovalente Bindung ausbildet sowie eine zweite funktionelle
Gruppe besitzen, welche bevorzugt mit der Polymermatrix der Trägerfolie
reagiert,
- b) Aufbringen der Chipfolie auf ein mit einer Antennenstruktur
versehenes Substrat, das mit einem mit der Chipfolie kompatiblen
Polymer versehen ist,
- c) Verbinden der Chipfolie mit dem Substrat unter Kontaktierung
der Antennenanschlüsse
unter Druck- und Temperatureinwirkung mittels Lamination,
- d) Auflaminieren einer Abdeckschicht, die mit einem mit der
Chipfolie kompatiblen Polymer versehen ist.
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Bevorzugt
erfolgt die Kontaktierung von Chip und Antenne und die Ausbildung
der kovalenten Bindung zwischen Chip und polymerer Trägerfolie
durch die starke Annäherung
unter der Einwirkung von Druck und Temperatur im Zuge des Laminationsprozesses.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann zwischen den jeweiligen Bondpads während der Lamination eine Intermetallverbindung,
eine den Kontakt herstellende Legierung auf der Basis einer nanoskaligen
Verbindungstechnik erzeugt werden. Diese Verfahren beruht auf dem
Versintern von nanoskaligem Metallpulver, welches auf die Metallflächen aufgebracht
wird. Das Versintern findet bei der Dokumentenlamination durch die Einwirkung
von Wärme
und Druck statt. Materialien für
geeignete Metallpulver sind bspw. Silber, Gold, Kupfer und Aluminium.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird ein Kleber mit CNTs (carbon nanotubes)
verwendet, welcher zusätzlich
zur Herstellung des elektrischen Kontakts auch die Rissfestigkeit
verbessert. Als weitere Kontaktierungsverfahren kommen anisotrope
Kleber oder Ultraschallbonden zum Einsatz.
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Die
Verfahrensschritte des Herstellens der Chipfolie und des Laminierens
auf das Substrat können
in getrennten Arbeitsschritten erfolgen. Vorzugsweise wird aber
die chemische Verbindung des Chips mit der Trägerfolie durch das Kopplungsreagens
zugleich mit der Lamination der Chipfolie auf das Substrat vorgenommen,
wobei im selben Arbeitsgang auch die Kontaktierung der Antennenanschlüsse erfolgt.
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Neben
der erhöhten
Sicherheit, Stabilität
und Haltbarkeit wird somit auch die Handhabbarkeit während der
Produktion deutlich verbessert, wodurch sich die Kosten für das Personaldokument
reduzieren. Die polymere Trägerfolie
kann auch bereits auf die Strukturseite eines endgetesteten Wafers
aufgebracht werden und damit als Haft- und Stabilisierungsschicht
dienen, wenn die Rückseite
des Wafers abgetragen wird. Als Substratmaterial dienen thermoplastische
Kunststoffe, insbesondere Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET),
einschließlich
ihrer Derivate wie z.B. Glykolmodifiziertes PET (PETG), Polyehtylennaphthalat
(PEN), Acrylnitril-Butadien- Styrol
Copolymerisat (ABS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylbutyral (PVB),
Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyvinylakohol (PVA),
polystyrol (PS), Polyvinylphenol (PVP), Polyethylen (PE) und Polyoropylen
(PP). Das Substrat, dessen Träger
bspw. Papier sein kann, weist dabei zumindest eine Oberflächenschicht
aus einem dieser thermoplastischen Polymere oder deren Derivate,
bspw. in Form eines koextrudierten Substrats auf.
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Bevorzugt
wird dabei vor dem Aufbringen der Chipfolie in Zwischenräumen zwischen
den Antennenanschlussflächen
eine polymere Füllstruktur
angeordnet, so dass auch an diesen Stellen ein vollständiger Kontakt
zwischen Chipmodul und Substrat gegeben ist. Zum gleichen Zweck
können
auch noch weitere vorteilhafte Maßnahmen ergriffen werden: So
kann vor dem Aufbringen des Chipmoduls ein Präge- und Pressvorgang auf den
Bereich des Substrates ausgeübt
werden, in den das Chipmodul positioniert werden soll. Außerdem kann
vor dem Verbinden des Chipmoduls mit dem Substrat auf den elektrischen
Anschlüssen
des Chips, wie zuvor beschrieben, elektrisch leitfähiges Material
angeordnet werden, wodurch die Kontaktierung des Chipmoduls mit
den Antennenanschlüssen
erleichtert wird, und/oder vor dem Verbinden mit der Trägerfolie
auf dem Chip eine Passivierungsschicht aufgetragen wird.
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In
anderer Ausführungsform
wird das erfindungsgemäße Verfahren
so geführt,
dass die Chipfolie durch Verbinden der Strukturseite und der Rückseite
des ausgedünnten
Chips mit einer polymeren Trägerfolie mittels
eines Kopplungsreagens hergestellt wird, wobei wiederum die Moleküle des Kopplungsreagens
eine erste chemisch funktionelle Gruppe aufweisen, die bevorzugt
mit dem Halbleitermaterial der Chipoberfläche reagiert und dort eine
kovalente Bindung ausbildet sowie eine zweite funktionelle Gruppe
besitzen, welche bevorzugt mit der Polymermatrix der Trägerfolie
reagiert. Die Chipfolie wird derart auf ein Substrat aufgebracht, dass
die Chip-Rückseite
zum Substrat weist, das mit einem mit der Chipfolie kompatiblen
Polymer versehen ist. Nach dem Verbinden der Chipfolie mit dem Substrat
unter Druck- und Temperatureinwirkung mittels Lamination, wird auf
das so hergestellte Laminat die Antenne aufgebracht, wobei dieses
Aufbringen vorzugsweise drucktechnisch erfolgt. Schließlich wird
die Abdeckschicht auflaminiert, die ebenfalls mit einem mit der
Chipfolie kompatiblen Polymer versehen ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen
Beschreibung der Figuren.
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Es
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Personaldokuments;
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2:
eine in das Personaldokument zu integrierende Chipfolie;
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3:
eine Chipfolie mit elektrisch leitfähiger Schicht auf den IC-Pad-Anschlüssen;
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4:
eine weitere Ausführungsform
der Chipfolie;
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5:
eine schematische Darstellung des Aufbringens der Chipfolie auf
das Substrat;
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6:
das Aufbringen der Chipfolie mit einer polymeren Füllstruktur
zwischen den Antennen-Anschlussflächen;
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7:
- a) ein Substrat
mit gedruckter Antenne;
- b) das Substrat mit aufgebrachtem Chip;
- a) ein Substrat mit gedruckter Antenne;
- b) das Substrat mit aufgebrachtem Chip;
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8:
- a) eine zweite
Ausführungsform
der gedruckten Antenne;
- b) die zweite Ausführungsform
mit aufgebrachtem Chip;
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9:
Schema der Verbindung zwischen Halbleiter und Polymermatrix durch
eine Kopplungsreaktion mit chemischer Bindung;
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10:
Beispiel einer Kopplungsreaktion;
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1 zeigt
schematisch den grundsätzlichen
Aufbau des Personaldokuments 1 in einem Querschnitt durch
die Anschlussflächen 9a der
Antennenstruktur 9. Die Chipfolie 2 ist mit der
Strukturseite 3a des auf eine Dicke von ca. 30 μm ausgedünnten Chips 3 auf
ein Substrat 10 aufgebracht, das bspw. auf Papier basiert
aber zumindest auf der der Chipfolie 2 zugewandten Seite
eine polymere Oberfläche 11 aus
PC oder PET aufweist. Auf dem ausgedünnten Chip 3 ist beiderseits
eine polymere Trägerfolie 6, 7 aufgebracht,
die mit der polymeren Oberfläche 11 des
Substrats kompatibel ist und mit dieser bei der Lamination eine
weitgehend homogene Verbindung eingeht. Auf der Strukturseite des
Chips ist zwischen den Antennen-Anschlussflächen 9a eine
polymere Füllstruktur 12 aus
ebenfalls kompatiblem Material angeordnet. Die rückseitige Trägerfolie 7 verbindet sich
bei der Lamination mit der Abdeckschicht 14, die in 1 der Übersichtlichkeit
halber abgehoben dargestellt ist.
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Die
Kontaktierung des Chips und seine Verbindung mit dem Substrat erfolgt
durch eine der zuvor genannten Kontaktierungsmöglichkeiten, wobei vor der
Laminierung und Kontaktierung ein Prägearbeitsschritt in dem Bereich
des Substrats 10 ausgeführt
wurde, in den die Chipfolie 2 positioniert werden soll,
und der im dargestellten Beispiel u.a. Bereiche der Antennen-Anschlussflächen 9a der
polymeren Oberfläche 11 des
Substrats 10 und der Füllstruktur 12 umfasst.
Auf diese Weise wird eine Vertiefung im μm-Bereich erzeugt, in den sich
der Chip einfügt.
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Nach
dem Prägen,
dem Aufbringen der Chipfolie 2 und deren Auflaminieren
auf das Substrat 10 unter gleichzeitiger Kontaktierung
wird anschließend
die rückseitige
Abdeckschicht 14 auflaminiert. Die Chipfolie 2 und
die korrespondierenden Schichten des Substrats 10 und der
Abdeckschicht 14 bestehen aus kompatiblen Polymeren, die
ineinander löslich
sind und eine Einheit ergeben, die zerstörungsfrei nicht mehr aufgetrennt werden
kann. Der Chip selbst bildet dabei einen mechanisch tragenden, integralen
Bestandteil des Dokumentenverbundes. Gegebenenfalls kann das Auflaminieren
der rückseitigen
Abdeckschicht 14 auch im gleichen Arbeitsgang zusammen
mit der Lamination von Chipfolie und Substrat erfolgen.
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In 2 ist
eine in das Personaldokument einzubauende Chipfolie 2 dargestellt.
Auf dem ausgedünnten
Chip 3 ist strukturseitig eine Passivierungsschicht 5 aus
Siliziumnitrid aufgebracht, die wiederum von einer polymeren Trägerfolie 6 aus
thermoplastischem Polycarbonat (PC) bedeckt ist. Die Trägerfolie 6 lässt dabei lediglich
die IC-Pad-Anschlüsse 4 frei.
Durch die Anordnung der thermoplastischen PC-Schicht 6 auf
der Passivierungsschicht 5 verbietet sich zwar die Anwendung
eines Lötprozesses,
gleichwohl ist eine vergleichsweise kalte Kontaktierung auf dem
Substrat mittels der bereits beschriebenen Kontaktierungsverfahren
möglich. Bei
der Laminierung der Chipfolie 2 auf das Substrat wird damit
sowohl der elektrische Kontakt sondern auch eine mechanische Montage
vollzogen. Bei einem Substrat mit einer polymeren Oberfläche, die
ebenfalls aus PC besteht, ergibt sich ein weitestgehend sortenreiner
Verbund.
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Die
Chiprückseite
ist ebenfalls mit einer polymeren Trägerfolie 7 bedeckt,
die bspw. in gleicher Weise wie auf der Strukturseite ausgebildet
sein kann. Diese Schicht 7 verbessert einerseits die mechanische
Stabilität
der flexiblen dünnen
Chipfolie 2 und deren Handhabung, andererseits bewirkt
sie bspw. bei einer ultraschall-gestützten Kontaktierung eine verbesserte
Energieeinkopplung. Die rückseitige
Polymerschicht 7 kann dabei so ausgebildet sein, dass sie über die
Kante des Chips 3 reicht und mit der vorderseitigen Trägerfolie 6 verbunden
wird, so dass die Trägerfolie
den gedünnten
Chip 3 vollständig
umhüllt.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Chipfolie 2 zeigt 3.
Die Trägerfolie 6, 7 des
gedünnten
Chips 3 ist dabei, wie zuvor anhand von 2 beschrieben,
ausgeführt.
Zusätzlich
ist auf den IC-Pads 4, den elektrischen Anschlüssen des
ICs, eine elektrisch leitfähige
Schicht 8 angeordnet. Diese leitfähige Schicht 8 kann
bspw. metallisch mittels chemischer bzw. galvanischer Prozesse hergestellt
sein. Sie wird vorzugsweise nur bis zur Höhe der polymeren Beschichtung 6 ausgeführt. Gegebenenfalls
kann die Schichtdicke des elektrisch leitenden Materials 8 auch
geringer gewählt
werden als die der polymeren Schicht 6. Sie kann bspw.
auch durch elektrisch leitfähige
polymere Systeme gebildet sein und mittels Dispenser, Siebdruck,
Ink-jet oder Schablonentechnik aufgebracht werden. Als elektrisch
leitfähige
polymere Schichtsysteme kommen außer den intrinsisch leitfähigen auch
solche in Betracht, bei denen elektrisch leitfähige Partikel in eine Polymermatrix
eingebettet sind. Insbesondere kommen hierfür u.a. nanoskalige Partikel
infrage, wobei die Leitfähigkeit
bei gleichem Füllgrad
durch geeignete Mischung aus unterschiedlichen Partikelgeometrien
erhöht
werden kann. Insbesondere kann durch eine Beimengung von CNTs (carbon
nanotubes) oder MWCNTs (multi-walled carbon nanotubes) neben der
Herstellung ausreichender Leitfähigkeit
bei geringen Konzentrationen auch die Spannungsrissempfindlichkeit
signifikant reduziert werden.
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In 4 ist
ebenfalls ein ausgedünnter
Chip 3 dargestellt, bei dem im Vergleich mit dem Beispiel
der 3 die IC-Pad-Anschlüsse bis an die Chip-Kanten verlaufen.
Die Bezugsziffern bezeichnen dabei dieselben Bauteile wie in den
vorausgegangenen Figuren.
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5 zeigt
schematisch das Aufbringen der Chipfolie 2 auf das Substrat 10 des
Personaldokuments 1. Dabei wird das in 4 dargestellte
Chipmodul 2 mit dem ausgedünnten Chip 3 verwendet.
Das auf Papier basierte Substrat 10 besitzt eine polymere,
durch PC gebildete Oberfläche 11,
auf der die Antenne 9 mit den Anschlussflächen 9a angeordnet
ist. Wie in den vorausgehenden Figuren ist die vertikale Erstreckung
im Vergleich zu den lateralen Abmessungen wesentlich überhöht dargestellt.
Tatsächlich
beträgt
die Dicke ausgedünnter
Chips weniger als 50 μm
und kann sogar geringer als 30 μm
oder 20 μm
sein. Die Schichtstärken
für die
IC-Pad-Anschlüsse 4 und
die Passivierungsschicht 5 liegen im Sub-Mikrometerbereich,
die Schichtstärken der
Polymerfolie 6 und der elektrisch leitfähigen Auflage 8 liegen
typischerweise bei wenigen μm
bis zu etwa 10 μm.
Die Schichtstärke
der Antennenanschlussflächen 9a auf
dem Substrat 10, 11 liegt im Bereich mehrerer μm bis zu
etwa 15 μm,
wobei bevorzugt eine polymere gedruckte Antennenstruktur 9 auf
der Basis von Silberpasten verwendet wird, die erst nach einem Laminiervorgang
und einer Temperatur-Druckbehandlung bei 130° bis 200° und einer Flächenpressung
von 300 N/cm2 bis etwa 550 N/cm2 jene
3 Ω bis
10 Ω bei
einer ISO 14443 A/B Spule erreicht, die für eine kontaktlose Kommunikation
erforderlich sind. Die Antenne kann nicht nur auf drucktechnischem
Wege hergestellt werden. Ebenso kann sie als Drahtschlinge gelegt,
geätzt,
aufgedampft oder mit Transfertechnik übertragen werden.
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Bei
entsprechender geometrischer Gestaltung der Antennenanschlussflächen 9a und
mit einem geeigneten Anpressdruck, gegebenenfalls mit Ultraschallunterstützung werden
bei der Lamination die elektrisch leitenden Flächen 8, 9a und
ebenso die isolierend ausgebildeten Schichten 6, 11 miteinander
verbunden.
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In 6 ist
eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Personaldokuments 1 dargestellt.
Die Figur zeigt das Dokument schematisch im Schnitt im nicht kontaktierten
Zustand, wobei gegenüber
der zuvor beschriebenen Ausführung
eine zusätzliche
Polymerstruktur 12 auf der Oberfläche 11 des Substrats 10 im
Zwischenbereich der Antennenanschlussflächen 9a angeordnet
ist. Die Füllstruktur 12 geht
bei der der Auflaminierung der Chipfolie 2 mit der Trägerfolie 6 eine
Verbindung ein und führ
zu einer geringerer Druckbelastung des Chips 3.
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7a zeigt
ein Substrat 10 mit Antenne 9, die spiralig am
Rande des Substrats 10 aufgedruckt ist. Zur Vereinfachung
sind nur drei Windungen (nicht maßstäblich) gezeichnet. Hierbei
wird zunächst
die Leiterbahn hergestellt. Um den IC kontaktieren zu können wird üblicherweise
eines der Enden der Leiterbahn nach innen herausgeführt, wobei
zuvor ein Isolator aufgebracht werden muss, um eine Kurzschluss
durch die sich kreuzenden Leiterbahnen zu vermeiden. Bei dem erfindungsgemäßen Personaldokument
werden zwei Antennenanschlussflächen 9a als
Kontakt von der Leiterbahn zur Strukturseite des IC hergestellt,
wie es 7a zeigt. Auf diese Struktur
wird dann die Chipfolie 2 mit dem ausgedünnten Chip
gemäß 7b aufgebracht
und gebondet. Die durchgehende Leiterbahn der Antenne 9 läuft dabei
unter der Chipfolie 2 entlang. Damit kann ein Verfahrensschritt
bei der Herstellung des Personaldokuments eingespart werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
zeigt 8. Hierbei ist die Leitungsverbindung
der an den zusätzlichen Kontaktstellen 13 unterbrochenen
Leiterbahn in das Chipmodul 2 integriert, so dass unterhalb
des Chips keine Leiterbahn aufgedruckt werden muss. Der Nachteil,
zusätzlich
Kontaktstellen 13 vorsehen zu müssen wird dabei aufgewogen
durch den Vorteil einer Erhöhung
der Durchschlagfestigkeit und Verringerung des Kurzschlussrisikos.
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In
der polymeren Beschichtung des ICs sind Aussparungen für die zumindest
zwei Kontakte zum Anschluss der RFID-Antenne vorgesehen. Die Kontaktierung
erfolgt im Zuge der Laminierung, erfordert somit keinen Lötprozess,
der üblicherweise
eine Temperaturbelastung im Bereich über 240° bedeutet und ein entsprechend
lötbeständiges Substrat
erfordern würde.
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In 9 ist
der grundsätzliche
Mechanismus dargestellt, mit dem sich der auf Silizium basierende Chip
mit einem Polymer praktisch untrennbar zu einer Chipfolie verbinden
lässt,
so dass der Chip letztlich in einen Laminatverbund als integraler
Bestandteil eingebaut werden kann. Hierzu bedarf es eines Kopplungsreagens,
welches eine chemische Bindung sowohl zum Silizium des Chips als
auch zur umgebenden Polymermatrix eingehen kann. Geeignete, typischerweise
bifunktionale Moleküle
lassen sich allgemein in den molekularen Bestandteilen A-B-C darstellen,
wobei A eine chemisch funktionelle Gruppe ist, die bevorzugt mit
dem Halbleitermaterial der Chipoberfläche reagiert und B ein molekulares
Zwischenstück
(spacer) sowie C eine chemisch funktionelle, bevorzugt mit dem Polymer
reagierende Gruppe, bezeichnen. Wesentlich ist somit, dass innerhalb
eines Moleküls
funktionale Gruppierungen vorliegen, die selektiv mit kompatiblen
chemischen Gruppen beim Halbleiter bzw. der Polymermatrix reagieren.
Solche Moleküle,
die dieser Forderung genügen, sind
in der Tabelle I zusammengestellt. Ihnen ist gemeinsam, dass sie
auf einer Seite eine Silan- oder Alkoxysilanfunktionalität A aufweisen.
Des weiteren verfügen
sie über
Spacer B sowie eine weitere Funktionalität C, die selektiv ein Bindung
zum Polymer eingehen kann. Bei letzterer handelt es sich bevorzugt
um ein kovalente Bindung. Es können
aber auch Wasserstoff-Brückenbindungen
oder Van-der-Waals-Bindungen
sein. Das Kopplungsreagens hat die allgemeine Formel A3SiBnC, wobei die Funktionalitäten A, B
und C aus Tabelle I beliebig kombiniert sein können. Es können auch mehrere Spacer-Gruppen
B oder Funktionalitäten
A in einem Molekül
realisiert sein, bspw. in der Form A,A''A'''SIB'nB''mB'''i.
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Bevorzugt
werden die Polymere mittels lebender Polymerisation hergestellt,
so dass bei Kontakt mit der reaktiven Komponente C eine Verknüpfung mit
Polymerketten erfolgt. In anderer Ausführungsform kann das Kopplungsreagens
den Katalysator zur Anbindung an das Polymer auch intrinsisch in
sich tragen, wie dies im Beispiel der Spacer-Gruppe (CH2)n-NH- für
basenkatalysierte Reaktionen der Fall ist.
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Ein
dezidiertes Beispiel für
eine geeignete Kopplungsreaktion ist in
10 dargestellt.
Halbleiter wie Si lassen sich an der Oberfläche derart modifizieren, dass
OH-Gruppen zur Verfügung
stehen. Diese können mit
einem Tri-Methoxy-Epoxy-Siloxan ([1] in
10) unter
Abspaltung von Methanol zum Addukt [2] reagieren. Das Silizium ist
somit mit Epoxidgruppen oberflächenmodifiziert.
Das Addukt [2] wiederum reagiert mit Polymeren wie PET oder PC,
welche an der Oberfläche
Carboxylgruppen tragen, zum Addukt [3], womit der Si-Halbleiter
kovalent an die Polymermatrix gebunden ist. Carboxylgruppenmodifiziertes
PC ist aus dem Stand der Technik (bspw.
US 4959411 A ) bekannt.
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In
der beschriebenen Weise wird somit ein Personaldokument mit einem
Chip geschaffen, der einen integralen Bestandteil des Dokument bildet
und praktisch nicht mehr aus dem Dokumentenverbund gelöst werden
kann.
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- 1
- Personaldokument
- 2
- Chipfolie
- 3
- ausgedünnter Chip
- 3a
- Strukturseite
des Chips
- 3b
- Rückseite
des Chips
- 4
- IC-Pad-Anschluss
- 5
- Passivierungsschicht
- 6
- polymere
Trägerfolie
(Strukturseite des Chips)
- 7
- polymere
Trägerfolie
(Rückseite
des Chips)
- 8
- elektrisch
leitfähiges
Material
- 9
- Antenne
- 9a
- Antennenanschlussflächen
- 10
- Substrat
- 11
- polymere
Oberfläche
des Substrats
- 12
- polymere
Füllstruktur
- 13
- zusätzliche
Antennenkontakte
- 14
- Abdeckschicht