-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrisch leitenden Strukturen auf einem Substrat für einen elektronischen Datenträger, insbesondere für eine Chipkarte, mittels Laserstrahlung.
-
Bei den zu erzeugenden elektrisch leitenden Strukturen kann es sich um innen- oder außenliegende Leiterbahnen oder vollständige Leiterbahnlayouts, Kontaktbrücken, Kontaktflächen, Spulengeometrien für die Transpondertechnik und dergleichen handeln, welche zwei- oder dreidimensional auf einem Substrat ausgebildet werden, beispielsweise auf sogenannten Funktionsinletts oder Transponderinletts zur späteren Integration in den Chipkartenaufbau.
-
In der Chipkartentechnologie sind verschiedene Verfahren zur Erzeugung elektrisch leitender Strukturen bekannt. Beispielsweise können elektrische Leitstrukturen aus Silberleitpasten unter Verwendung von Drucksieben in der Drucktechnik oder aus Kupferfolien oder anderen metallischen Folien unter Verwendung von geeigneten Masken in der Ätztechnik realisiert werden. Auch die Drahtverlegetechnik ist bekannt, bei der z. B. Kupferdraht üblicherweise durch Thermoimpulsschweißen in der gewünschten Anordnung auf ein Substrat appliziert wird. Beim Thermoimpulsschweißen wird der Draht mittels eines Impulsschweißwerkzeugs auf das Trägersubstrat gedrückt und erhitzt, bis das Substratmaterial thermoplastisch aufschmilzt, so daß die Drahtkomponente haften bleibt. Gemäß einem anderen Verfahren, dem sogenannten Hot-Stamping-Verfahren, werden die elektrischen Leitstrukturen aus leitfähigen Prägefolien aus Kupfer, Aluminium oder Gold mittels geeignet geformten Prägestempeln ausgestanzt und auf das Substrat transferiert, gegebenenfalls auch gemeinsam mit einer zugehörigen Trägerfolie. Es ist insbesondere üblich, die elektrischen Leitstrukturen zunächst auf einem Substrat zu erzeugen und gemeinsam mit dem Substrat als Halbzeug in den Kartenaufbau zu integrieren.
-
Die Kontaktierung der elektrischen Leitstrukturen mit Funktionselementen der Chipkarte, insbesondere mit dem Chip selbst, erfolgt in einem späteren Schritt z. B. mittels Leitkleber, Wire-Bonding, Löten, Klemmen oder Durchkontaktierung.
-
Aus der
DE-102 03 144 A1 ist ein besonderes Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leiterbahnstrukturen in einer Leiterplattenanordnung bekannt, bei der die Leiterplatte aus einem speziellen Material besteht, welches durch lokale Laserbestrahlung elektrisch leitend gemacht wird. Als Beispiel für ein solches Material wird in der
JP-08195136 A ein Phenolharz mit darin dispergierten Kohlenstoffpartikeln genannt.
-
Ein anderes Verfahren, welches Laserenergie zur Erzeugung von elektrischen Leitstrukturen nutzt, wird in der
JP-2000031624 A beschrieben. Demnach wird ein Transfermaterial mit einer Beschichtung aus elektrisch leitfähigem Material in die Nähe der Oberfläche eines Substrats gebracht, auf dem die elektrischen Leitstrukturen erzeugt werden sollen. Laserenergie wird durch das Transfermaterial hindurch auf die elektrisch leitende Beschichtung fokussiert, wodurch der entsprechende Bereich der Beschichtung auf die gegenüberliegende Oberfläche des Substrats spritzt und dort haften bleibt. Durch kontinuierliches laterales Verlagern der Laserposition lassen sich entsprechende Leitstrukturen erzeugen. Diese Strukturen sind jedoch relativ dünn und empfindlich.
-
In derselben Weise erfolgt auch gemäß der Lehre der
EP 0 643 153 B1 der Transfer leitfähigen Materials von einem Trägermaterial durch Laserverdampfung und nachfolgender Kondensation auf der Substratoberfläche. Das auf diese Weise bekeimte Substrat wird anschließend in einem chemischreduktiven Bad metallisiert, so daß dickere und dementsprechend stabilere Leitstrukturen entstehen.
-
Zwar bieten die genannten Laserverfahren prozeßtechnische Vorteile insoweit, als die Laserenergie mit sehr hoher Präzision programmgesteuert werden kann und das Verfahren sehr flexibel ist bezüglich der zu erzeugenden Leitstrukturgeometrien. Diese Verfahren könnten darüber hinaus auch besonders vorteilhaft in der Chipkartenfertigung angewendet werden und zwar selbst an fertigen Karten mit bereits integrierten hochempfindlichen Funktionselementen. Jedoch sind die vorgeschriebenen Laserverfahren aufwendig, wenn stabile Leitstrukturen mit ausreichender Dicke erzeugt werden sollen.
-
Bekannt sind desweiteren Lösungen, die es gestatten, vorbereitete Leiterbahnstrukturen auf ein Substrat zu übertragen So ist aus der
DE 101 25 570 A1 ein Verfahren zum Aufbringen von Leiterbahnen auf ein Formteil aus Kunststoff unter Verwendung eines Lasers bekannt. Dabei wird ein Bauteil, auf dem sich eine Leiterbahnstruktur befindet, in Kontakt mit der Oberfläche des Formteils gebracht und anschließend von der gegenüberliegenden Seite des Formteils in einem Laserdurchstrahlverfahren erhitzt, wodurch das Bauteil auf dem Formteil fixiert wird. Aus der
DE 100 33 507 A1 ist weiter eine Vorrichtung zum Herstellen von elektrisch leitenden Strukturen durch Heißprägen einer mehrschichtigen Transferfolie bekannt. Die Folie wird dabei in Kontakt mit der Oberfläche eines Substrates in Gestalt eines flexiblen Trägers gebracht und durch einen Heißprägestempel mit Druck beaufschlagt. Aufgrund der Wärmeeinwirkung wird das Muster des Heißprägestempels auf den flexiblen Träger übertragen. Nachteil von beiden Lösungen ist, daß sie hinsichtlich der Gestaltung der Leiterbahnstruktur vergleichsweise unflexibel sind, da die Struktur vorab und unveränderbar festgelegt werden muß.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich stabile elektrische Leitstrukturen auf einem Substrat für einen elektronischen Datenträger, insbesondere für eine Chipkarte, mit hoher Präzision und Prozessflexibilität herstellen lassen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
-
Die Erfindung basiert auf der grundlegenden Idee, die elektrischen Leitstrukturen im sogenannten Laserdurchstrahlverfahren mit dem Substrat, auf dem die Strukturen fixiert werden sollen, fest zu verbinden. Beim Laserdurchstrahlverbinden werden die miteinander zu verbindenden Materialien in Kontakt gebracht und in einem thermischen Fügeverfahren in der Kontaktzone lokal miteinander verbunden, indem Laserenergie durch eines der beiden Materialien hindurch in die Kontaktzone gebracht wird.
-
Diese Technologie basiert auf einer exakten Prozesssteuerung und lässt sich daher relativ einfach und vollständig automatisieren, wodurch sie für steigende Anforderungen zukünftiger Multifunktion-Smart-Cards Bedeutung gewinnen kann. Bei hoher Prozess- und Qualitätssicherheit lassen sich durch Roboter gestützte Verfahrenstechnik filigrane Leitstrukturen erzeugen. Ein besonderer Vorteil der Laserdurchstrahlverbindungstechnik besteht darin, daß die Fixierenergie berührungslos von der Substratseite aus an die Verbindungsstelle gebracht wird und daß die Energie exakt dosierbar ist, so daß keine undefinierten Materialverschmelzungen und Verwerfungen an den Materialien auftreten. Als Laserquelle sind beispielsweise preiswerte Diodenlaser geeignet, insbesondere Laser mit einer Strahlungswellenlänge zwischen 800 nm und 1100 nm.
-
Voraussetzung für die Technologie des Laserdurchstrahlverbindens ist eine Anpassung der miteinander zu verbindenden sowie der von der Laserstrahlung durchdrungenen Materialien. Denn für die lasertechnische Verbindungung zweier Fügeteile ist es wesentlich, daß die miteinander zu verbindenden Grenzflächen unterschiedliche Laserstrahlungsdurchlässigkeit besitzen. Die eine Grenzfläche muss für die Laserstrahlung transparent und die andere Grenzfläche für die selbe Strahlung absorbierend sein. Bei optimaler Abstimmung der Spektraleigenschaften der Fügeteile dringt die Laserenergie durch das transparente Fügeteil hindurch und in das absorbierende Fügeteil mit einer Tiefenwirkung von 50 μm bis 300 μm ein – je nach eingebrachter Laserenergie und Absorptionsfähigkeit des Fügeteilmaterials. Darin wird die Laserenergie in Wärmeenergie umgewandelt und so der thermische Verbindungsprozeß ausgelöst.
-
In einem besonderen Fall des Laserdurchstrahlverbindens, dem Laserdurchstrahlschweißverfahren, entsteht durch die Umwandlung der Laserenergie in Wärmeenergie eine lokale Oberflächenschmelze. Durch diese Schmelze wird die anliegende Oberfläche des für die Laserstrahlung transparenten Fügeteils ebenfalls lokal mit einer Tiefenwirkung von lediglich etwa 20 mm bis 50 mm mit erwärmt und aufgeschmolzen. Beide Berührungsgrenzflächen, die unter leichtem Druck gegeneinander anliegen, werden auf diese Weise miteinander verschmolzen, so daß eine innige Materialverbindung entsteht, die lokal exakt begrenzt ist und flächig oder linienförmig oder punktförmig ausgebildet werden kann.
-
Die in der Kartentechnologie gängigen Kunststoffe wie PVC, ABS, PET, PC etc. sind nicht immer für das Laserdurchstrahlverbinden geeignet. Sie können aber durch den Einsatz entsprechender Additive oder durch geeignete Wahl ihrer Schichtdicken laserstrahlgeeignet adaptiert werden. So lassen sich beispielsweise transparente Kunststoffe, die in der Regel auch für die Laserstrahlung transparent sind, durch Zusatzstoffe laserabsorbierend machen, wenn dies wegen der speziellen Paarung mit der Grenzfläche eines angrenzenden laserstrahldurchlässigen Fügeteils notwendig ist. Die Entwicklung geeigneter Compounds zur Herstellung derartiger Kunststoffe stellt grundsätzlich kein Problem dar. Andererseits ist es möglich, die Schichtdicke eines Fügeteils, welches an sich aus einem für die Laserstrahlung absorbierenden Material besteht, so dünn zu wählen, daß die Laserstrahlung diese Schicht im wesentlichen ohne Energieverlust durchdringt und erst in der daran angrenzenden Schicht des entsprechend anderen Fügeteils absorbiert und in Wärme umgewandelt wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von elektrisch leitenden Strukturen auf einem Substrat für einen elektronischen Datenträger sieht dementsprechend vor, einen elektrisch leitfähigen Komplex, beispielsweise ein Transfermaterial mit metallischer Beschichtung und thermisch aktivierbarer Haftschicht, mit einer Oberfläche des Substrats in Kontakt zu bringen und mittels durch das Substrat hindurchgestrahlter Laserstrahlung auf der Substratoberfläche zu fixieren. Die Laserstrahlung wird entsprechend so fokussiert und geführt, daß sich zumindest ein Teil des elektrisch leitfähigen Komplexes mit der Oberfläche des Substrats verbindet und die gewünschten elektrisch leitenden Strukturen bildet.
-
Mit dem Substrat unmittelbar verbunden wird dabei nicht das die elektrisch leitenden Strukturen bildende elektrisch leitfähige Material des elektrisch leitfähigen Komplexes, sondern ein anderer Bestandteil des elektrisch leitfähigen Komplexes, mit dem das die elektrisch leitenden Strukturen bildende elektrisch leitfähige Material in irgendeiner Weise verbunden ist. Im Falle eines einfachen Transfermaterials wird das die elektrisch leitenden Strukturen bildende Material zusammen mit einer thermisch aktivierbaren Haftschicht auf die Substratoberfläche übertragen, wobei es die Haftschicht ist, welche sich mit dem Substratmaterial verbindet. Dies bietet den Vorteil, daß die Dicke der elektrisch leitenden Strukturen und damit ihre Stabilität bequem einstellbar ist.
-
Erfindungsgemäß besitzt der elektrisch leitfähige Komplex die Form eines mehrschichtigen Transfermaterials, das eine Trägerschicht und eine thermisch aktivierbare Trennschicht zwischen der Trägerschicht und dem elektrisch leitfähigen Material besitzt. Die thermisch aktivierbare Schicht, beispielsweise ein Wachs, wird mittels einer geeigneten Heizvorrichtung erwärmt, damit sich die auf dem Substrat im Laserdurchstrahlverfahren fixierten elektrisch leitenden Strukturen leicht von der Trägerschicht trennen lassen. Die Heizstation kann eine einfache beheizte Andruckrolle oder wiederum ein Laser sein, wobei im letzteren Fall die Trägerschicht des Transfermaterials vorzugsweise durchlässig ist für die Strahlung des Lasers, so daß die Trennschicht mit hoher lokaler Präzision erwärmt und erweicht werden kann.
-
Nachfolgend wir die Erfindung in Bezug auf besondere Ausführungsformen anhand der begleitenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Darin zeigen:
-
1 ein Laserdurchstrahlverbindungsverfahren, bei dem der elektrisch leitfähige Komplex als Transferband vorliegt,
-
2 eine erste Vorrichtung zum Laserdurchstrahlverbinden der Komponenten aus 1,
-
3 ein zweites Ausführungsbeispiel zum Laserdurchstrahlverbinden der Komponenten aus 1, und
-
4 eine perspektivische Ansicht zu 2 mit verschiedenen Layout-Konfigurationen,
-
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur Laserdurchstrahlverschweißung zweier Komponenten, wobei die erste Komponente durch ein Substrat 1 gebildet wird, welches beispielsweise eine Kartenschicht oder ein Funktion- oder Transponderinlett für eine Chipkarte sein kann. Bei der anderen Komponente handelt es sich um einen elektrisch leitfähigen Komplex 2, der bei diesem Ausführungsbeispiel als mehrschichtiges Transfermaterial, insbesondere Transferband, vorliegt. Das Transferband 2 umfaßt eine laserdurchlässige Trägerschicht 3, eine thermisch aktivierbare Trennschicht 4, eine laserabsorbierende, elektrisch leitfähige Schicht 5, aus welcher die zu erzeugenden elektrisch leitenden Strukturen separiert und auf das Substrat 1 übertragen werden, und eine Haftschicht 6, die mit den elektrisch leitenden Strukturen auf das Substrat 1 zumindest partiell übertragen wird. Das Substrat 1 kann im Einzelkartenformat oder im Mehrnutzenformat bearbeitet werden. Es kann als Bogenfolie oder Rollenware vorkonfektioniert sein.
-
Die Laserbestrahlung eines ersten Lasers 7 durchstrahlt das Substrat 1 von einer dem Transferband 2 gegenüberliegenden Seite des Substrats 1, welches für diese Laserstrahlung durchlässig ist. Die Strahlung trifft dann auf die Haftschicht 6, welche zuvor mit der Oberfläche 8 des Substrats 1 in Kontakt gebracht wurde. Die Haftschicht 6 ist für die Laserstrahlung absorbierend, wodurch sich die Haftschicht 6 erwärmt und mit dem Material des Substrats 1 verbindet. Eine ideale Verbindung ergibt sich, wenn beide Materialien miteinander verschmelzen (Laserdurchstrahlschweißverbindung), beispielsweise wenn sowohl die Haftschicht 6 als auch das Substrat 1 aus thermoplastischem Kunststoff mit in etwa der gleichen Schmelztemperatur vorliegen. Es ist aber auch denkbar, die Haftschicht 6 als Schmelzkleberschicht auszubilden, die durch die Erwärmung lediglich erweicht und an der Oberfläche 8 des Substrats 1 haftet, ohne damit zu verschmelzen. Auch dies fällt im Sinne der vorliegenden Erfindung unter den Begriff der Laserdurchstrahlverbindung. Handelt es sich bei der Haftschicht 6 um einen Schmelzkleber, so kann auch dieser für die Laserstrahlung ausnahmsweise durchlässig sein. Dann wird die Laserstrahlung erst von der angrenzenden leitfähigen Schicht 5 absorbiert, so daß sich diese lokal erwärmt, einschließlich des daran unmittelbar angrenzenden Bereichs der Haftschicht 6, wodurch dieser angrenzende Bereich thermisch aktiviert wird.
-
Bei der elektrisch leitfähigen Schicht 5 des Transferbands 2 kann es sich um eine Kupfer-, Aluminium- oder Goldfolie handeln, um eine aufgedampfte Schicht, gedruckte Silberschicht und dergleichen. Durch die Verbindung der Haftschicht 6 des Transferbands 2 mit der Oberfläche 8 des Substrats 1 haftet auch die leitfähige Schicht 5 lokal an dem Substrat 1. Damit sich die leitfähige Schicht 5 von der Trägerschicht 3 des Transferbands 2, welche beispielsweise eine 16 μm dicke PET-Trägerfolie sein kann, ohne weiteres trennt, ist zwischen der Trägerschicht 3 und der leitfähigen Schicht 5 die thermisch aktivierbare Trennschicht 4 vorgesehen, bei der es sich beispielsweise um einen durch Erwärmung erweichbaren wachshaltigen Lack handeln kann. Die thermische Aktivierung bzw. Erweichung der Trennschicht 4 wird in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines zweiten Lasers 9 realisiert, der aus Gründen der Prozeßsteuerungsoptimierung vorzugsweise exakt gegenüber dem ersten Laser 7 angeordnet ist. Die Laserstrahlung des zweiten Lasers 9 durchdringt die laserdurchlässige Trägerschicht 3 und erweicht die Trennschicht 4. Das hat zur Folge, daß an der beidseitig laserbestrahlten Stelle die leitfähige Schicht 5 einerseits über die Haftschicht 6 mit der Oberfläche 8 des Substrats 1 verbunden wird und sich andererseits aufgrund der erweichten Trennschicht 4 von der Trägerschicht 3 leicht ablösen läßt. Beim Entfernen des Transferbands 2 von der Oberfläche 8 des Substrats 1 wird daher lediglich dieser lokale Teil der leitfähigen Schicht 5 auf der Oberfläche 8 des Substrats 1 zurückbleiben und die gewünschten elektrischen Leitstrukturen bilden. Es werden dadurch in einem Arbeitsschritt elektrisch leitende Strukturen aus der leitfähigen Schicht 5 des mehrschichtigen Transferbands 2 selektiert, auf die Oberfläche 8 des Substrats 1 transferiert und dort gleichzeitig fixiert.
-
In 2 ist das Verfahrensprinzip schematisch an einer Gesamtvorrichtung dargestellt. Das Transferband 2 wird von einer Vorratsrolle 10 abgespult und mit der Oberfläche 8 des Substrats 1 in Kontakt gebracht. Nach erfolgtem Transfer der elektrisch leitenden Strukturen wird der Rest des Transferbands 2 auf eine Spule 11 aufgespult. Die Laser 7 und 9 sind programmgesteuert in einer Ebene x, y parallel zur Aufnahmeebene des Substrats 1 verlagerbar, wodurch eine hohe Prozeßflexibilität erreicht wird. Zusätzlich ist die Fokussierung zumindest des unteren Lasers 7, mit dem die Laserdurchstrahlverbindung realisiert wird, in einer Richtung z senkrecht zur Aufnahmeebene des Substrats 1 veränderbar, um einer dreidimensionalen Kontur der Oberfläche 8 folgen zu können.
-
Anstelle des zweiten Lasers 9 kann auch ein beheiztes Andruckwerkzeug, insbesondere eine beheizte Andruckrolle 12, eingesetzt werden, wie in 3 gezeigt. Vorzugsweise ist die beheizte Andruckrolle 12 wiederum unmittelbar gegenüber dem Laser 7 angeordnet, wodurch sowohl die thermische Erweichung der Trennschicht 4 als auch ein Andrücken des Transferbands 2 gegen das Substrat 1 erreicht wird. Anstelle der beheizten Andruckrolle kann auch ein anderes beheiztes Andruckwerkzeug eingesetzt werden, beispielsweise eine beheizte Andruckplatte. Das Andruckwerkzeug kann auf eine geringe Minimaltemperatur aufgeheizt werden, die lediglich die Trennwirkung der Trennschicht 4 auslöst, so daß auch bei dieser Ausführungsform keine übermäßigen thermischen Belastungen auftreten, die ansonsten beispielsweise zu thermischem Verzug am Kartensubstrat führen könnten.
-
Auf die Heizeinrichtung, d. h. den Laser 9 oder das Andruckwerkzeug 12, kann unter Umständen auch ganz verzichtet und nur mit dem ersten Laser 7 gearbeitet werden, der dann gleichzeitig den Verschmelzungsprozess mit der Haftschicht 6 als auch den Trennprozess der Trennschicht 4 steuert (1). Dies ist bei entsprechender Temperaturabstimmung der Wachsschmelze der Haftschicht 6 und der Durchdringungstemperatur der Laserenergie durch die leitfähige Schicht 5 hindurch möglich.
-
4 zeigt das Verfahrensprinzip aus 2 perspektivisch in weiterem Detail am Beispiel unterschiedlicher Layoutkonfigurationen. So wird im linken Bildbereich eine Spulengeometrie aus der leitfähigen Schicht 5 selektiert und auf die Oberfläche 8 des Substrats 1 übertragen, während im rechten Bildbereich ein vollständiges Schaltungslayout 14 einschließlich Kontaktflächen aus der leitfähigen Schicht 5 selektiert und auf die Oberfläche 8 des Substrats 1 übertragen wird. Das Substrat 1 kann anschließend beispielsweise als Karteninlett verwendet werden.
-
4 zeigt darüberhinaus eine besondere Variante zur Ausbildung der leitfähigen Schicht 5. Demnach ist die leitfähige Schicht 5 abhängig von der Art und Ausdehnung der zu erzeugenden elektrisch leitenden Strukturen lediglich partiell auf der Trägerschicht 3 vorgesehen, z. B. im Siebdruckverfahren, wodurch das Transferband 2 leichter, insbesondere in aufgewickelter Form weniger voluminös und im Endeffekt preiswerter ist.
-
Selbstverständlich kann mit dem beschriebenen Verfahren sowie mit den nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren auch ein Layout erzeugt werden, welches rein graphischen oder zumindest auch graphischen Zwecken dient.
-
Ohne über den grundlegenden Gedanken hinauszugehen, gestattet die Erfindung im Rahmen des vorbeschriebenen eine Reihe von weiteren Ausgestaltungen. So kann etwa die Erzeugung der elektrischen Leitstrukturen auch unter Nutzung der Spritzgusstechnik erfolgen.
