Die Erfindung betrifft tragbare Datenträger mit einer elektronischen Schal- tung und einer Ferritschicht zur Beeinflussung von auf die elektronische

Schaltung wirkenden elektromagnetischen Feldern. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf ressourcenbeschränkte tragbare Datenträger mit einer über induktive Kopplung arbeitenden Datenkommunikationseinrichtung. Tragbare Datenträger im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere kleinbauende, kartenf örmige Datenträger in Form von Speicher- oder IC- karten, wie Speicherkarten vom Typ micro Secure Digital (micro SD), Compact Flash, Micro Drive, Memory Stick, Secure Digital Card, Multimedia Card, xD-Picture Card oder Smart Media Card, Chipkarten oder SIM-Karten. Derartige Datenträger sind aufgrund ihrer vorgegebenen baulichen Kleinheit ressourcenbeschränkt und besitzen regelmäßig keine eigene Nutzerschnittstelle.

Es ist bekannt, tragbare Datenträger der genannten Art mit einer induktiv koppelnden, kontaktlosen Datenkommunikationseinrichtung auszustatten, die zur Datenübertragung eine Antennenspule umfassen. Eine solche induktiv koppelnde Datenkommunikationseinrichtung kann beispielsweise eine RFID-Transpondereinheit sein oder eine Kommunikationseinheit zur Nachfeldkommunikation gemäß dem NFC-Standard (Near Field Communicati- on). Grundlagen dieser Korrununikationseinrichtungen und Anwendungen in tragbaren Datenträgern sind u.a. in dem RFID-Handbuch, 5. Auflage von K. Finkenzeller, Hanser Verlag München, beschrieben.

Die Funktionsfähigkeit von tragbaren Datenträgern mit induktiv koppelnder Datenkommunikationseinrichtung wird häufig beeinträchtigt, wenn sie - bestimmungsgemäß - in ein Nutzerendgerät, insbesondere Nutzerendgeräte zur Mobilkommunikation wie Handys, Smartbooks, Netbooks oder Notebooks, eingesetzt werden. Durch metallische Komponenten in den Nutzerendgeräten, z.B. Batterieanordnungen oder metallische Gehäuse, kommt es dann zu einer Schwächung der mit der elektronischen Schaltung auf dem Datenträger wechselwirkenden elektromagnetischen Felder.

Um solchen Schwächungen entgegenzuwirken wird in dem genannten RFID-Handbuch von K. Finkenzeller vorgeschlagen, zwischen einer Metallfläche und einer Antennenspule eine Ferritschicht anzubringen, die die Ab- Schwächung des elektromagnetischen Feldes unterbindet. Gemäß RFID- Handbuch sind die wesentlichen Charakteristiken von Ferriten, dass sie einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen, der je nach Werkstoff 1 bis 10 ⁶ Ωπι beträgt, gegenüber 10 bis 10 ⁵ ΩΙΏ bis 10 bis 10 ⁴ Qrn bei Metallen. Infolgedessen sind Wirbelstromverluste klein. Gleichzeitig besit- zen Ferrite eine hohe relative Permeabilität, die bis in eine Größenordnung von μ _Γ = 2000 reichen kann. Am Markt verfügbare Ferritfolien weisen im Frequenzbereich um 1356 MHz typischerweise eine relative Permeabilität μ _Γ von 5 bis 200 auf. Die relative Permeabilität μ _Γ ist eine Materialkonstante, die charakterisiert, wie sich die magnetische Flussdichte B im Raumbereich des Materials ändert, wenn man das Material in ein Magnetfeld der magnetischen Feldstärke H einbringt.

Für tragbare Datenträger wurde ausgehend der vorstehend erwähnten Erkenntnisse vorgeschlagen, diese mit einer oder ggf. auch mehreren Ferrit- schichten zu versehen, die die Antennenspule tragende Schicht unterlegt oder, bei mehreren Ferritschichten, die die elektronische Schaltung einschließlich der Antennenspule sandwichen. Die Ferritschichten bewirken, dass ein ressourcenbeschränkter tragbarer Datenträger mit einer antennenbasierten induktiv koppelnden Datenkommunikationseinrichtung auch dann stabil und über eine hinreichende Reichweite mit einem Lesegerät kommunizieren kann, wenn er in ein Nutzerend gerät eingesetzt wurde.

Die zusätzlichen Ferritschichten beanspruchen allerdings einen Teil des Vo- lumens des tragbaren Datenträgers, das damit für andere Zwecke nicht mehr zur Verfügung steht. Da die äußeren Abmessungen von tragbaren Datenträgern regelmäßig mit sehr kleinen Werten fest vorgegeben und praktisch nicht veränderbar sind, kann das Einbringen einer oder mehrerer zusätzlicher Ferritschichten dazu führen, dass andere Komponenten des tragbaren Datenträgers verkleinert werden müssen. Der damit einhergehende Aufwand kann beträchtlich sein.

Aus der JP 2006 140 670 A ist es bekannt zur Herstellung einer mit einem IC zu verbindenden Antennenstruktur für ein IC-Tag eine Papierträgerschicht mit einer elektrisch leitfähigen Farbe zu beschichten. Anschließend wird durch Wärmeeintrag mittels eines Lasers ein Teil der leitfähigen Farbe wieder entfernt, so dass nur die Antennenstruktur auf dem Trägerpapier verbleibt. Aus der DE 43 01 570 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Induktionsspule für den Einbau in einen Chip bekannt. Als Trägermaterial dient bei diesem Verfahren eine Ferritschicht. Darauf wird eine Leiterschicht aufgebracht, aus der anschließend durch Entfernen von nicht benötigtem Leitermaterials mittels Laserlichtes die Induktionsspule herausgeformt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Weg für eine möglichst platzsparende Ausbildung einer Ferritschicht in einem tragbaren Datenträger aufzuzeigen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Anspruch 7. Erfindungsgemäß wird die Leiterbahnstruktur nicht als separate Anordnung sondern unmittelbar in der Ferritschicht aus- gebildet. Dies hat den Vorteil, dass zumindest eine separate Schicht mit einer Leiterbahnstruktur entfällt und in einem tragbaren Datenträger entsprechend mehr Bauraum für andere Komponenten zur Verfügung steht. Wird zusätzlich Bauraum nicht benötigt, kann alternativ in vorteilhafter Weise die Dicke eines tragbaren Datenträgers verringert werden.

Infolge des Wegfalls einer gesonderten Schicht für eine Leiterbahnstruktur entfallen zumindest in manchen Ausgestaltungen der Erfindung sonst notwendige Durchkontaktierungen, so dass sich die Herstellung eines tragbaren Datenträgers insgesamt vereinfacht.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich auch dadurch aus, dass insbesondere eine Leiterbahnstruktur mit der Funktion einer Antenne sehr einfach und kostengünstig herstellbar ist. Im Unterschied zu den sonst üblichen Verfahren ist weder ein besonderer Verlegeschritt noch ein Druck- schritt noch ein Ätzschritt erforderlich. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass es zumindest bei manchen tragbaren Datenträgern möglich wird, die gesamte Grundfläche für die Ausbildung insbesondere einer Antenne zu nutzen, einschließlich solcher Bereiche, die z.B. für vergleichsweise große Schnittstellenkontakte reserviert sind, so dass hier beispielsweise für die Plazierung einer verlegten Drahtantenne bislang kein Raum war. Dies gilt etwa für Datenträger im micro-SD-Format, deren eine Stirnseite für Kontaktflächen reserviert ist. Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. l eine Schrägaufsicht auf eine Leiterbahnanordnung mit der Kontur eines tragbaren Datenträgers,

Fig. 2 einen Schnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Leiterbahnanordnung entlang der Linie A-A,

Fig. 3 eine Veranschaulichung der durch Lasereinwirkung erzeugten Strukturveränderung in der Ferritschicht, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen tragbaren Datenträger, der mit einer Leiterbahnanordnung nach Fig. 1 ausgestattet ist.

Fig. 1 zeigt eine Leiterbahnanordnung 10 bestehend aus einem flächigen Träger 1 in Gestalt eines aus einer Ferritschicht ausgelösten Formstücks, in den an einer Oberseite 3 eine Leiterbahnstruktur 2 sowie an einigen Stellen zur Rückseite 4 führende Durchkontaktierungen 5 ausgebildet sind. Flächig bezeichnet einen Körper, bei dem das Verhältnis von Ober- bzw. Rücksei- tenoberfläche zur Querschnittsfläche so groß ist, daß Ober- und Rückseite das Erscheinungsbild des Körpers dominieren.

Alle in den Figuren dargestellten geometrischen Verhältnisse sind zudem nicht maßstabsgerecht, sondern wurden im Sinne einer guten Veranschaulichung gewählt. Die Leiterbahnstxuktur 2 besitzt in üblicher Weise ein Layout, das auf die Verwendung bzw. die Funktion der Leiterbahnstruktur 2 abgestimmt ist oder sich daraus ergibt. In einer bevorzugten Anwendung bildet sie, wie in Fig. 1 angedeutet, eine Antennenspule, die Teil einer induktiv koppelnden Kommunikationseinrichtung ist und zum kontaktlosen Austausch von Signalen mit einem - nicht gezeigten - Lesegerät dient. In anderen Gestaltungen kann die Leiterbahnstruktur 2 zum Beispiel aus mehreren unabhängigen, jeweils in Durchkontaktierungen 5 endenden Verbindungen oder Verbindungslayouts bestehen, die zusammen mit einer - nicht gezeigten - weiteren Leiterbahnschicht Leiterbahnkreuzungen realisieren.

Der in Fig. 1 gezeigte Träger 1 besitzt andeutungsweise dieselbe Kontur wie ein Datenträger, in den er später eingebaut wird. Fig. 1 zeigt den Träger 1 in einem einbaufertigen oder zumindest weiterverarbeitungsfähigen Zustand. Selbstverständlich kann der Träger 1 aber auch eine andere Kontur besitzen als der tragbare Datenträger, in dem er später eingesetzt wird. Insbesondere kann der Träger eine kleinere Fläche aufweisen als der spätere tragbare Datenträger und dann beispielsweise rund, sternförmig oder auch ringförmig ausgebildet sein. Die Fläche des Trägers 1 kann auch größer sein als die Grundfläche des späteren tragbaren Datenträgers, wenn z.B. vorgesehen ist, die Randbereiche des Trägers 1 etwa rechtwinklig umzuklappen, um den Träger wannenartig mit U-f örmigem Querschnitt zu gestalten.

Die Durchkontaktierungen 5 sind optional. An ihre Stelle können auch Kon- taktflächen treten, über die eine Kontaktierung von der Oberseite 3 des Trägers 1 her erfolgt. Sie können auch ganz entfallen.

Der Träger 1 basiert auf einer handelsüblichen Ferritfolie, vorzugsweise ist er ein Stück aus einer Ferritfolie, aus der er z.B. durch Stanzen oder Schnei- den in seine Weiterverarbeitungs- oder Endform gebracht und herausgetrennt wird. Entsprechende Ferritfolien sind z.B. von der Firma HITACHI (http://hitachi metals.co.jp) unter der Bezeichnung„FM-Shield MF-F/MF- FR Series" oder von der Firma NEC TOKIN (www: / / nec-tokin.com) unter der Bezeichnung„Lex Suppressor") oder von den Anbietern TTK, APSON, NEC oder EPCOS, in letzterem Fall beispielsweise unter der Bezeichnung „EPC-Folienreihe Flexield" erhältlich. Sie bestehen typischerweise aus Kunststoff, in das Ferritpartikel eingearbeitet sind. Das Trägermaterial ist grundsätzlich nicht elektrisch leitend. Es besitzt einen Widerstand von 10 Qm/ cm. Die Stärke der Ferritfolie liegt typischerweise zwischen 10 und 100 μπι, wobei auch größere Stärken von z.B. 300 μηη möglich sind, während Dicken von deutlich weniger als ΙΟμιτι nur mit einigem Aufwand erzielbar sind. Der Träger 1 kann auch eine Schichtstruktur besitzen, in der zumindest eine Außenschicht als Ferritschicht ausgeführt ist. Für die nachfolgende Beschreibung wird aber stets davon ausgegangen, daß der Träger 1 ein Stück einer Ferritfolie ist. Er weist entsprechend deren Dicke von typischerweise 10 bis 100 μιη auf.

Die Ferritfolie wird typischerweise auf einer - nicht gezeigten - klebenden Grundfolie bereitgestellt; diese kann zu einem späteren Zeitpunkt entfernt werden. Es ist ferner selbstverständlich auch möglich den Träger 1 als mehrschichtigen Körper bereitzustellen, wobei zumindest einer der äußeren Schichten eine Ferritschicht ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A durch den in Fig. 1 gezeigten Träger. An der Oberseite 3 ist in dem Trägermaterial die Leiterbahnstruktur 2 ausgebildet, wobei die Querschnitte 2q der einzelnen Leiterbah- nen sich von der Oberfläche des Trägers 1 bis zu einer Tiefe T in das Trägermaterial hinein erstrecken ohne es bis zur Rückseite 4 zu durchdringen. Die Leiterbahnen besitzen einen elektrischen Widerstand, der insbesondere von ihrer Breite abhängt. Für Leiterbahnen mit einer Breite von 3 mm wurden in Versuchen Widerstandswerte von 2 Ω/cm ermittelt. Die Durchkontaktie- rungen 5 können, wie in Fig. 2 angedeutet, einfach als von der Oberseite 3 zur Unterseite 4 des Trägers 1 über die gesamte Dicke h des Trägers 1 durchgezogene Leiterbahnquerschnitte 5q realisiert sein. Alternativ können Durchbrüche erzeugt werden, deren vertikale Wandungen von demselben leitfähigen Material gebildet werden, das die gesamte Leiterbahnstruktur 2 bildet. Die Durchbrüche sind dann zweckmäßig mit besonders leitfähigem Material aufgefüllt, etwa mit Silberleitpaste.

Die Herstellung der Leiterbahnstruktur 2 erfolgt unmittelbar in der den Trä- ger 1 bildenden Ferritschicht, indem der Träger 1 mit Laser Strahlung beaufschlagt wird. Eingesetzt werden kann beispielsweise eine Y AG-Laser diode mit einer Wellenlänge von z.B. 1064 Nanometer und einer Laserleistung von 33 W. Eingesetzt werden kann ebenso ein UV-Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer Laserleistung von 2W bei einer Linse mit ei- ner Brennweite von F=100mm sowie einer 10-fachen Strahlaufweitung.

Zweckmäßig werden dabei 75% der maximalen UV-Laserleistung, d.h. z.B. etwa 1,5 W bei einem UV-Laser der Leistungsklasse 2 W, bei einer Laserpulsfrequenz von 30 kHz und einer Bewegungsgeschwindigkeit von 550 mm/ s eingestellt.

Der Laserstrahl wird auf Bahnen gemäß dem gewünschten Leiterbahnlayout über den Träger 1 geführt. Bei richtig abgestimmten Laserparametern bewirkt die Lasereinstrahlung in dem Träger 1 eine Strukturveränderung des Trägermaterials, das dadurch - überraschend - elektrisch leitfähig wird. Wird die Laserleistung zu hoch gewählt verdampft das Trägermaterial und der Effekt der Strukturveränderung tritt nicht oder allenfalls vermindert ein.Ein Erklärungsmodell für die Strukturveränderung, die in Fig. 3 veranschaulicht ist, geht davon aus, dass das Trägermaterial, mithin die den Trä- ger 1 bildende Ferritfolie, aus einem Kunststoff besteht, in dem an sich leitende Ferritkerne 11 so angeordnet sind, dass sie jeweils von Kunststoffhüllen 12 umgeben und dadurch elektrisch isoliert sind. Gemäß dem Modell werden diese die Ferritkerne 11 umgebenden Kunststoffhüllen 12 durch die Laserstrahlung entfernt und die Ferritkerne dadurch zusammengeschweißt. Das Trägermaterial wird hierbei in dem Bereich, in dem der Laser in das Material eindringt, gesintert.

Die Laserstrahlung wird so über den Träger 1 geführt, daß eine Strukturveränderung nahe der Oberseite 3 bis zu einer Tiefe T eintritt. In einer Gestaltungsvariante können auf einem Träger 1 dann auch beidseitig, d.h. an Ober- und an Unterseite Leiterbahnstrukturen 2 angelegt werden.

Ann Stellen, an denen das Layout Durchkontaktierungen 5 vorsieht, wird die Laserstrahlung so geführt, daß die bewirkte Strukturveränderung sich von der Oberseite 3 bis zur Unterseite 4 erstreckt. In einer Variante können für Durchkontaktierungen 5 an den davor vorgesehenen Orten Durchbrüche durch den Träger 1 erzeugt werden. Die Laserstrahlung wird an solchen Durchbrüchen vorzugsweise so geführt, daß die Wandungen solcher Durchbrüche ebenfalls strukturverändert und damit leitfähig werden. Die fertige Leiterbahnanordnung 10 wird in einer bevorzugten Anwendung mit weiteren Schichten zu einem Inlett verbunden, das anschließend den Kern eines tragbaren Datenträgers bildet. Fig. 4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen möglichen Aufbau eines solchen Inletts. Es umfasst unterseitig eine Leiterbahnanordnung 10 wie vorstehend beschrieben, dar- über zwei Elektronikschichten 20, 30 sowie darüber eine Ferritschicht 40. Die einzelnen Schichten 10 bis 40 sind z.B. durch Laminieren oder Verkleben miteinander verbunden. Die Elektronikschichten 20, 30 tragen jeweils elektronische Bauelemente und/ oder Leiterbahnen und formen zusammen mit der Leiterbahnanordnung 10 eine elektronische Schaltung. Beispielsweise kann die Leiterbahnstruktur 2 eine Antenne bilden und die elektronische Schicht 20 z.B. einen ggf. über Leiterbahnelemente 24 mit der Antenne verbundenen IC 21 enthal- ten, so daß beide zusammen eine Transponderanordnung bilden. In der zweiten elektronischen Schicht 30 kann beispielsweise eine Massenspei- cheranordnung 22 ausgebildet sein oder sie kann eine weitere Leiterbahnstruktur zur Verbindung von in der Schicht 20 untergebrachten Bauelementen 23 enthalten. Die zweite Ferritschicht 40 fungiert als Dämpfungsschicht und verbessert den Wirkungsgrad der mit Hilfe der Leiter bahnanordnung 10 gebildeten induktiv koppelnden Kommunikationseinrichtung. Die zweite Ferritschicht 40 ist optional.

Der in Fig. 4 veranschaulichte Musteraufbau ist in jeder Beziehung nur bei- spielhaft zu verstehen. Anzahl, Gestaltung, Bestückung und Art von weiteren Schichten, mit denen die Leiterbahnanordnung 10 verbunden wird, können in einem weiten Rahmen variiert werden. Die Gestaltungsfreiheit ist dabei in der Regel vor allem durch die für den Datenträger gegebenen baulichen Vorgaben beschränkt. Ohne weiteres ist es insbesondere möglich, auch unterhalb der Leiterbahnanordnung 10 Schichten vorzusehen. Die Leiterbahnanordnung 10 kann auch umgekehrt eingebaut sein, so dass die Leiterbahnstruktur 2 nach außen zeigt. In diesem Fall muss die Verbindung zu den elektronischen Schichten 20, 30 über Durchkontaktierungen 5 erfolgen, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Basierend auf dem Grundgedanken, nämlich der Ausbildung einer Leiterbahnstruktur unmittelbar in einer Ferritschicht durch Anwendung von Laserstrahlung gestattet die Erfindung weitere Anwendungen und Ausgestal- hingen. So ist der Einsatz erfindungsgemäßer Leiterbahnanordnungen nicht auf ressourcenbeschränkte tragbare Datenträger beschränkt sondern grundsätzlich stets dann möglich, wenn sowohl eine Ferritschicht wie eine Leiterbahnstruktur ausgebildet werden sollen.