[0001] Die Erfindung betrifft eine Kontaktfeder zum Kontaktieren von elektrisch zu kontaktierenden
Bauteilen mit einem kontaktseitigen Ende zum elektrischen Kontaktieren mit dem Bauteil
und einem verbindungsseitigen Ende zum Verbinden der Kontaktfeder mit dem Bauteil.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontaktfeder aus einem elastischen
Substratmaterial besteht, oder dieses enthält, das von einer isolierenden Diamantschicht
umschlossen ist. Die isolierende Diamantschicht ist dabei im Bereich des kontaktseitigen
Endes und im Bereich des verbindungsseitigen Endes bis zum Substratmaterial zumindest
kontaktseitig entfernt. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer derartigen
Kontaktfeder in einem Kartenlesegerät zur Kontaktierung von Chipkarten.
[0002] Kontaktfedern zum Kontaktieren von Strukturen bzw. elektrischen Bauteilen sind bekannt.
[0003] So beschreibt die
DE 102 01 491 C1 ein Messspitzensystem zum Kontaktieren von Strukturen, das aus einem elektrisch leitfähigen
Finger besteht, der ein kontaktseitiges Ende zum Kontakt mit der Struktur und ein
Ende zum Verbinden mit mindestens einem Leiter aufweist. Der mindestens eine Finger
ist dabei im Bereich des kontaktseitigen Endes ausschließlich aus leitfähigem Diamant
gebildet, oder aber der mindestens eine Finger ist im Bereich des kontaktseitigen
Endes ausschließlich aus isolierendem Diamant gebildet, wobei dann aber für diese
Ausführungsform auf dessen Oberfläche eine leitfähige Diamantschicht und/oder eine
Metallisierungsschicht aufgebracht ist.
[0004] Ein derartiges Messspitzensystem wird dabei insbesondere zum Testen von beispielsweise
auf Wafern hergestellten integrierten, elektronischen Schaltungen und/oder elektronischen
Einzelbauteilen auf deren Funktionsfähigkeit und/oder Zuverlässigkeit eingesetzt.
[0005] Nachteilig ist dabei, dass das Messspitzensystem vollständig aus Diamant aufgebaut
und damit teuer in der Herstellung ist. Damit ist auch der Anwendungsbereich auf Messspitzen
mit kleinsten Abmessungen aus Kostengründen limitiert. Derartige Messspitzensysteme
sind allerdings für Anwendungen im Bereich der sicherheitsrelevanten Signalübertragung,
wie beispielsweise in einem Chipkartenlesegerät nicht geeignet, da grundsätzlich die
nach außen gerichtete Oberfläche leitfähig ist. Deshalb kann die leitfähige Schicht
von aussen sehr leicht elektrisch kontaktiert werden, so dass es zu einem Auslesen
und auch zu einer Manipulation von sicherheitsrelevanten Daten kommen kann.
[0006] Aus der
WO 2010/136001 A1 ist ein manipulationsgeschützter Kartenleser bekannt. Bei diesem Kartenleser soll
die Sicherheit dadurch gewährleistet sein, dass die in dem Kartenleser in der Kontaktiereinheit
angeordneten Kontaktfedern mittels einer beweglichen Bohrschutzhaube gesichert sind.
Dadurch soll eine unbemerkte Manipulation an den Kontaktenden der Kontaktfedern von
der Karteneinführöffnung vermieden werden.
[0007] Nachteilig bei der vorstehend beschriebenen Lösung ist allerdings, dass ein derartiger
Aufbau aufwendig ist, da nämlich eine separate Vorrichtung nämlich die Bohrschutzhaube
in dem Kartenleser beweglich integriert werden muss. Weiterhin hat sich bei dem vorstehend
beschriebenen Kartenleser als nachteilig herausgestellt, dass die darin beschriebenen
Kontaktfedern aus einer Kupferzinnlegierung gebildet sind, die neben Ihrer Sicherheitslücken
in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften ebenfalls verbesserungswürdig sind.
[0008] Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Kontaktfeder zur Übertragung von elektrischen Signalen bereitzustellen, die sowohl
hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften wie auch der Manipulationssicherheit Vorteile
gegenüber dem Stand der Technik aufweist. Die Kontaktfeder soll dabei auch einfach
und kostengünstig in der Herstellung sein.
[0009] Die Aufgabe wird durch gekennzeichnete Merkmale des Patenanspruchs 1 gelöst. Die
Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
[0010] Erfindungswesentlich ist, dass die Kontaktfeder nicht indirekt, wie beispielsweise
durch Ummantelung oder Gehäuse geschützt wird, sondern direkt selbst manipulationssicher
aufgebaut werden soll. Der Schutz gegen Manipulation wird gewissermaßen monolithisch
in die Kontaktfeder integriert.
[0011] Erfindungsgemäß wird dazu vorgeschlagen, eine Kontaktfeder zum elektrischen kontaktierenden
von Bauteilen mit einem kontaktseitigen Ende zum reversiblen (wiederholdenden) Kontaktieren
mit dem Bauteil und einem verbindungsseitigen Ende zum Verbinden mit dem Bauteil so
auszubilden, dass die Kontaktfeder aus einem elastischen Substratmaterial besteht
und von einer isolierenden Diamantschicht umschlossen ist. Um die entsprechende elektrische
Kontaktierung zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß bei der Kontaktfeder vorgesehen,
dass die isolierende Diamantschicht im Bereich des kontaktseitigen Endes sowie auch
im Bereich des verbindungsseitigen Endes bis zum Substratmaterial zumindest lokal
entfernt ist, dass ein elektrisch leitfähiger Kontakt zum Bauteil hergestellt werden
kann. Dadurch wird nun sichergestellt, dass die Kontaktfeder bis auf die entfernten
Bereiche vollständig aus einem nichtleitenden und mechanisch äußerst stabilen, sehr
hartem und chemisch intertem Material besteht. Die Kontaktfeder der Erfindung macht
sich somit die überragenden mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften
von Diamant zunutze und kombiniert diese mit der Elastizität des Substratmaterials.
Damit steht eine Kontaktfeder zur Verfügung, die bei entsprechender Anwendung für
Sicherheitsaspekte nicht nur hohe Anforderungen in Bezug auf die Manipulationssicherheit
erfüllt, sondern die gleichzeitig auch noch aufgrund der überragenden mechanischen
und chemischen wie auch physikalischen Eigenschaften von Diamant Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik aufweist. Hierbei ist auch zu erwähnen, dass auf Diamantoberflächen,
aufgrund der chemischen Beständigkeit, Fremdmaterialien, insbesondere Metalle, sehr
schlecht haften. Dies ist auch der Grund dafür, dass Diamant nur unter besonderen
Bedingungen, bei sehr hohen Temperaturen und unter Vakuum gelötet werden kann. Eine
einfache elektrische Kontaktierung von Diamant ist ohne den Einsatz von komplizierten
metallischen Schichtabfolgen nicht möglich. Die Freilegung des elektrisch leitfähigen
Substrates scheitert an der Härte von Diamant. Dieser ist mechanisch nur mit Diamant
zu bearbeiten. Die dabei auftretenden Kräfte sind allerdings so hoch, dass die Kontaktfeder
bei einem derartigen Versuch mit hoher Wahrscheinlichkeit brechen würde und die Kontaktfeder
damit unbrauchbar wird. Dies erhöht die Manipulationssicherheit einer derartigen Kontaktfeder.
[0012] Das Substratmaterial der Kontaktfeder ist aus einem elastischen Material gebildet.
Dieses ist so ausgewählt, dass es:
- 1) mit Diamant beschichtbar ist
- 2) eine ausreichende Adhäsion der Diamantschicht auf dem Substrat gewährleistet ist
- 3) Zusammen mit der Diamantschicht eine ausreichende elastische Verformung zulässt,
um eine entsprechende Andruckkraft der Feder an das Bauteil zu ermöglichen (Overtravel)
- 4) Eine ausreichende Biegebruchfestigkeit aufweist um den Overtravel schadlos zu überstehen
- 5) Eine ausreichende Festigkeit gegen Ermüdungsbruch aufweist.
Geeignete Materialien hierfür sind refraktäre Metalle wie Mo, Ta, Ti, Nb, W, Saphir,
Iridium, Silizium, Siliziumcarbid, Magnesiumoxid oder Germanium. Besonders bevorzugt
ist hierbei als Substratmaterial Molybdän oder Wolfram.
[0013] Die Kontaktfeder nach der Erfindung ist dabei bevorzugt als flaches Band mit einer
Bandbreite von 0,1 mm bis 1,2 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 1 mm und einer Banddicke
von 0,05 mm bis 2 mm, bevorzugt von 0,05 mm bis 0,8 mm ausgebildet.
[0014] Bevorzugterweise ist insbesondere für den Anwendungsfall eines Kartenlesers die Kontaktfeder
am kontaktseitigen Ende in Form einer Kugelkalotte ausgebildet, wobei dann für diese
Ausführungsform die entfernte Fläche im Bereich der Kugelkalotte angeordnet und so
dimensioniert und positioniert ist, dass eine problemlose elektrische Kontaktierung
mit dem Bauteil (in diesem Fall Chipkarte) gewährleistet ist.
[0015] Die entfernte Fläche, die zur Kontaktierung dient, kann dabei jegliche geometrische
Formen aufweisen, d.h. sie kann kreisförmig oder mehreckig wie zum Beispiel rechteckig
sein. Die Fläche, die aus der isolierenden Diamantschicht entfernt werden muss, richtet
sich nach dem Anwendungsfall.
[0016] In Bezug auf das verbindungsseitige Ende ist die Kontaktfeder bevorzugt dabei so
aufgebaut, dass sie am verbindungsseitigen Ende einen verbreiterten Bereich aufweist,
in dem dann die entfernte Fläche angeordnet ist, wobei auch hier wieder die Anordnung
und Dimensionierung so gewählt wird, dass ein problemloses Verbinden mit dem Bauteil
gewährleistet ist. Auch die entfernte Fläche am verbindungsseitigen Ende ist in Bezug
auf ihre Geometrie beliebig wählbar und kann somit kreisförmig oval oder mehreckig,
bevorzugt rechteckig sein.
[0017] Die Kontaktfeder ist dabei am verbindungsseitigen Ende so ausgebildet, dass ein problemloses
Verbinden mit dem Bauteil zum Beispiel mit einer Leiterplatte über eine Lötverbindung
möglich ist. Es kann deshalb auch vorgesehen sein, dass nach dem Freilegen der Kontaktzone
auf dem Substratmaterial noch eine zusätzliche Beschichtung aufgebracht wird, um eine
optimale Verbindung (z.B. Lötfähigkeit) mit dem Bauteil zum Beispiel mit einer Leiterplatte
(z.B. Auswertelektronik) herstellen zu können. Dies gilt insbesondere für Substrate
die aus refraktären Metallen wie Mo, W, Nb, Ta oder Ti bestehen, welche sich ebenfalls
nur unter hohem Aufwand und hohen Temperaturen löten lassen. Um eine einfache Lötverbindung
(Weichlot) mit der Leiterplatte herzustellen, wird vorgeschlagen, die freigelegte
Oberfläche mit einer dünnen Goldschicht, welche beispielsweise galvanisch aufgebracht
werden kann, zu beschichten. Dies kann u.a. in einem Autogalvanikbad durchgeführt
werden. Sollte eine bessere Haftung gewünscht sein, kann auch ein Mehrschichtmetallisierungsystem,
z.B. Ti, Pt, Au mittels Sputtern, Verdampfen oder ähnlichen Abscheidemethoden aufgebracht
werden.
[0018] Bei der Kontaktfeder nach der Erfindung ist es weiterhin bevorzugt, wenn die aufgebrachte
isolierende Diamantschicht eine nanokristalline Diamantschicht mit einer Schichtdicke
von 1 µm bis 250 µm, bevorzugt von 3 µm bis 50 µm, besonders bevorzugt von 3 bis 10
µm ist. Alternativ kann auch eine DLC-Schicht eingesetzt werden. Die nanokristalline
Diamantschicht besitzt dabei bevorzugt eine feinkristalline Diamantstruktur und weist
kristalline Domänen auf, die eine mittlere Korngröße von d
50 < 100 nm bevorzugt d
50 < 50 nm, besonders bevorzugt d
50 < 10 nm besitzen. Die Oberflächenrauhheit einer derartigen bevorzugten nanokristallinen
Diamantschicht RMS ist 5-100 nm, bevorzugt 5-50 nm, weiter bevorzugt 5-30 nm, weiter
bevorzugt < 10 nm, besonders bevorzugt < 2 nm. Die Rauhheit RMS (root-mean-squared-roughness)
wird aus dem Mittel der Abweichungsquadrate berechnet und somit auch als "quadratisches
Mittel" bezeichnet. Ermittelt wird die Rauheit z.B. durch Messung eines 10µm ×10µm
Feldes mit dem AFM (Atomic force Microscope) im Tapping modus, d.h. berührungslos.
[0019] Die oben genannten Schichten weisen im Vergleich mit polykristallinen Diamantschichten
eine hohe Biegebruchfestigkeit und typischerweise ein niedrigeres Elastizitätsmodul
auf. Eine hohe Biegebruchfestigkeit ist erwünscht, weil die Kontaktfeder ja mit einer
definierten Anpresskraft gegen das zu kontaktierende Bauteil gedrückt wird, um einen
zuverlässige elektrische Kontaktierung sicherzustellen. Die hierbei entstehenden mechanischen
Spannungen, treten aufgrund der unterschiedlichen Elastizitätsmoduli von Diamantschicht
und Substratmaterial verstärkt im Bereich der Diamantschicht auf. Brüche sind also
hier zu erwarten. Überraschenderweise konnte gezeigt werde, dass nanokristalline Diamantschichten
eine Biegebruchspannung von mehr als 5GPa aufweisen.
[0020] Bezüglich der Definition der Biegebruchspannung wird auf die folgenden Literaturstellen
verwiesen:
[0021] Gleichzeitig ist wichtig, dass der Unterschied der Elastizitätsmoduli von Diamantschicht
und Substratmaterial so gering wie möglich ist, um das Interface zwischen der Diamantschicht
und dem Substrat im Biegefall nicht zu stark zu belasten. Das E-Modul der abgeschiedenen
Diamantschicht kann an das E-Modul des Substratmaterials dadurch angepasst werden,
indem eine "feinkristalline" Diamantschicht verwendet wird, deren kristalline Domänen
eine mittlere Korngröße von d
50 ≤ 100 nm aufweisen. Dadurch entsteht eine Diamantschicht, bei der die Kristallinität
im Wesentlichen homogen in der Diamantschicht angeordnet sind.
[0022] Die Verwendung von feinkristallinen Diamantschichten mit den wie vorstehend angegebenen
Korngrößen führt dazu, dass auch das E-Modul gegenüber polykristallinen Diamantschichten
deutlich erniedrigt wird, so dass eine bessere Anpassung an das E-Modul des Substrates
gewährleistet ist. So weisen polykristalline Diamantschichten meist ein E-Modul von
> 1000 GPa auf. Typische Substratmaterialien, wie beispielsweise Silizium oder Siliziumdioxid,
besitzen einen deutlich geringeren E-Modul von etwa 90 bis 400 GPa. Der große Unterschied
der Biegesteifigkeit zwischen Substrat und Beschichtung führt im mechanischen Belastungsfall
zu einer starken Belastung des Interfaces, welches im schlimmsten Fall versagen kann
und damit zu einer Delamination der Diamantschicht führen kann. Letzteres hat das
Totalversagen des Bauteils zur Folge. Aus diesem Grund ist eine Angleichung der Biegesteifigkeit
von Substrat und Beschichtung vorteilhaft. Dies kann nun ebenfalls durch eine Verringerung
der Korngröße erreicht werden. Da mit abnehmender Korngröße der Diamantschicht das
Korngrenzenvolumen im Verhältnis zum Kristallvolumen (Kornvolumen) zunimmt und an
der Korngrenze in der Regel schwächere Bindungen als im Kristall (Korn) vorhanden
sind, korreliert das makroskopisch ermittelte E-Modul diametral mit der mittleren
Korngröße. Typische Werte für das E-Modul von nanokristallinen Diamantschichten (Korngröße
etwa 10 nm) liegen im Bereich von < 750 GPa und ganz besonders bevorzugt < 500 GPa.
[0023] Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die auf der Kontaktfeder aufgebrachte
isolierende nanokristalline Diamantschicht einen möglichst kleinen sp
2-Anteil aufweist. Erfindungsgemäß wird hierbei ein sp
2-Anteil < 40%, bevorzugt < 20%, besonders bevorzugt < 10% verstanden. Der Hintergrund
ist dabei darin zu sehen, dass je höher der sp
2-Anteil ist, umso höher ist auch die elektrische Leitfähigkeit der undotierten Diamantschicht.
Eine auch nur geringe elektrische Leitfähigkeit, ist allerdings beim erfindungsgemäßen
Kontaktfinger möglichst zu vermeiden, so dass es bevorzugt ist, wenn die Diamantschicht,
die auf der Kontaktfeder aufgebracht ist, einen möglichst geringen sp
2-Anteil wie vorstehend definiert aufweist. Die Diamantschicht ist weiterhin bevorzugt
texturiert und weist besonders bevorzugt eine 111-, oder 110-, oder eine 110-Textur
auf. Es wird von einer Textur gesprochen, wenn mehr als 80% der Oberfläche der Diamantschicht
von 111, 110, oder 100 Diamantflächen gebildet wird und die Differenz der Eulerwinkel
Δγ zwischen den die Orientierung der Diamantschicht definierenden aneinanderliegenden
111, 110 oder 100 Diamantflächen die Bedingung |Δγ| ≤ 20° erfüllt.
[0024] Es hat sich weiterhin als günstig erwiesen, wenn die isolierende Diamantschicht möglichst
spannungsfrei ist. Das bedeutet, dass eine freistehende Diamantschicht innere mechanische
Spannungen aufweisen muss, die < 1 GPa, bevorzugt < 500 MPa, besonders bevorzugt <
200 MPa sind. Innere Spannungen können nämlich zur Deformation der Kontaktfeder nach
dem Abkühlen führen. Ferner wird die innere Spannung der von außen induzierten mechanischen
Biegebruchspannung überlagert und führt somit zu einer erhöhten Bruchanfälligkeit.
Die Diamantschicht soll deshalb wie vorstehend definiert möglichst spannungsfrei ausgebildet
sein.
[0025] Erstaunlicherweise konnte festgestellt werden, dass im Falle von Molybdän als Substratmaterial
bei der CVD Abscheidung der nanokristallinen Diamantschicht, nach der Abkühlphase
nahezu keine mechanische Deformation des Kontaktfingers beobachtet wurde. Dies ist
unter normalen Umständen nicht zu erwarten, weil eine Diamantschicht üblicherweise
heterogen (bezogen auf die Wachstumsrichtung) aufwächst und damit erhebliche innere
Spannungen (typischerweise Zugspannungen) auftreten.
[0026] Überraschenderweise hat es sich auch gezeigt, dass sich die Karbidisierung des Substratmaterials
in Grenzen hält. Hierunter wird die Durchsetzung des Substratmaterials mit Kohlenstoff
verstanden. Wird als Substratmaterial beispielsweise ein refraktäres Metall eingesetzt
(z.B. W), diffundieren insbesondere in der Anfangsphase der Gasphasenabscheidung,
Kohlenstoffradikale in das Metall ein. Diese führen zu Gefügeänderungen und verspröden
typischerweise das Substrat. Im schlimmsten Fall hat sich das Metall nach der Beschichtung
vollständig in ein Metallkarbid umgewandelt. Die geringe Karbidisierung bei der Erfindung
wird darauf zurückgeführt, dass bei der Herstellung der nanokristallinen Diamantschicht
eine sehr hohe Keimdichte von Diamantimpfkristallen auf das Substratoberfläche erreicht
wird, wobei dabei die Agglomeration von Kristallen vermieden werden kann. Bevorzugte
Keimdichten liegen im Bereich von > 10
11cm
-2, besonders bevorzugt im Bereich > 10
12cm
-2 Ist die Keimdichte zu gering, schließt sich die Diamantschicht erst nach einigen
100 nm und bildet Einschlüsse (Porosität). Im diesem Falle ist dadurch auch die Haftung
zum Substrat nicht mehr sichergestellt und die mechanischen Eigenschaften, insbesondere
die Biegebruchspannung degradieren.
[0027] Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktfeder schlägt vor, dass
zwischen dem Substratmaterial und der isolierenden Diamantschicht noch zusätzlich
eine elektrisch leitfähige Diamantschicht aufgebracht ist. Diese Diamantschicht umschließt
somit sandwichartig das Substratmaterial und wird Ihrerseits sandwichartig durch die
insolierende Diamantschicht umschlossen. Der Vorteil des Aufbringens einer derartigen
isolierenden Diamantschicht besteht in einem weiter verbesserten Schutz der elektrisch
aktiven Kontaktflächen. Diese werden kontaktseitig nur bis zur elektrisch leitfähigen
Diamantschicht bereichsweise freigelegt. Damit ist auch im Bereich der Kontaktfläche
eine Manipulation durch haftende Metallisierung, insbesondere Klebeverbindungen mit
elektrisch leitfähigen Klebstoffen oder Weichlötverbindungen weitestgehend ausgeschlossen.
Darüber hinaus nimmt die Verschleißfestigkeit und damit die Lebensdauer des Kontaktfingers
aufgrund der Härte von Diamant deutlich zu. Für diese Ausführungsform ist dann sicherzustellen,
dass am kontaktseitigen Ende die isolierende Diamantschicht bis auf die elektrisch
leitfähige Diamantschicht entfernt ist. Am verbindungsseitigen Ende hingegen, können
beide Diamantschichten bis auf das Substrat entfernt werden. Optional kann auch hier
die Substratöffnung noch zusätzlich metallisiert werden. Die elektrisch leitfähige
Diamantschicht kann ebenfalls nanokristallin sein und eine Schichtdicke wie die isolierende
Diamantschicht aufweisen. Die Leitfähigkeit der nanokristallinen Diamantschicht kann
zum Beispiel durch Dotierung mit P, B, N, S und/oder NH
3 hergestellt werden, wobei Dotierstoffkonzentrationen > 5 × 10
17 bevorzugt sind. Üblicherweise werden die Dotierstoffe während der Abscheidung der
Diamantschicht in die Gasphase zugeführt. Im Fall von NH
3 Zugabe, handelt es sich nicht um eine Dotierung sondern vielmehr eine elektrische
Leifähigkeit, welche von den Korngrenzen herrührt. Diese ist im übrigen n-Typ mit
einer geringen Aktivierungsenergie von weniger als 100meV.
[0028] Die Kontaktfeder, wie vorstehend beschrieben, wird bevorzugt in einem Kartenleser
zum Datenaustausch einer in einem Kartenleser einzuführenden Chipkarte angewendet.
Für diesen Anwendungsfall ist somit das kontaktseitige Ende der Kontaktfeder zum Kontaktieren
mit der Chipkarte vorgesehen und das verbindungsseitige Ende der Kontaktfeder zum
Verbinden mit einer Leiterplatte im Kartenleser. Ein derartiger Kartenleser ist in
der vorstehend schon genannten
WO 2010/136001 A1 beschrieben.
[0029] Die Erfindung umfasst somit insbesondere eine Kontaktfeder für einen Kartenleser.
[0030] Letztlich betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer Kontaktfeder wie vorstehend
beschrieben für einen Kartenleser entsprechend der
WO 2010/136001.
[0031] Nachfolgend wird die Herstellung einer Kontaktfeder beschrieben.
1) Stanzen und Prägen der Substratfinger aus einem Molybdänblech
[0032] Hierbei ist darauf zu achten, dass Risse in der Flanke möglichst vermieden werden.
Geringfügige Risse sind nicht schadhaft, da sie wieder 3 dimensional vom Diamant beschichtet
werden. Resultat ist ein Endlos-Band von Kontaktfingern welche zunächst alle mittels
Verbindungsstegen miteinander verbunden sind. Auch die 3D-Form mit kontaktseitiger
Kalotte ist bereits vorgegeben. Die Verbindungsstege sind vorteilhafterweise in Bereichen
der Kontaktfeder angeordnet, die der Fixierung der Kontaktfinger dienen. Diese Bereiche
werden üblicherweise mit Kunststoff umspritzt und sind dadurch auch nur sehr schwer
zugänglich.
2. Reinigung
[0033] Dazu wird eine chemische Grundreinigung durchgeführt. Dies ist angelehnt an die Reinigungskette
der Herstellung von Silizium Mikroelektronikbauteilen und besteht im einfachsten Falle
aus einer organischen Reinigung mittels Aceton und Isopropanol. Je nach verwendetem
Substratmaterial und Verschmutzung können auch stärkere Reinigungslösungen, wie z.B.
Schwefelsäure, Salzsäure, Peroxid oder ammoniakhaltige Reinigungsmedien zum Einsatz
kommen. Teilweise kann die Reinigung auch dazu genutzt werden, die Substratoberfläche
gezielt im Nanometerbereich aufzurauen. Dieser Effekt ermöglicht eine zusätzliche
mechanische Verzahnung zwischen dem Substrat und der anschließend aufzubringenden
Diamantschicht.
3. Nukleation
[0034] Nach der Reinigung erfolgt dann eine Nukleation des Substratmaterials durch das Aufbringen
von kohlenstoffhaltigen Edukten zur Bildung von Diamantkeimen, bzw. durch das Aufbringen
feinkristallinen Diamantimpfkristallen. Im Anschluss daran erfolgt ein Aufwachsen
der Diamantschicht mittels einer Gasphasenabscheidung (CVD - Chemical vapor depostition),
vorzugsweise durch Hot Filamentgestützte Verfahren. Mikrowellen Plasma-gestützte Verfahren
sind weniger geeignet, da aufgrund der komplexen Geometrie der Kontaktfinger nicht
sichergestellt werden kann, dass der Diamant die Finger hermetisch umhüllt.
[0035] Wichtig ist, dass eine möglichst hohe Keimdichte von Diamantimpfkristallen auf der
Substratoberfläche erreicht wird, um die Karbidisierung des Substratmaterials durch
die folgende Gasphasenabscheidung zu minimieren und dass dabei die Agglomeration von
Impfkristallen vermieden wird. Gute Keimdichten liegen im Bereich von >10
11cm
-2, bevorzugt im Bereich >10
12cm
-2. Ist die Keimdichte zu gering, schließt sich die Diamantschicht erst nach einigen
100nm und bildet Einschlüsse (Porosität). Ferner ist dadurch die Haftung zum Substrat
nicht mehr sichergestellt.
[0036] Vorteilhafterweise wird die Substrattemperatur in der Anfangsphase der Beschichtung
so hoch gewählt, dass sich zwischen den Diamantkeimen bzw. der Diamantschicht und
dem Substratwerkstoff chemische Bindungen bilden können. Die chemische Bindung der
Diamantschicht an das Substrat erhöht die Haftung und damit die Belastbarkeit des
Interfaces.
[0037] Eine exemplarische Verfahrensführung zur Herstellung der kristallinen Diamantschicht
ist nachfolgend angegeben:
[0038] Die feinkristallinen Diamantschichten werden z.B. mittels eines "Heißdraht-CVD-Verfahrens"
hergestellt. Bei diesem Verfahren wird in einer Vakuumkammer mittels heißer Drähte,
z.B. Wolframdrähte, eine Gasphase bestehend aus z.B. 1 bis 5 Vol.-% CH
4 und 95 bis 99 Vol.-% Wasserstoff aktiviert. Die Drahttemperatur liegt beispielsweise
in einem Bereich von 1.800°C bis 2.400°C. Bei einem Abstand zwischen dem Substrat
und den Drähten von 1 cm bis 5 cm wird dabei eine Substrattemperatur von 600 °C bis
900 °C eingestellt. Der Druck der Gasatmosphäre liegt zwischen 3 mbar und 30 mbar.
Dabei erfolgt eine Abscheidung der feinkristallinen Diamantschicht auf dem Substrat.
[0039] In Bezug auf das Beschichtungsverfahren unterliegt die Erfindung selbstverständlich
keinerlei Beschränkungen, so dass beim erfindungsgemäßen Verfahren eine an und für
sich bekannte chemische Gasphasenabscheidung (CVD), bevorzugt eine Hot Filamentabscheidung,
erfolgen kann.
4) Freilegen der Kontaktzonen
[0040]
- a. Abdecken der Kontaktfinger mittels einer Schattenmaske (z.B. aus Silizium). Hierbei
bleiben nur die zu öffnenden Kontaktzonen frei.
- b. Entfernung der Isolierenden Diamantschicht mittels Ar/O2 Plasma (reaktives lonenätzen)
- c. Optional: Entfernung der gesamten Diamantschicht mittels Ar/O2 Plasma
- d. Teilschritte a-c können im Falle einer Sandwichstruktur (dotierter Diamant und
isolierender Diamant) auch mehrfach durchgeführt werden, so dass das kontaktseitige
Ende bis zur elektrisch leitfähigen Diamantschicht freigelegt und das verbindungsseitige
Ende bis zum Substrat freigelegt wird.
5) Optional: Vereinzelung der Kontaktfinger
6) Optional: Umspritzen der Kontaktfinger mit Kunststoff
7) Optional: Segmentierung des Endlosbandes nach Schritt 1 in Teilstücke und Behandlung der Teilstücke
gem. Schritten 2-7
[0042] Zu Schritt 5: Die Verbindungsstruktur der Kontaktfinger im Endlosband ist vorzugsweise
so positioniert, dass sie im Bereich der später zu umspritzenden Zone des Kontaktfingers
liegt und damit schwer zugänglich und geschützt ist.
[0043] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von fünf Figuren näher beschrieben.
Figur 1 zeigt in den Figuren 1a und 1b in perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäße
Kontaktfelder aus zwei Richtungen, sowie in Figur 1c und 1d Schnitte durch die Feder.
Figur 2 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Kontaktfedern in einer Kontaktiereinheit
für einen Kartenleser.
Figur 3 zeigt das Funktionsprinzip und Deformationsverhalten der erfindungsgemäßen
Kontaktfeder.
Figur 4 zeigt den "Overtravel" der Kontaktfeder.
Figur 5 zeigt ein Endlosband.
[0044] In Figuren 1a und 1b ist eine erfindungsgemäße Kontaktfeder 1 dargestellt. Die Figur
1b zeigt die Aufsicht auf die erfindungsgemäße Kontaktfeder 1 von oben, wohingegen
die Figur 1a die Ansicht von unten darstellt.
[0045] Die Kontaktfeder 1 nach der Ausführungsform nach Figur 1b weist dabei eine Breite
von 0,8 mm auf und besitzt am kontaktseitigen Ende 5 die Form einer Kugelkalotte 3.
Das verbindungsseitige Ende 6 ist in Form einer Verbreiterung ausgeführt, die rechteckig
ausgebildet ist. Die Abmessungen sind aus Figur 1a zu entnehmen und betragen 1,5 mm
bzw. 1,8 mm. Im Bereich der Kugelkalotte 3 ist die isolierende Diamantschicht 2 entfernt,
so dass ein Kontakt mit dem elektrisch zu kontaktierenden Bauteil möglich ist. Im
Beispielsfall der Figur 1 ist das Basismaterial der Kontaktfeder 1 Molybdän. Die Fläche
des entfernten Bereichs 4 liegt hier im Beispielsfall bei ca. 0,64 mm
2. Figur 1a zeigt nun die identische Kontaktfeder 1 jedoch in der Sicht von unten,
so dass im verbindungsseitigen Ende 6 die entfernte Fläche 7 sichtbar wird. Die entfernte
Fläche 7, die im Beispielfall als Kreis ausgebildet ist, muss nun so gestaltet sein,
dass eine Lötverbindung mit der Leiterplatte ermöglicht wird. Die entfernte Fläche
7 weist im Beispielsfall der Figur 1 eine Fläche von ca. 0,8 mm
2 auf.
[0046] Die Materialdicke der Kontaktfeder 1 liegt in der Ausführungsform so wie sie in Figur
1 dargestellt ist bei 0,25 mm. Die Kugelkalotte 3 weist dabei einen vorgegebenen Radius
R auf. Die Kugelkalotte 3 sollte dabei bevorzugt riss- und gratfrei ausgebildet sein,
sowie eine möglichst geringe Oberflächenrauheit aufweisen um die Metallisierung der
zu kontaktierenden elektrischen Kontakte nicht zu zerstören.
[0047] In Figur 1a ist zudem noch verdeutlicht, in welcher Weise sich die Kugelkalotte 3
bewegen kann (Pfeile).
[0048] Diese Bewegung, auch oft als Overtravel bezeichnet, ist notwendig um die Kugelkalotte
mit einer definierten Kraft auf die Metallisierung der zu kontaktierenden Struktur
zu pressen. Hierbei wird die Kontaktfeder elastisch verformt.
[0049] In den Figuren 1c und 1d sind nun die Schnittdarstellungen sowie in Figur 1a angezeigt
dargestellt.
[0050] Die Schnittdarstellungen der Figur 1c zeigen eine Ausführungsform, bei der das Substratmaterial
8 mit einer isolierenden Diamantschicht 2 überzogen ist. In der ersten Schnittdarstellung
A-A ist auch die freigelegte Fläche 7 am verbindungsseitigen Ende dargestellt. Aus
der Schnittdarstellung A-A ist erkennbar, dass die isolierende Diamantschicht 2 bis
auf das Substratmaterial 8 entfernt worden ist. Die Schnittdarstellung B-B zeigt,
wie das Substratmaterial 8 in diesem Beispielsfalle Molybdän von der Diamantschicht
2 umschlossen ist. Letztlich zeigt die Schnittdarstellung C-C die Ausbildung der erfindungsgemäßen
Kontaktfeder, wie sie in der Figur 1a dargestellt ist bezüglich des kontaktseitigen
Ende. Auch hier ist die isolierende Diamantschicht 2 am kontaktseitigen Ende 4 entfernt.
[0051] In der Figur 1d sind nun die gleichen Schnitte dargestellt wie vorstehend schon bei
Figur 1c beschrieben, jedoch für eine Ausführungsform bei der zusätzlich zur isolierenden
Diamantschicht 2 noch eine leitfähige Diamantschicht 30 vorgesehen ist. Wie aus der
Schnittdarstellung A-A hervorgeht, ist im Beispielsfall der Kontaktfeder nach der
Figur 1 am verbindungsseitigen Ende sowohl die isolierende Diamantschicht 2 wie auch
die leitfähige Diamantschicht 30 bis auf das Substratmaterial 8 entfernt worden. Bezüglich
der Verbindungstechniken wird auf die Beschreibung verwiesen. Die Schnittdarstellung
B-B zeigt wiederum wie schon bei der Figur 1c die Ausbildung der Kontaktfeder im mittleren
Bereich.
[0052] Im Unterschied zur Ausführungsform wie bei Figur 1c beschrieben, ist nun am kontaktseitigen
Ende nur die isolierende Diamantschicht 2 entfernt worden. Am kontaktseitigen Ende
ist es nicht erforderlich, auch die leitfähige Diamantschicht zu entfernen, so dass
am kontaktseitigen Ende der Bereich 4 durch die leitfähige Diamantschicht 30 gebildet
wird. Dies hat auch anwendungstechnische Vorteile im Bezug auf die Beanspruchung,
da nun noch eine zusätzliche Diamantschicht zur Verfügung steht und deren mechanische
und physikalische Eigenschaften genutzt werden können.
[0053] Die Definition des Overtravels ist in Figur 4 schematisch illustriert.
[0054] Wesentlich bei der Erfindung ist dabei, dass durch das Substratmaterial, hier Molybdän
in Verbindung mit der isolierenden Diamantschicht 2 eine hohe mechanische Stabilität
gewährleistet ist, so dass ein dauerhafter Betrieb sichergestellt ist.
[0055] Figur 2 zeigt nun die Anwendung der erfindungsgemäßen Kontaktfeder 1 in einem Kartenleser
10. Der in Figur 3 gezeigte Kartenleser 10 ist ein sogenannter Push/Pull-Kartenleser,
bei dem eine Chipkarte (nicht abgebildet) in dem Kartenleser 10 bis in ihre Datenaustauschposition
eingeführt und nach dem Datenaustausch vom Benutzer wieder aus dem Kartenleser 10
herausgezogen wird. Die Chipkarte trägt dabei zum Speichern der Daten einen Mikrochip
(nicht gezeigt). Die Kalotten 3 der elektrischen Kontaktfedern sind deshalb so positioniert,
dass sie mit der Lage der Kontakte der Chipkarte übereinstimmen. In dem Kartenleser
10 sind dabei wie aus der Figur 2 hervorgeht, mehrere (hier 8) elastisch verformbare
Kontaktfedern 1 vorgesehen, die mit dem verbindungsseitigen Ende 6 mit dem Kartenleser
10 verbunden sind und die ein kontaktseitiges Ende 5 aufweisen, das wie in Figur 3
gezeigt in Form einer Kugelkalotte ausgebildet ist. Dadurch, dass nun die Kontaktfeder
nahezu vollständig von einer isolierenden Diamantschicht umhüllt wird, ist diese einer
Manipulation nicht zugänglich. Somit wird eine hohe Sicherheit in Bezug auf die Manipulation
erreicht. Gleichzeitig ist darauf hinzuweisen, dass auch aufgrund der Materialkombination
Molybdän/nanokristalliner Diamant überragende Eigenschaften in Bezug auf die Dauerbelastung
einer derartigen Kontaktfeder erreicht werden. Es hat sich gezeigt, dass in entsprechenden
Belastungsversuchen die erfindungsgemäße Kontaktfeder sich den bisher bekannten Federn
aus einer Kupferzinnlegierung deutlich überlegen zeigen. Ferner ist es nicht notwendig,
alle Kontaktfedern mit Diamant zu beschichten. Es genügt prinzipiell, wenn der I/O
Pin, d.h. der oder die Kontaktfedern, welche sicherheitsrelevante Daten übertragen,
entsprechend beschichtet werden.
[0056] Figur 3 zeigt, wie die erfindungsgemäße Kontaktfeder 1 in einem Kartenleser 10 deformiert
wird. Die Figur 3a zeigt dabei den Zustand, bei dem keine Karte in den Kartenleser
eingeschoben ist, wohingegen Figur 3b den Zustand darstellt, bei dem eine Chipkarte
20 in den Kartenleser eingeschoben worden ist. Hierbei wird die Kontaktfeder um 0,5mm
aus Ihrer Ruhelage nach unten ausgelenkt.
[0057] Figur 4 zeigt, wie die Position der Kugelkalotte 3 durch elastische Verformung der
Kontaktfeder um die Strecke s (hier 0,5mm) aus Ihrer Ruhelage ausgelenkt wird. Bei
einer typischen Kartendicke von 0,8 mm entspricht dies einer Kraft von 0,5 N. Nach
der ISO Norm muss die Kontaktkraft des Fingers im Bereich zwischen 0,2 N und 0,6 N
liegen. Die erfindungsgemäße Kontaktfeder erfüllt somit diese Forderung.
[0058] Figur 5 zeigt ein bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktfedern erzeugtes
Endlosband. Die Kontaktfedern sind dabei über einen Stege 21 miteinander verbunden.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktfedern ist dabei auf die genaue Einhaltung
der vorgegebenen Größen zu achten. Bei einer Bandunterbrechung ist an der Außenseite
der Spule in Höhe der Unterbrechung eine Kennzeichnung anzubringen. Wesentlich ist
weiterhin, dass bei Prägung der Kugelkalotte eine Riss- und Gratfreiheit gewährleistet
ist. Es sollte auch darauf geachtet werden, dass der Faserverlauf nicht gebrochen
ist. Dies kann mittels Schliffbild überprüft werden.
1. Kontaktfeder (1) zum Kontaktieren von elektrisch zu kontaktierenden Bauteilen mit
einem kontaktseitigen Ende zum Kontaktieren mit dem Bauteil und einem verbindungsseitigen
Ende zum Verbinden mit dem Bauteil,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktfeder (1) aus einem elastischen Substratmaterial 8 besteht oder dieses
enthält, das von einer isolierenden Diamantschicht (2) umschlossen ist, wobei die
isolierende Diamantschicht (2) im Bereich des kontaktseitigen Endes (5) und im Bereich
des verbindungsseitigen Endes (6) zumindest bereichsweise bis zum Substratmaterial
entfernt ist.
2. Kontaktfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder (1) ein flaches Band mit einer Bandbreite von 0,1 mm bis 1,2 mm
und einer Banddicke von 0,05 mm bis 2 mm ist.
3. Kontaktfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder (1) am kontaktseitigen Ende (5) in Form einer Kugelkalotte (3) ausgebildet
ist und die entfernte Fläche (4) am kontaktseitigen Ende (5) im Bereich der Kugelkalotte
(3) angeordnet und so dimensioniert und positioniert ist, dass eine elektrische Kontaktierung
mit dem Bauteil gewährleistet ist.
4. Kontaktfeder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder (1) am verbindungsseitigen Ende (6) einen verbreiterten Bereich
aufweist, in dem die entfernte Fläche (7) angeordnet und so dimensioniert und positioniert
ist, dass eine Verbindung mit dem Bauteil gewährleistet ist.
5. Kontaktfeder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder (1) zwischen dem kontaktseitigen Ende (5) und dem verbindungsseitigen
Ende (6) mindestens eine Abwinklung aufweist.
6. Kontaktfeder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial (8) ausgewählt ist aus refraktären Metallen wie Mo, Ta, Ti,
Nb oder W, Siliziumcarbid, Glas, Silizium, Saphir, Iridium, Magnesiumoxid oder Germanium.
7. Kontaktfeder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Diamantschicht eine Dicke von 1 bis 250 µm aufweist.
8. Kontaktfeder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht 2 eine Biegebruchspannung δ0< 5 GPa aufweist.
9. Kontaktfeder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht 2 ein E-Modul < 850 GPa, bevorzugt < 700 GPa aufweist.
10. Kontaktfeder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substratmaterial (8) und der isolierenden Diamantschicht (2) eine elektrisch
leitfähige Diamantschicht (30) angeordnet ist.
11. Kontaktfeder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Diamantschicht (30) eine nanokristalline Diamantschicht
oder eine DLC-Schicht mit einer Schichtdicke von 1µm - 250 µm ist.
12. Kontaktfeder nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit der nanokristallinen Diamantschicht (30) durch Dotierung mit P,
B, N, S, oder Beigabe von NH3 während des Diamantwachstums hergestellt worden ist.
13. Kontaktfeder nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dass die Diamantschicht einen spezifischen
Widerstand von 0,25m Ωcm -5MΩcm aufweist
14. Kontaktfeder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch zu kontaktierende Struktur ein Kartenleser zum Datenaustausch einer
in einen Kartenleser (10) einzuführenden Chipkarte ist.
15. Verwendung einer Kontaktfeder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem
Kartenleser.