CN201303050Y

CN201303050Y - 应用于rfid芯片的集成天线

Info

Publication number: CN201303050Y
Application number: CNU2008201541122U
Authority: CN
Inventors: 王勇; 朱建军; 赵宇航; 陈寿面; 周伟
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2018-10-16

Abstract

一种应用于RFID芯片的集成天线，包括氧化层，淀积于RFID芯片上，其厚度的范围为2微米至10微米，天线，位于氧化层上，为螺旋状单层结构，其厚度的范围为1微米至5微米，本实用新型集成天线通过增加氧化层厚度来减小RFID芯片对集成天线造成寄生耦合影响，在满足大电感值的前提下，能获得最大的等效面积、磁场中感应到的开路电动势和负载引入端电压，且使得集成天线的串联等效电阻Rs下降，可使得螺旋线圈的Q值达到最大化，从而使其能量损耗更小。

Description

应用于RFID芯片的集成天线

技术领域

本实用新型涉及集成电路制造技术领域，且特别涉及一种应用于RFID芯片的集成天线。

背景技术

随着超大规模集成电路技术、计算机技术以及信息安全技术的发展，IC卡技术日趋成熟。现在，非接触式IC卡由于具有使用方便、无机械触点磨损、稳定可靠、维护费用低等诸多优点，已经在多个领域开始取代接触式IC卡。

非接触式IC卡的天线用于获得卡上电路工作所需要的电能并与读卡机天线通过电磁耦合的方式交换数据。目前市场上销售的IC卡，都是片外天线形式的，其优点是天线Q值较高、易于制造、成本适中，但它的体积较大、易折断，不能胜任防伪或以生物标签形式埋入动物内等任务。如果把天线放在芯片中将会使整个IC卡体积更小，使用更加方便，随着产量的增大，有望降低成本，扩大在商品防伪等领域中的应用。由于片上天线的外边长受芯片面积的限制而不能做大，决定了其必须增加环绕圈数来获得足够的磁通量；并且片上天线远大于片外天线的寄生参数使得其Q值极小，感应的能量很低，因此限制了其实际应用。

集成天线的实现仍以硅基集成电感为主，国内外对硅基集成电感的研究已做过不少工作，其重点为如何提高硅基集成电感在谐振状态下的Q值问题，硅基集成电感的本征频率多在几个GHz左右，而电子标签的工作频率只有13.56MHz，故要求集成天线应比硅基集成电感具有更大的寄生电感或电容，为此集成天线会引入更多的连线损耗，从而导致它在谐振条件下的Q值并不理想。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种可以降低集成天线的金属导体损耗、改善集成天线的品质因子并获得较高的感应能量的集成天线。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种应用于RFID芯片的集成天线，包括：氧化层，淀积于RFID芯片上，其厚度的范围为2微米至10微米；天线，位于氧化层上，为螺旋状单层结构，其厚度的范围为1微米至5微米。

可选的，所述氧化层材料为硅酸氟。

可选的，所述天线的材料为铜。

可选的，所述天线的输出端和输入端位于所述RFID芯片的焊盘所处的对角线两端。

可选的，所述天线的输出端和输入端通过过孔直接与所述RFID芯片所对应的焊盘相连。

可选的，所述过孔在输出端和输入端的数量至少为一个。

可选的，所述天线的外边长不大于所述RFID芯片所对应的边长尺寸。

可选的，所述天线的外边长介于0.5毫米到8毫米之间。

可选的，所述天线的圈数介于20圈到200圈之间。

可选的，所述天线的形状为正方形或长方形。

本实用新型集成天线的有益效果为：该集成天线采用单层且为螺旋状，天线的输入端和输出端位于RFID芯片的焊盘所处的对角线两端，并通过过孔直接与RFID芯片所对应的焊盘相连，这样做的目的是可以减少掩膜版的数量和光刻的次数，即可以减小生产成本；同时，该集成天线的金属导体采用1微米至5微米厚的铜导体，氧化层采用2微米至10微米厚的硅酸氟，外边长略小于RFID芯片所对应的边长尺寸，圈数介于20圈到200圈之间，这样做的目的是在满足大电感值的前提下，能获得最大的等效面积、磁场中感应到的开路电动势和负载引入端电压，且使得集成天线的串联等效电阻Rs下降，可使得螺旋线圈的Q值达到最大化，从而使其能量损耗更小，具有广泛的应用价值。采用单层结构且为螺旋状的集成天线设计方法后，其集成天线在满足大电感值的前提下，能获得最大的等效面积和磁场中感应到的开路电动势，且使得集成天线的串联等效电阻Rs下降，可使得螺旋线圈的Q值达到最大化，从而使其能量损耗更小。

附图说明

图1为本实用新型实施例应用于RFID芯片的13.56MHz集成天线的侧视图；

图2为本实用新型实施例应用于RFID芯片的13.56MHz集成天线的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型作进一步的描述。

请参考图1，图1为本实用新型实施例应用于RFID芯片的13.56MHz集成天线的侧视图，本实施例包括氧化层112，淀积于RFID芯片111上，其厚度的范围为2微米至10微米；天线114，位于氧化层上，为螺旋状单层结构，其厚度的范围为1微米至5微米。

本实用新型的具体的制造方法包括如下步骤：(a)完成RFID芯片111的制造；(b)在RFID芯片111表面淀积一层绝缘材料层112，其厚度的范围为2微米至10微米；(c)光刻、刻蚀芯片连接区域113及天线结构114，天线结构为单层螺旋状结构，其厚度的范围为1微米至5微米，并去胶清洗；(d)淀积金属扩散阻挡层、电镀金属层；(e)金属化学机械抛光，清洗；(f)淀积绝缘材料保护层115，完成片上天线的制造。

氧化层材料采用硅酸氟，厚于先前技术，氧化层是经过多次工艺成型。

集成天线的金属导体采用铜，厚于先前技术，经过多次工艺成型。

接着，请参考图2，图2为本实用新型实施例应用于RFID芯片的13.56MHz集成天线的俯视图，集成天线的输入输出两端是位于对角线的两端，这是由RFID芯片10中所对应的焊盘13位置决定的；而且集成天线的输入输出两端通过过孔11直接与芯片所对应的焊盘13相连。为了光刻过程的方便，在输入输出两端，沿着金属线有一排过孔11，过孔全部在焊盘13的范围内，图中所示的每端的过孔11数量根据Mask的Data Ratio来定。

集成天线的外边长是由芯片的尺寸决定的，天线外边长不大于芯片的尺寸，一般为0.5毫米到8毫米之间。

集成天线的圈数介于20圈到200圈之间，具体圈数值跟集成天线的外边长有关。在其它参数不变的情况下，要获得相同的电感值，螺旋线圈的外边长越大，所需的线圈圈数就越少，反之，圈数将越多。

集成天线的金属线圈12是采用平面螺旋结构的，外形是正方形。这是因为芯片结构一般为正方形或长方形结构，集成天线的结构也采用正方形或长方形，这将使集成天线获得最大的自身等效面积，从而获得尽可能大的磁场中感应到的开路电动势。

下面是本实施例的具体的两组数据，金属导体材料选用铜，平面特性为等平面，并采用正方形螺旋线圈结构。集成天线的外边长为1.3mm，氧化层112材料为FSG，厚度为7μm，螺旋线圈的金属导体114材料为铜，厚度分别选用3μm、4μm和5μm，其余的参数如线圈圈数n、金属线圈宽度及金属间间距详见表1。通过理论计算得出集成天线的性能，如片上天线电感值Ls、谐振频率f₀、品质因子Q、集成天线自身的等效面积S、磁场中感应到的开路电动势U和负载引入端电压Uab(注：负载等效电阻和等效电容分别为10kΩ和25pF)的值详见表1。从(1)-(3)号天线的比较来看，在氧化层厚度tox不变的情况下，随着螺旋线圈的金属导体厚度t的增加，天线的等效电阻Rs急剧减小，与等效电阻密切相关的品质因子Q值随着增大，因此与品质因子Q值密切相关的负载引入端电压Uab也随着增大，且品质因子Q值和负载引入端电压Uab的增加幅度都非常明显。

表1

	l(mm)	t(μm)	tox(μm)	n	w(μm)	s(μm)	Ls(μH)	Rs(Ω)	f(MHz)	Q	S(mm²)	U(V)	Uab(V)
	l(mm)	t(μm)	tox(μm)	n	w(μm)	s(μm)	Ls(μH)	Rs(Ω)	f(MHz)	Q	S(mm²)	U(V)	Uab(V)	(1)	1.3	3	7	64.5	1.9	0.7	4.67	987	13.62	0.408	83.68	7.16	3.04
(2)	1.3	4	7	63.5	2.0	0.8	4.41	687	13.64	0.538	81.04	6.94	3.87	(1)	1.3	3	7	64.5	1.9	0.7	4.67	987	13.62	0.408	83.68	7.16	3.04
(2)	1.3	4	7	63.5	2.0	0.8	4.41	687	13.64	0.538	81.04	6.94	3.87	(3)	1.3	5	7	61.5	2.0	1.0	4.10	543	13.58	0.630	77.64	6.62	4.31

于本实用新型的另一实施例中，集成天线的外边长为1.3mm，螺旋线圈的金属导体114材料为铜，厚度为3μm，氧化层112材料为FSG，厚度分别选用5μm、6μm、7μm和8μm，其余的参数如线圈圈数n、金属线圈宽度及金属间间距详见表1。通过理论计算得出集成天线的性能，如片上天线电感值Ls、谐振频率f₀、品质因子Q、集成天线自身的等效面积S、磁场中感应到的开路电动势U和负载引入端电压Uab(注：负载等效电阻和等效电容分别为10kΩ和25pF)的值详见表2。从(4)、(5)、(1)和(6)号天线的比较来看，在螺旋线圈的金属导体厚度t不变的情况下，随着氧化层厚度tox的增加，天线的品质因子Q值随着增大，因此与品质因子Q值密切相关的负载引入端电压Uab也随着增大，且品质因子Q值和负载引入端电压Uab的增加幅度都比较小。

表2

	1(mm)	t(μm)	tox(μm)	n	w(μm)	s(μm)	Ls(μH)	Rs(Ω)	f(MHz)	Q	S(mm²)	U(V)	Uab(V)
	1(mm)	t(μm)	tox(μm)	n	w(μm)	s(μm)	Ls(μH)	Rs(Ω)	f(MHz)	Q	S(mm²)	U(V)	Uab(V)	(4)	1.3	3	5	58.5	1.9	0.7	4.16	884	13.62	0.396	77.89	6.66	2.73
(5)	1.3	3	6	62.5	1.9	0.7	4.50	936	13.58	0.403	81.79	6.98	2.92	(4)	1.3	3	5	58.5	1.9	0.7	4.16	884	13.62	0.396	77.89	6.66	2.73
(5)	1.3	3	6	62.5	1.9	0.7	4.50	936	13.58	0.403	81.79	6.98	2.92	(1)	1.3	3	7	64.5	1.9	0.7	4.67	962	13.62	0.408	83.68	7.16	3.04
(6)	1.3	3	8	66.5	1.9	0.7	4.83	987	13.56	0.409	85.53	7.28	3.18	(1)	1.3	3	7	64.5	1.9	0.7	4.67	962	13.62	0.408	83.68	7.16	3.04

通过对上述优选实施例进行一系列的理论计算，从计算结果可知，本实施例应用于RFID芯片的13.56MHz集成天线的设计方法，基于对集成天线等效电路模型的分析、各寄生参数的计算，以及多种损耗机制的分析，为了获得最大的等效面积和磁场中感应到的开路电动势，采用方形螺旋平面结构；为了获得大电感值(一般为4微亨至5微亨)，采取几十圈的螺旋线圈；为了减小集成天线和芯片之间寄生效应的影响，采用较厚的氧化层；为了减小金属线圈的串联等效电阻，采用较厚的铜导线。采用上述设计方法后，其集成天线在满足大电感值的前提下，能获得最大的等效面积、磁场中感应到的开路电动势和负载引入端电压，且使得集成天线的串联等效电阻Rs下降，可使得螺旋线圈的Q值达到最大化，从而使其能量损耗更小，具有广泛的应用价值。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于包括：

氧化层，淀积于RFID芯片上，其厚度的范围为2微米至10微米；

天线，位于氧化层上，为螺旋状单层结构，其厚度的范围为1微米至5微米。

2.根据权利要求1所述应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于所述氧化层材料为硅酸氟。

3.根据权利要求1所述应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于所述天线的材料为铜。

4.根据权利要求1所述应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于所述天线的输出端和输入端位于所述RFID芯片的焊盘所处的对角线两端。

5.根据权利要求4所述应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于所述天线的输出端和输入端通过过孔直接与所述RFID芯片所对应的焊盘相连。

6.根据权利要求5所述应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于所述过孔在输出端和输入端的数量至少为一个。

7.根据权利要求1所述应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于所述天线的外边长不大于所述RFID芯片所对应的边长尺寸。

8.根据权利要求7所述应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于所述天线的外边长介于0.5毫米到8毫米之间。

9.根据权利要求1所述应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于所述天线的圈数介于20圈到200圈之间。

10.根据权利要求1所述应用于RFID芯片的集成天线，其特征在于所述天线的形状为正方形或长方形。