JP2006108496A

JP2006108496A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2006108496A
Application number: JP2004295070A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Kanai; 友範金井; Seiji Kishimoto; 清治岸本
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】小型かつ安価にして通信距離が大きいコイルオンチップ形の半導体装置を提供する。
【解決手段】入出力端子２を有するＩＣ素子１と、ＩＣ素子１の回路形成面に形成された絶縁層３と、絶縁層３上に形成されたアンテナ４とをもって、コイルオンチップ形の半導体装置を構成する。アンテナ４は、一端がＩＣ素子１の入出力端子２に接続され、他端が開放されたコイル形状とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＣ素子と当該ＩＣ素子上に一体形成されたアンテナとからなるパッシブタイプの半導体装置に係り、特に、アンテナ構成の改善に関する。

近年、工場における部品管理用のタグや店舗における商品管理用のタグなどとして、ＩＣ素子と当該ＩＣ素子の入出力端子に接続されたアンテナとを備えた無線ＩＣタグを用いる技術（ＲＦＩＤ；ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）が実用化されている。

従来より、無線ＩＣタグには、ＩＣ素子の周波数特性等に応じて、ダイポールアンテナなどの遠方界領域に適したアンテナや、コイルなどの近傍界領域に適したトランス結合タイプのアンテナが備えられている。遠方界領域に適したアンテナは、遠方界領域における電界のみ或いは磁界のみを受けるアンテナとして設計されており、近傍界領域に適したトランス結合タイプのアンテナは、近傍界領域において誘導磁界結合するアンテナとして設計されている。なお、遠方界領域とは、波動インピーダンスが１２０πの領域を言い、近傍界領域とは、波動インピーダンスが１２０πではなく、電界強度と磁界強度の比がアンテナからの距離に応じて変化している領域のことを言う。

一方、無線ＩＣタグの小型化及び低価格化を図るため、「コイルオンチップ」というＩＣ素子上にアンテナを一体形成する技術も確立されている。コイルオンチップにおいては、アンテナを形成するためのスペースが自ずとチップサイズ以下に制限されるため、遠方界領域に適したダイポールアンテナなどは形成することができず、近傍界領域に適したトランス結合タイプのコイルアンテナが形成される（例えば、非特許文献１参照。）。現在のコイルオンチップには、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ角のコイルアンテナが形成されており、数ｍｍ程度の通信距離を得ている。
日本工業出版発行「月刊バーコード」２０００年３月号第１９頁〜第２１頁金子利行「コイル・オン・チップＲＦＩＤシステム」

ところで、コイルオンチップには、より広範なアプリケーションに対応できるようにするため、通信距離の延長が強く求められると共に、無線ＩＣタグの小型化及び低価格化を図るために、より一層の小型化が要求されている。

然るに、チップサイズを小型化すると、必然的にアンテナサイズが小さくなり、十分な電力の受給ができなくなるため、通信距離が短くなり、通信距離の延長の要請に対処することができない。

本発明は、かかる従来技術の不備を解消するためになされたものであって、その目的は、小型かつ安価にして通信距離が大きいコイルオンチップ形の半導体装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、ＩＣ素子と当該ＩＣ素子上に一体形成されたアンテナとからなるパッシブタイプの半導体装置であって、前記アンテナとして、一端が前記ＩＣ素子の入出力端子に接続され、他端が開放されたコイルを備えるという構成にした。

周知のように、微小ループアンテナにあっては、図８に示すように、φ成分の電界Ｅφと、Θ成分の磁界ＨΘと、ｒ成分の磁界Ｈｒとが存在する。そして、電界Ｅφは、静磁界が無く、誘導界が距離の２乗に反比例して減衰し、放射界が距離の１乗に反比例して減衰する。また、磁界ＨΘは、静磁界が距離の３乗に反比例して減衰し、誘導界が距離の２乗に反比例して減衰し、放射界が距離の１乗に反比例して減衰する。さらに、磁界Ｈｒは、静磁界が距離の３乗に反比例して減衰し、誘導界が距離の２乗に反比例して減衰し、放射界が無い。遠方界領域においては、ほぼ遠方界成分のみとなり、従来の遠方界に適したアンテナは、電界Ｅφ又は磁界ＨΘの放射界を受けるアンテナとして設計されている。また、トランス結合タイプは、２つのアンテナの結合で表されるが、主に磁界Ｈｒで電力及び信号の授受を行っていると考えられる。これに対して、一端がＩＣ素子の入出力端子に接続され、他端が開放されたコイルからなるアンテナは、コイル形状を有することから、磁界ＨΘ又は磁界Ｈｒを受信できるだけでなく、モノポールアンテナに近似するアンテナ構成となっていることから、電界Ｅφを受信することができる。よって、従来のトランス結合タイプのアンテナを備える場合に比べて、ＩＣ素子に供給される電力量及び信号強度を高めることができ、ＩＣ素子の小型化及び通信距離の延長を図ることができる。

また、本発明は、前記構成の半導体装置において、前記ＩＣ素子上に複数個の前記コイルを形成し、各コイルの一端を前記ＩＣ素子に形成された複数の入出力端子のそれぞれに個別に接続するという構成にした。

アンテナとして一端がＩＣ素子の入出力端子に接続され他端が開放されたコイルを１つのみ備えた場合にも、モノポールアンテナとしてＩＣ内部への電力の供給を行うことができる。しかしながら、モノポールアンテナとすると、ＩＣ素子のＧＮＤの安定化が困難となり、十分な特性が得られないことが多い。そこで、ＩＣ素子上に複数個のコイルを形成し、各コイルの一端をＩＣ素子に形成された複数の入出力端子のそれぞれに個別に接続すると、ダイポールアンテナの形状となり、ＩＣ素子のＧＮＤを安定化することができる。

また、本発明は、前記構成の半導体装置において、前記ＩＣ素子上に、前記入出力端子との接続端から見て同一方向に巻回された２個の前記コイルを形成するという構成にした。

このように、２個のコイルの巻回方向を入出力端子との接続端から見て同一方向にすると、磁界Ｈｒの鎖交磁束による電流及び電圧の向きが互いに逆位相となるので、アンテナで受けたエネルギを効率よくＩＣ素子の内部に供給することができる。

また、本発明は、前記構成の半導体装置において、前記ＩＣ素子として８００ＭＨｚ以上のキャリア周波数に対応できるものを用いると共に、前記アンテナの厚みをｈ、キャリアの角周波数をω、前記アンテナの導電率をκ、前記アンテナの透磁率をμとしたとき、前記アンテナの厚みｈを下記の式（１）を満たす範囲に設定するという構成にした。

近年、半導体技術の進歩により８００ＭＨｚ以上、例えば９００ＭＨｚ〜２．４ＧＨｚの高周波回路をもったＩＣ素子が開発されており、コイルオンチップにおいても、通信距離の拡大を図るため、この種の高周波対応のＩＣ素子を適用することが検討されている。しかしながら、周知のように導体に高周波電流を流した場合、誘磁界が発生し、この誘磁界が時間的に変化すると、レンツの法則により誘磁界を打ち消す方向にうず電流が発生する。このため、導体内の電流分布は、図９に示すように、表面に近い領域にのみ流れ、導体の中心部に向かって指数関数的に減少する。この現象は、一般に表皮効果と呼ばれ、８００ＭＨｚ以上の高周波信号を導体に流すことによって発生する。導体表面の電流Ｉ_０に比べて電流密度の大きさが１／ｅになる厚みは、表皮の厚さと呼ばれる。表皮の厚さをｄとすると、表皮の厚さｄは、下記の（２）式で表される。

前記したように導体内の電流分布はほぼ指数関数的に変化するため、図９の斜線部分のように、表皮の厚さｄの範囲に電流Ｉ_０が流れると近似できる。したがって、再配線の厚みｈを表皮の厚さｄの２倍以上の厚みにすることによって、配線ロスを増大することなく、８００ＭＨｚ以上の高周波信号に対応可能なコイルオンチップとすることができる。

本発明の半導体装置は、パッシブタイプのコイルオンチップにおいて、一端がＩＣ素子の入出力端子に接続され、他端が開放されたコイルをアンテナとして備えたので、アンテナがコイル形状を有することから微小ループアンテナの磁界ＨΘ又は磁界Ｈｒを受信でき、また、モノポールアンテナに近似するアンテナ構成となっていることから微小ループアンテナの電界Ｅφを受信することができる。よって、従来のトランス結合タイプのアンテナを備える場合に比べて、ＩＣ素子に供給される電力量及び信号強度を高めることができ、ＩＣ素子の小型化及び通信距離の延長を図ることができる。

以下、本発明に係る半導体装置の実施形態を、図１乃至図７に基づいて説明する。図１乃至図６は第１乃至第６の実施形態に係る半導体装置の平面図、図７は図１のＡ−Ａ断面図である。

図１及び図２は、ＩＣ素子上にアンテナを１つのみ形成した場合の実施形態であり、１はＩＣ素子、２はＩＣ素子１の入出力端子、３はＩＣ素子の回路形成面に形成された絶縁層、４は絶縁層３上に形成されたアンテナを示している。アンテナ４は、一端がＩＣ素子１の入出力端子２に接続され、他端が開放されたコイル形状に形成される。

図１の半導体装置は、ＩＣ素子１の一隅部に入出力端子２が形成され、当該入出力端子２との接続端から見て、アンテナ４が時計回りの方向に巻回されている。これに対して、図２の半導体装置は、ＩＣ素子１の中央領域に入出力端子２が形成され、当該入出力端子２との接続端から見て、アンテナ４が反時計回りの方向に巻回されている。

かかる構成を有する半導体装置は、アンテナ４がコイル形状を有することから微小ループアンテナの磁界ＨΘ又は磁界Ｈｒを受信でき、また、モノポールアンテナに近似するアンテナ構成となっていることから微小ループアンテナの電界Ｅφを受信することができる。よって、従来のトランス結合タイプのアンテナを備える場合に比べて、ＩＣ素子に供給される電力量及び信号強度を高めることができ、ＩＣ素子の小型化及び通信距離の延長を図ることができる。

図３乃至図６は、ＩＣ素子上に２つのアンテナを形成した場合の実施形態であり、１はＩＣ素子、２ａ，２ｂはＩＣ素子１の入出力端子、３はＩＣ素子の回路形成面に形成された絶縁層、４ａ，４ｂは絶縁層３上に形成された２つのアンテナを示している。アンテナ４ａ，４ｂは、一端がＩＣ素子１の入出力端子２ａ，２ｂに接続され、他端が開放されたコイル形状に形成される。

図３の半導体装置は、ＩＣ素子１の一側辺に沿って２つの入出力端子２ａ，２ｂが近接して形成され、各入出力端子２ａ，２ｂとの接続端から見て、各アンテナ４ａ，４ｂが時計回りの方向に巻回されている。図４の半導体装置は、ＩＣ素子１の相対向する側辺に２つの入出力端子２ａ，２ｂが形成され、各入出力端子２ａ，２ｂとの接続端から見て、各アンテナ４ａ，４ｂが反時計回りの方向に巻回されている。図５の半導体装置は、ＩＣ素子１の中心点から見て点対称の位置に２つの入出力端子２ａ，２ｂが形成され、各入出力端子２ａ，２ｂとの接続端から見て、各アンテナ４ａ，４ｂが時計回りの方向に巻回されている。図６の半導体装置は、ＩＣ素子１の一側辺の両端部に２つの入出力端子２ａ，２ｂが形成され、各入出力端子２ａ，２ｂとの接続端から見て、各アンテナ４ａ，４ｂが反時計回りの方向に巻回されている。

かかる構成を有する半導体装置は、ＩＣ素子１に２つの入出力端子２ａ，２ｂを形成し、各入出力端子２ａ，２ｂごとにアンテナ４ａ，４ｂを個別に接続したので、入出力端子の一方をＧＮＤ端子とすることにより、ＩＣ素子のＧＮＤ安定性を高めることができる。また、２つのコイル状のアンテナ４ａ，４ｂの巻回方向を入出力端子２ａ，２ｂとの接続端から見て同一方向にしたので、磁界Ｈｒの鎖交磁束による電流及び電圧の向きが互いに逆位相となり、アンテナで受けたエネルギを効率よくＩＣ素子の内部に供給することができる。

前記アンテナ４，４ａ，４ｂの厚みｈ（図７参照）は、配線ロスを増大することなく、８００ＭＨｚ以上の高周波信号に対応できるようにするため、アンテナ４，４ａ，４ｂの厚みをｈ、アンテナ４，４ａ，４ｂを流れる電流の角周波数をω、アンテナ４，４ａ，４ｂの導電率をκ、アンテナ４，４ａ，４ｂの透磁率をμとしたとき、前出の式（１）を満たす範囲に設定される。

このようにすると、アンテナ４，４ａ，４ｂの厚みｈを表皮の厚さｄの２倍以上の厚みにすることができるので、配線ロスを増大することなく、８００ＭＨｚ以上の高周波信号に対応することができる。また、アンテナ４，４ａ，４ｂの厚みｈを表皮の厚さｄの２倍以上の厚みにすることにより、アンテナ４，４ａ，４ｂのロスを抑制できるので、アンテナ４，４ａ，４ｂからの発熱を小さくすることができ、半導体装置に作用する熱ストレスを減少することができて、配線基板との接続の信頼性を高めることができる。さらに、アンテナ４，４ａ，４ｂの厚さを所定の厚み以上にすることにより、アンテナ４，４ａ，４ｂの熱容量を向上することができるので、アンテナ４，４ａ，４ｂからの発熱及び半導体回路からの発熱を効率よく分散させることができ、半導体装置に与える熱ストレスを抑制することができる。

なお、厚みｈの上限については特に制限はないが、厚くするほどコスト高になって形状の精度も劣化するので、１０μｍ以下とすることが好ましい。

また、図１乃至図６に示す入出力端子２ａ，２ｂの配置及びアンテナ４，４ａ，４ｂの巻回形状は、本発明に係る半導体装置の実施形態を例示するものであり、本発明に係る半導体装置の入出力端子２ａ，２ｂの配置及びアンテナ４，４ａ，４ｂの巻回形状がこれに限定されるものではない。これらについては、必要に応じて適宜設計することができる。

第１実施形態に係る半導体装置の平面図である。第２実施形態に係る半導体装置の平面図である。第３実施形態に係る半導体装置の平面図である。第４実施形態に係る半導体装置の平面図である。第５実施形態に係る半導体装置の平面図である。第６実施形態に係る半導体装置の平面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。微小ループアンテナより放射される電界及び磁界の説明図である。表皮効果の説明図である。

符号の説明

１ＩＣ素子
２，２ａ，２ｂ入出力端子
３絶縁層
４，４ａ，４ｂアンテナ

Claims

ＩＣ素子と当該ＩＣ素子上に一体形成されたアンテナとからなるパッシブタイプの半導体装置であって、前記アンテナとして、一端が前記ＩＣ素子の入出力端子に接続され、他端が開放されたコイルを備えたことを特徴とする半導体装置。
前記ＩＣ素子上に複数個の前記コイルを形成し、各コイルの一端を前記ＩＣ素子に形成された複数の入出力端子のそれぞれに個別に接続したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記ＩＣ素子上に、前記入出力端子との接続端から見て同一方向に巻回された複数個の前記コイルを形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記ＩＣ素子として８００ＭＨｚ以上のキャリア周波数に対応できるものを用いると共に、前記アンテナの厚みをｈ、キャリアの角周波数をω、前記アンテナの導電率をκ、前記アンテナの透磁率をμとしたとき、前記アンテナの厚みｈを下記の不等式を満たす範囲に設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。