JP2006191566A - 無線周辺装置内に埋め込まれた非共振アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】信号損失及びインピーダンス問題を回避する。
【解決手段】
周辺装置（１０）は、ハウジング（１２）、半導体デバイス（１６）、およびアンテナ（２４、３４）を含む。周辺装置は、無線周波数（ＲＦ）制御信号を生成して、それをホスト装置に送る。半導体デバイスは、ハウジング内に含まれており、ＲＦ制御信号を生成する。アンテナは、半導体デバイス内に関連に含まれており、ＲＦ制御信号をホスト装置に送る。
【選択図】図２

Description

本発明は、周辺装置内に埋め込まれたアンテナに関する。

パーソナルコンピュータ、ワークステーション、及び関連するホスト装置に対して周辺装置を接続するための様々な手法が提供されている。従来の一般的な方法として、ホスト装置内に設けられている標準的なシリアル又はパラレルポートに対して周辺装置からケーブル接続する方法があるが、さらに、周辺装置およびホスト装置間に無線通信を提供するためのいくつかの手法が使用されている。このような無線技術のいくつかにおいては、赤外線トランスミッタ及びレシーバを必要とし、その他の無線技術においては、高周波（ＲＦ）通信リンクを必要としている。

このようなＲＦリンクを使用する無線周辺装置には、典型的には、その周辺装置内に格納されたプリント回路基板上、又は、場合によっては該プリント回路基板内に形成されたループアンテナが含まれている。例えば、無線マウスは、その表面上に直接形成されたループアンテナを有するマウスプリント回路基板を含むことができる。このような装置を、例えば、２７ＭＨｚで動作させる際には、プリント回路基板上に形成されたループアンテナは、３０ミリメートル×６０ミリメートル程度のものになろう。このような寸法を有する２７ＭＨｚアンテナによれば、ホスト装置に対して相対的に近接配置された周辺装置から（例えば、周辺装置およびホスト装置間の離隔距離が１〜２メートル未満）、良好な信号を提供することができる。

しかしながら、このようなアンテナには、抵抗損失が含まれる。ＲＦトランスミッタのインピーダンスをアンテナのインピーダンスに整合させる努力を払った場合にも、アンテナ接続と直列の抵抗損失が常に存在することになる。現に、アンテナ自体と直列の損失が存在する。このような抵抗損失には、アンテナを形成している金属トレースの抵抗が含まれると共に、高周波数において、プリント回路基板の表面近傍の金属の薄い層内に電流を流させることとなる表皮効果が含まれる。

又、いくつかの無線周辺装置は、２．４ＧＨｚなどの更に高い周波数において動作している。しかしながら、このような高周波数の装置は、周辺装置として、有意な実際的な成功を未だ収めるには至っていない。この理由の１つは、２７ＭＨｚ装置などの相対的に低い周波数の装置と比べた場合に、このような高周波数装置の電力消費量が大きいということにある。さらに、このような装置は、通常、多少複雑であり、よって高価である。ギガヘルツレンジのこのような高周波数の装置は、通常、回路基板上の１つの場所から別の場所に高周波信号を駆動するので、かなりのインピーダンス制御を必要とする。又、通常、すべてのリードを、遮蔽して、且つ可能な限り短く保つと共に、すべての信号トレースの寸法を可能な限り厳密に制御することにより、反射や電力損失を防止しなければならない。このような要件は、通常、多くのアプリケーションの低コスト及び低電力要件とは、相容れないものである。

以上の理由から、本発明に対するニーズが存在している。

本発明の一側面によれば、ホスト装置と共に使用する周辺装置が提供される。この周辺装置は、ハウジング、半導体デバイス、及びアンテナを含む。この周辺装置は、高周波（ＲＦ）制御信号を生成し、ホスト装置に対して伝送する。該半導体デバイスは、ハウジング内に格納されており、ＲＦ制御信号を生成する。アンテナは、該半導体デバイス内に完全に格納されており、該ＲＦ制御信号をホスト装置に対して伝送する。

図面が、本発明を十分に理解できるようにするよう含まれており、これらの図面は、本発明の実施例を示しており、以下の説明と共に、本発明の原理を説明するのに有用である。本発明のその他の実施例及び本発明の意図する利点の多くについては、以下の詳細な説明を参照することにより、その理解が深まると共に、容易に理解することができよう。尚、図面の各要素の互いの相対的な寸法は、必ずしも正確なものになってはいない。又、類似の参照符号を使用することにより、対応する類似の部分を示している。

以下の詳細な説明においては、本発明を実施可能な具体的な実施携帯の例を示す図面を参照している。この点において、「最上部(top)」、「底部(bottom)」、「前(front)」、「後(back)」、「先頭(leading)」、及び「後続(trailing)」などの方向を示す用語は、その説明対象の図面の向きに基づいて使用されている。そして、本発明の実施例のコンポーネントは、いくつかの異なる向きに配置可能であるため、これらの方向を示す用語は、例示を目的として使用されており、決して限定を意図するものではない。又、本発明の範囲を逸脱することなしに、その他の実施例を利用可能であると共に、構造的又は論理的な変更を加えることが可能であることを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は、限定を意図するものと解釈してはならず、本発明の範囲は、特許請求の範囲に定義されているとおりである。

図１は、本発明の一実施例による無線周辺装置１０を示している。この無線周辺装置１０は、ハウジング１２、プリント回路基板１４、及び半導体チップ１６を含む。一実施例においては、この無線周辺装置１０は、パーソナルコンピュータ上のポインタを制御するべく、パーソナルコンピュータに接続可能な無線マウスである。又、他の実施例においては、この無線周辺装置１０は、トラックボール、キーボード、及びデジタイジングテーブル(digitizing table)などの他の周辺機器を構成可能である。いずれの場合にも、この無線周辺装置１０は、制御情報をホスト装置に送信するべく、コンピュータ、ワークステーション、又は関係するホスト装置と通信状態にある。例えば、この無線周辺装置１０が無線マウスである場合には、これは、ホストコンピュータ上の画面ポインタの位置を制御する制御情報を送信することになる。無線周辺装置１０は、高周波（「ＲＦ」）トランスミッタ及びレシーバのペアを利用して制御情報を伝送しており、この結果、周辺装置およびホスト装置間のケーブル接続が不要となる。

無線周辺装置１０が無線マウスである一実施例においては、半導体チップ１６は、光学マウスの下方において反射した光学信号を受信するナビゲーションセンサである。光学マウスアプリケーションにおいては、このようないくつかのナビゲーションセンサの半導体チップが使用可能である。尚、このような光学ナビゲーションセンサチップの１つが、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手可能なＡＤＮＳ−２０３０である。そして、このようなナビゲーションセンサは、コンピュータマウス用の非機械的な追跡エンジンを使用している。即ち、この種のナビゲーションセンサにおいては、連続した表面の画像（すなわち、フレーム）を光学的に取得し、移動の方向および大きさを数学的に算出することにより、マウスの位置の変化を計測している。

ＡＤＮＳ−２０３０ナビゲーションセンサチップなどの従来技術によるアプリケーションにおいては、移動の方向および大きさを表すナビゲーションセンサ内の信号は、該チップから、マイクロコントローラ及び付随の回路を介して、プリント回路基板１４上（又は、その内部）に設けられているループ（又は、これに類似した）アンテナに送信される。こうして、ナビゲーション制御情報は、半導体チップ１６から、回路基板１４上のアンテナに、そして該アンテナを介して、ホスト装置内に存在するレシーバに伝送されることとなり、該ホスト装置は、無線周辺装置１０と通信状態にある。尚、このプリント回路基板上に形成されるループアンテナは、直径が２インチ（５．０８ｃｍ）程度のループアンテナであってよい。例えば、３０ミリメートル×６０ミリメートルのループアンテナを、プリント回路基板上のトレースとして形成可能である。２．４ＧＨｚアプリケーションの場合にも、このようなアンテナをプリント回路基板上に形成することにより、そのアンテナを共振させて、ホスト装置に該周辺装置が相対的に近接した状態で（特に、これらの離隔距離が、わずか数メートル以下の状況において）ＲＦ信号を非常に良好に伝送するよう機能させることができる。

しかしながら、本発明による半導体チップ１６の場合には、埋め込み型のアンテナを含んでおり、このようなプリント回路基板１４上のアンテナが不要になっている。この結果、半導体チップ１６内の制御信号を、ホスト装置に送信する前に、チップ１６から外部に取り出してプリント回路基板１４にルーティングする必要はなく、該制御信号は、ＲＦ信号の形態で、半導体チップ１６内からホスト装置に対して直接伝送されることになる。

こうして、半導体チップ１６がナビゲーションセンサである無線マウスアプリケーションの場合には、ＲＦ信号を伝送するアンテナは、該ナビゲーションセンサチップ内に埋め込まれる。そして、この結果、移動の方向および大きさを表すナビゲーションセンサ内の制御信号が、ＲＦ信号の形態でホスト装置に伝送されることになる。

図２は、本発明の一実施例による、完全に一体化されたアンテナ２４を有する図１の半導体チップ１６の一部を示している。半導体チップ１６は、複数の半導体層及び金属層から構成されている。尚、図２においては、アンテナ２４がその上部に埋め込まれている半導体層２２を示すべく、半導体チップ１６の所定部分が除去されて示されている。アンテナ２４は、半導体層２２に隣接したチップ１６の周辺（外縁）に堆積されている。一実施例においては、このアンテナ２４は、半導体層２２に隣接した半導体チップ１６の金属層内に形成されている。こうして、このアンテナ２４は、半導体チップ１６内のモノリシックアンテナである。

このアンテナ２４には、第１、第２、及び第３のアンテナ端子パッド２６、２７、及び２８が電気的に接続されている。一実施例においては、第３のアンテナパッド２８は、半導体層２２内のバイアを通じて、接地に（又は、基板層に）に接続されている。この結果、このアンテナ２４の場合には、第１及び第３の端子パッド２６及び２８に接続されているアンテナ２４の端部が接地されている。アンテナ２４用の駆動信号は、第２の端子パッド２７に供給されることになる。この実施例においては、市販のプローブ装置による計測を円滑に実行するべく、２つではなく、３つの端子を実装している。従って、端子パッド２６及び２８を１つのノードに統合することも可能であると共に、モノリシック回路及びアンテナの組み合わせからＲＦエネルギーを伝送するには、プローブパッドは不要であることを理解されたい（但し、これらは、計測には便利である）。

動作の際には、無線周辺装置１０の半導体チップ１６内で生成された制御信号は、アンテナ２４の第２の端子パッド２７に入力される。こうして、この制御信号は、アンテナ２４により、半導体チップ１６内からＲＦ信号の形態でホスト装置に対して直接伝送されることになる。

プリント回路基板１４から半導体チップ１６内へのアンテナの移動は、多くの点において、直観に反している(counterintuitive)。即ち、アンテナを介して伝送されるＲＦ信号の信号強度は、伝送信号の波長に対するアンテナの相対的な長さの関数である。そして、無線マウスアプリケーションなどの多くの周辺／ホスト間の無線アプリケーションにおいては、共振アンテナが望ましい。この種のアンテナは、アンテナの長さが伝送信号の波長の少なくとも１／４になるように構成されている。現在の多くの無線マウスアプリケーションにおいては、２７ＭＨｚが一般的な周波数であり、従って、この信号に対応する波長は、１１メートルものオーダーになる。このため、このような無線マウスアプリケーション用のアンテナは、従来、プリント回路基板上に設けられていた。というのも、長さ／波長の比率が小さなアンテナの場合には、プリント回路基板上に、必要なスペースが存在しているからである。一方、いくつかの無線マウスアリケーションにおいて使用されている２．４ＧＨｚ周波数の場合には、この信号に対応する波長は、５インチ（１２．７ｃｍ）のオーダーになるが、この場合にも、従来、これらを収容するのに必要なスペースが存在しているプリント回路基板上に、共振アンテナを配置してきた場合が多い。

しかしながら、本発明のアンテナ２４は、半導体チップ１６内に埋め込まれている。この半導体チップ１６の一実施例においては、このアンテナ２４の寸法は、アンテナ２４がその周りを伸長している半導体層２２の外周のサイズによって限定される。一実施例においては、この半導体層２２の外周は、約３ミリメートル×５ミリメートルのレベルである。従って、このようなアンテナの辺の長さでは、そのスペース内に共振アンテナを形成することはほぼ不可能である。しかしながら、本発明によれば、十分に動作し、且つ更なる利点を提供する満足のいく非共振アンテナ２４を生成することができる。即ち、アンテナ２４は、確かに小さいが、このアンテナは、十分に機能するよう、伝送波長の有意且つ十分な割合に相当する十分な長さを依然として具備している。

例えば、チップ外のアンテナに信号を伝達するために通常必要とされる接続は、もはや不要である。一実施例においては、半導体チップ１６は、複数の半導体層を含むと共に、複数の金属層を含んでいる。そして、これらの金属層（これは、例えば、複数のアルミニウム層であってよい）が、半導体チップ１６内において信号を相互接続し、複数のワイヤボンドにより、チップ内の信号をチップ外に搬送している。又、本発明の一実施例においては、このようなワイヤボンドに依存することなしに、ＲＦトランスミッタによってアンテナ２４を駆動可能な導電性ループを金属層が形成するように、金属層自体によってアンテナ２４を形成している。この結果、信号をアンテナ２４に接続するためのワイヤボンドないし接続が不要になっている。この結果、プリント回路基板１４上に配置されたアンテナに半導体チップ１６から信号をルーティングすることに伴う信号損失およびインピーダンス問題も制限されることになる。

アンテナ２４を長くして、生成されるＲＦ信号を強くするため、いくつかの金属層上にアンテナ２４を構成可能である。場合によっては、最大５つの金属層を使用することができる。又、アンテナ２４を、層の１つ又は複数のものの上においてスパイラルアンテナとすることにより、更に伸長することが可能である。

無線周辺装置１０が無線マウスである実施例においては、周辺装置１０は、ホスト装置に対して相対的に近接した状態に位置することになる。ここで、ホスト装置は、一例として、コンピュータである。多くのアプリケーションにおいては、無線マウスなどの無線周辺装置１０は、わずかに１〜２メートルしか、ホスト装置コンピュータから離隔していない。そして、このような場合には、例えば、その長さと２７ＭＨｚ又は２．４ＧＨｚの伝送周波数とに基づいて、アンテナ２４が非共振である場合にも、該アンテナ２４は、十分に機能するべく、伝送波長の有意且つ十分な割合に相当する十分な長さを依然として具備している。

図３は、製造段階における図１の半導体チップ１６の一部を示している。リードフレーム３０の一部が示されており、この上部に、半導体チップ１６などの複数の半導体チップを取り付けることができる。この図示のリードフレーム３０の本体３２は、外に向かって伸長する複数のリード３３を有している。この図示の本体３２から外に向かって伸長しているリード３３は、隣接する本体（図３には示されてはいない）からのリードと接続するよう、点在されている。当該技術分野において周知のように、このリードフレーム３０上に半導体チップ１６を取り付けた後、それぞれの個別のリードフレームパッケージを分離する。そして、プリント回路基板又はこれに類似したメカニズムに対して取り付けるよう、複数のリード３３を曲げることができる。

但し、従来のリードフレーム３０上におけるチップの取り付けとは異なり、この本体３２は、本発明の一実施例による完全に一体化されたアンテナ３４を有している。一実施例においては、このアンテナ３４は、半導体デバイスをリードフレーム３０上に取り付ける以前に、図３に示されているように、リードフレーム３０の本体３２と同時に形成される。この結果、このアンテナ３４は、前述のモノリシックアンテナ２４と同様に、パッケージ化された半導体チップ１６と完全に一体化される。従って、プリント回路基板１４上に配置されたアンテナに対して半導体チップ１６から信号をルーティングすることに伴う信号損失及びインピーダンス問題を回避することができる。

このようにリードフレーム３０上にアンテナ３４を埋め込む手法は、前述のモノリシックアンテナと比べて、更なるスペースが得られるという利点を有している。一実施例においては、半導体パッケージは、長さが約１インチ（２．５４ｃｍ）であり、幅が約０．６インチ（１．５２ｃｍ）であって、この結果、このリードフレーム３０の本体３２により、アンテナ３４を形成するための約０．５×０．５インチ（１．２７ｃｍ）のスペースが提供されることになる。信号波長の大きな割合に相当する長さを具備したアンテナを提供するよう、このスペース内に、円形、正方形、又はその他の形状のアンテナ３４を形成することができる。こうして、アンテナ３４は、伝送周波数（例：２７ＭＨｚ又は２．４ＧＨｚ）と比べたその長さに基づいて、非共振ではあるものの、このアンテナ３４は、十分に機能するべく伝送波長の有意且つ十分な割合に相当する十分な長さを依然として具備することになる。

尚、この埋め込み型アンテナ３４は、リードフレーム３０上に形成されているため、アンテナ３４に伝送する信号をルーティングするためのワイヤボンド又はこれに類似したコネクタを具備することになる。この接続により、前述のモノリシックアンテナ２４の場合と比べて、信号損失及びインピーダンス変動がわずかに追加されることになる。又、金属層内にアンテナ２４を形成するのに使用するリソグラフィー又はこれに類似したプロセスは、アンテナ３４に関連して使用するワイヤボンド又はこれに類似したコネクタプロセスと比べて、より正確に制御可能であるため、モノリシックアンテナ２４と比べた場合に、チップごとに多少の変動が存在するおそれがある。しかしながら、いずれにしても、リードフレーム３０上にアンテナ３４を埋め込むことにより、プリント回路基板１４上に配置されたアンテナに半導体チップ１６から信号をルーティングすることに伴う信号損失及びインピーダンス問題が依然として回避されることになる。

以上、特定の実施例について例示及び説明したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなしに、これらの例示及び説明した特定の実施例を様々な代替及び／又は等価な実現によって置換可能であることを理解するであろう。本出願は、本明細書において説明した特定の実施例の適合又は変形を包含することを意図するものである。従って、本発明を限定するものは、特許請求の範囲並びにその等価物のみである。

本発明の一実施例による周辺装置の平面図。 本発明の一実施例によるシリコン層上に形成されたモノリシックアンテナの平面図。 本発明の一実施例によるリードフレームパッケージの内部に形成されたアンテナ。

符号の説明

１０ 周辺装置
１２ ハウジング
１６ 半導体デバイス
２４、３４ アンテナ
３０ リードフレーム

Claims (10)

1. 高周波（ＲＦ）制御信号を生成し、該信号をホスト装置に対して伝送する周辺装置（１０）であって、
   ハウジング（１２）と、
   前記ハウジング内に格納され、前記ＲＦ制御信号を生成する半導体デバイス（１６）と、
   前記半導体デバイス（１６）内に完全に格納され、前記ＲＦ制御信号を前記ホスト装置に対して伝送するアンテナ（２４、３４）と、
   を備える、装置。
2. 前記半導体デバイスは、さらに、
   複数の半導体層と、
   複数の金属層と、
   を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記半導体デバイスは、さらに、
   リードフレームと、
   前記リードフレーム上に形成された複数の半導体層と、
   を有する、請求項１に記載の装置。
4. 周辺装置ハウジング（１２）と、
   前記周辺装置ハウジング内に搭載され、高周波（ＲＦ）制御信号を生成してホスト装置に送信する半導体デバイス（１６）と、を有し、
   前記半導体デバイスは、
   リードフレーム（３０）と、
   複数の半導体層と、
   複数の金属層と、
   アンテナと、
   前記リードフレーム、前記複数の半導体層、及び前記アンテナを格納するプラスチックハウジングと、
   をさらに有している、周辺装置（１０）。
5. 前記アンテナは、前記複数の半導体層のうちの１つの半導体層上、および前記金属層のうちの１つの金属層内に形成される、
   請求項２または４に記載の装置。
6. 前記アンテナは、前記リードフレームの１２ミリメートル×１２ミリメートルのスペース内に形成されるか、又は前記半導体デバイスの５ミリメートル×５ミリメートルのスペース内に形成される、
   請求項１、３、又は４に記載の装置。
7. 前記アンテナは、前記リードフレーム上に直接形成される、
   請求項３又は４に記載の装置。
8. 前記ＲＦ制御信号の送信は、２７ＭＨｚ〜２．４ＧＨｚの周波数において伝送される、
   請求項１又は４に記載の装置。
9. 高周波（ＲＦ）制御信号を生成してホスト装置に送信する周辺装置内において使用する半導体デバイス（１６）を製作するための方法であって、
   リードフレーム（３０）を設けるステップと、
   半導体材料の層を有する半導体チップを、前記リードフレーム上に取り付けるステップと、
   金属層を設けるステップと、
   アンテナ（２４、３４）を製作するステップと、
   前記リードフレーム、前記半導体チップ、前記金属層、及び前記アンテナをプラスチックハウジング内に封入するステップと、
   を含む、方法。
10. 前記アンテナを製作するステップは、
    前記金属層内、又は前記リードフレーム上に前記アンテナを製作するステップを含む、
    請求項９に記載の方法。
    
    

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