JP2009025931A - 無線ｉｃデバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない工程でモジュールを基材に実装でき、安価に製作可能な無線ＩＣデバイス及びその製造方法を得る。
【解決手段】送受信信号を処理する無線ＩＣチップ５と、インダクタンス素子を有する共振回路を含む給電回路基板１０とからなる電磁結合モジュール１と、基材５０の表面に設けた放射板２１ａ，２１ｂを備えた無線ＩＣデバイス。電磁結合モジュール１は少なくとも一部分が放射板２１ａ，２１ｂに埋設されている。放射板２１ａ，２１ｂは、粘性を有する導電性材料を塗布したものであり、電磁結合モジュール１を埋設した後に硬化される。
【選択図】図３

Description

本発明は、無線ＩＣデバイス、特に、ＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)システムに用いられる無線ＩＣチップを有する無線ＩＣデバイス及びその製造方法に関する。

近年、物品の管理システムとして、誘導電磁界を発生するリーダライタと物品や容器などに付された所定の情報を記憶したＩＣチップ（ＩＣタグ、無線ＩＣチップとも称する）とを非接触方式で通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが開発されている。

特許文献１には、ＩＣとアンテナとを備えたＩＣカードが記載されている。このＩＣカードでは、プラスチックフィルム上に導電性インクをスクリーン印刷することによりアンテナを形成し、該アンテナ上に異方導電性フィルムを用いてＩＣを実装している。

しかしながら、このＩＣカードでは、アンテナを形成する導体と該導体を囲むように形成したいま一つの導体とに導通するようにＩＣを実装する必要があり、高い実装精度が要求されていた。また、アンテナとなる導電性インクを乾燥・硬化させた後、ＩＣを異方導電性フィルムで接着するため、製造に時間を要し、ＩＣカードがコストアップしてしまう。さらに、ＩＣはアンテナ上に搭載されているだけであり、カードに衝撃が加わると、ＩＣの脱落・破損が生じるという問題点も有していた。
特開平８−２１６５７１号公報

そこで、本発明の目的は、少ない工程でモジュールを基材に実装でき、安価に作製可能な無線ＩＣデバイス及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、第１の発明に係る無線ＩＣデバイスは、
送受信信号を処理する無線ＩＣチップと、
インダクタンス素子を含み、該インダクタンス素子が前記無線ＩＣチップと電気的に導通状態で接続されている給電回路基板と、
前記インダクタンス素子と結合するように配置された放射板と、
前記放射板を設けた基材と、
を備え、
前記無線ＩＣチップを前記給電回路基板上に搭載して電磁結合モジュールを構成し、
前記電磁結合モジュールの少なくとも一部分が前記放射板に埋設されていること、
を特徴とする。

第１の発明に係る無線ＩＣデバイスにおいては、放射板で受信された信号によって共振回路及び／又は整合回路を介して無線ＩＣチップが動作され、該無線ＩＣチップからの応答信号が共振回路及び／又は整合回路を介して放射板から外部に放射される。そして、電磁結合モジュールは少なくとも一部分が放射板に埋設されているため、給電回路基板と放射板との結合が密になり、放射特性が向上するとともに機械的な固定強度、耐衝撃性が向上する。また、放射板が硬化する前の粘性を保った状態で電磁結合モジュールを実装することができ、放射板の形成工程と電磁結合モジュールの実装工程を同時に行うことができ、製造工程が削減され、低コスト化での製造が可能になる。しかも、放射板と電磁結合モジュールとの距離公差がそれほど問題にはならず、放射板とインダクタンス素子との結合をほぼ一定とすることができる。

また、第１の発明に係る無線ＩＣデバイスにおいては、無線ＩＣチップを給電回路基板上に搭載して電磁結合モジュールを構成しているため、微小な無線ＩＣデバイスを小型の給電回路基板上に容易に実装することができる。ＲＦＩＤシステムの使用周波数に応じて無線ＩＣチップを変更した場合、給電回路基板の共振回路及び／又は整合回路の設計を変更するだけでよく、放射板の形状やサイズ、配置、あるいは、放射板と給電回路基板との結合状態まで変更する必要はない。

第１の発明に係る無線ＩＣデバイスにおいて、放射板と共振回路及び／又は整合回路との結合度を向上させるためには、給電回路基板の裏面と少なくとも一つの側面とが放射板に接触していることが好ましく、給電回路基板の上面にも放射板が接触していることがより好ましい。

放射板は給電回路基板の表面に直接的に接合されていてもよいが、給電回路基板の表面に共振回路及び／又は整合回路と電磁界結合する外部電極を形成し、該外部電極を放射板と電気的に接続することが好ましい。外部電極と放射板とは金属間の接続であるため、接合強度が向上する。無線ＩＣチップ及び／又は給電回路基板が保護膜により覆われていることが好ましい。耐環境性が向上する。

また、複数の放射板が所定の間隔を保持して配置され、給電回路基板の共振回路及び／又は整合回路が複数の放射板と電磁界結合するように配置されていてもよい。複数の放射板を設けて共振回路及び／又は整合回路と電磁界結合させることにより、放射特性及び指向性が向上する。

給電回路基板はセラミックや液晶ポリマなど樹脂からなる多層基板で構成されていてもよい。多層基板で構成すれば、インダクタンス素子やキャパシタンス素子を高精度に内蔵可能であり、電極の形成の自由度が向上する。

なお、無線ＩＣチップは、本無線ＩＣデバイスが取り付けられる物品に関する各種情報がメモリされている以外に、情報が書き換え可能であってもよく、ＲＦＩＤシステム以外の情報処理機能を有していてもよい。

第２の発明に係る無線ＩＣデバイスの製造方法は、
放射板を形成するための基材を用意する工程と、
インダクタンス素子を含む給電回路基板上に、送受信信号を処理する無線ＩＣチップを該インダクタンス素子と電気的に導通状態で搭載し、電磁結合モジュールを構成する工程と、
前記基材上に粘性を有する導電性材料により放射板を形成する工程と、
前記電磁結合モジュールをその少なくとも一部分が前記放射板に埋設されるように実装する工程と、
前記導電性材料を硬化させる工程と、
を備えていることを特徴とする。

第２の発明に係る製造方法によれば、粘性を有する導電性材料によって基材上に形成された放射板に電磁結合モジュールを埋設することで電磁結合モジュールを実装することができ、製造工程が簡略化され、コストダウンを図ることができる。また、給電回路基板と放射板との結合が密になり、放射特性や固定強度が向上し、結合度のばらつきが小さくなる。

本発明によれば、製造工程を簡略化でき、コストダウンを図ることができるとともに、給電回路基板と放射板との結合を密にすることができ、結合度のばらつきも小さくなり、電磁結合モジュールと放射板との接合強度も向上する。また、給電回路基板は小型に構成されており、微小な無線ＩＣチップであっても従来の実装機を用いて給電回路基板上に容易に実装することができ、実装コストが低減する。しかも、使用周波数帯を変更する場合には、共振回路及び／又は整合回路の設計を変更するだけでよい。

以下、本発明に係る無線ＩＣデバイス及びその製造方法の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（電磁結合モジュール、図１及び図２参照）
まず、本発明に係る無線ＩＣデバイスを構成する電磁結合モジュールについて図１及び図２を参照して説明する。この電磁結合モジュール１は図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、所定周波数の送受信信号を処理する無線ＩＣチップ５と、該無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０とからなる。

無線ＩＣチップ５は、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、必要な情報がメモリされており、図２に示すように、裏面に入出力端子電極６，６及び実装用端子電極７，７が設けられている。入出力端子電極６，６が給電回路基板１０の表面に設けた電極１２ａ，１２ｂ（図８参照）に金属バンプ８を介して電気的に接続されている。また、実装用端子電極７，７が電極１２ｃ，１２ｄに金属バンプ８を介して電気的に接続されている。なお、金属バンプ８の材料としては、Ａｕ、半田などを用いることができる。

また、給電回路基板１０の表面と無線ＩＣチップ５の裏面との間には保護膜９が設けられている。

給電回路基板１０は、インダクタンス素子を有する共振回路（図１では省略）を内蔵したもので、表面には接続用電極１２ａ〜１２ｄ（図８）が形成されている。図１（Ａ）に示すモジュール１では、共振回路が給電回路基板１０の表面に配置された放射板２１ａ，２１ｂ（図３参照）と電磁界結合する。

図１（Ｂ）に示すモジュール１では、給電回路基板１０の裏面に設けた外部電極１９ａ，１９ｂが共振回路と電磁界結合する。このモジュール１においては、放射板２１ａ，２１ｂ（図３参照）が導電性接着剤、半田などを介して外部電極１９ａ，１９ｂに電気的に導通状態で接続される。なお、外部電極１９ａ，１９ｂは基板１０の裏面から両側部、さらには上面にわたって形成されていてもよい。

図１（Ｃ）に示すモジュール１は給電回路基板１０の表面に無線ＩＣチップ５を覆うエポキシ系、ポリイミド系などの樹脂製の保護膜２３を設けたものである。保護膜を設けることで、耐環境性が向上する。

給電回路基板１０には所定の共振周波数を有する共振回路が内蔵されており、無線ＩＣチップ５から発信された所定の周波数を有する送信信号を外部電極１９ａ，１９ｂを介して、あるいは直接的に、放射板２１ａ，２１ｂ（図３参照）に伝達し、かつ、放射板２１ａ，２１ｂで受けた信号から所定の周波数を有する受信信号を選択し、無線ＩＣチップ５に供給する。それゆえ、この無線ＩＣデバイスは、放射板２１ａ，２１ｂで受信された信号によって無線ＩＣチップ５が動作され、該無線ＩＣチップ５からの応答信号が放射板２１ａ，２１ｂから外部に放射される。

また、外部電極１９ａ，１９ｂを設けた場合には、外部電極１９ａ，１９ｂと放射板２１ａ，２１ｂとは金属間の接続であるため、接合強度が向上する。

（第１実施例、図３及び図４参照）
図３に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第１実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、樹脂フィルムなどの基材５０の表面に放射板２１ａ，２１ｂが粘性を有する導電性ペーストの塗布などによって設けられており、前記電磁結合モジュール１は、導電性ペーストが粘性を保持している状態で、給電回路基板１０の裏面から側面が導電性ペーストに埋設されている。

第１実施例である無線ＩＣデバイスは図４に示す以下の工程によって製造される。
（１）基材５０を用意する工程（図４（Ａ）参照）。
（２）給電回路基板１０上に、無線ＩＣチップ５を基板１０に内蔵されている共振回路と電気的に導通状態で搭載し、電磁結合モジュール１を構成する工程。
（３）基材５０上に粘性を有する導電性材料により放射板２１ａ，２１ｂを形成（塗布）する工程（図４（Ｂ）参照）。
（４）電磁結合モジュール１をその給電回路基板１０のほぼ２／３が放射板２１ａ，２１ｂに埋設されるように実装する工程（図４（Ｃ）参照）。
（５）導電性材料を硬化させる工程。

以上の製造方法において、放射板２１ａ，２１ｂの形成と電磁結合モジュール１の実装は同時に行われる。それゆえ、製造工程が簡略化され、低コストでの製造が可能になる。電磁結合モジュール１を埋設する精度をそれほど高くしなくても放射板と共振回路とを所定の値で電磁界結合させることができ、放射特性が良好である。また、給電回路基板１０と放射板２１ａ，２１ｂの接合強度も高く、電磁結合モジュール１の耐衝撃性が向上する。

（第２実施例、図５参照）
図５に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第２実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、給電回路基板１０の裏面から側面及び上面にわたって、換言すれば、無線ＩＣチップ５以外を放射板２１ａ，２１ｂに接触させて放射板２１ａ，２１ｂに埋設した状態で電磁結合モジュール１を基材５０上に実装したものである。放射板２１ａ，２１ｂと共振回路との結合がより大きくなり、機械的な接合強度も向上する。

（第３実施例、図６参照）
図６に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第３実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、図１（Ｃ）に示したように、保護膜２３で無線ＩＣチップ５や給電回路基板１０を覆った電磁結合モジュール１を用いたものである。本第３実施例では、放射板２１ａ，２１ｂが電磁結合モジュール１の上面にも接触している。

（第４実施例、図７参照）
図７に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第４実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、前記第３実施例と同様に、保護膜２３を備えた電磁結合モジュール１を用いており、放射板２１ａ，２１ｂが電磁結合モジュール１の全上面に接触している。

（共振回路の一例、図８参照）
給電回路基板１０に内蔵された共振回路の一例を図８に示す。この給電回路基板１０は、誘電体からなるセラミックシート１１Ａ〜１１Ｈを積層、圧着、焼成したもので、シート１１Ａには接続用電極１２ａ，１２ｂと電極１２ｃ，１２ｄとビアホール導体１３ａ，１３ｂが形成され、シート１１Ｂにはキャパシタ電極１８ａと導体パターン１５ａ，１５ｂとビアホール導体１３ｃ〜１３ｅが形成され、シート１１Ｃにはキャパシタ電極１８ｂとビアホール導体１３ｄ〜１３ｆが形成されている。さらに、シート１１Ｄには導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｅ，１３ｆ，１４ａ，１４ｂ，１４ｄが形成され、シート１１Ｅには導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｅ，１３ｆ，１４ａ，１４ｃ，１４ｅが形成され、シート１１Ｆにはキャパシタ電極１７と導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｅ，１３ｆ，１４ｆ，１４ｇが形成され、シート１１Ｇには導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｅ，１３ｆ，１４ｆ，１４ｇが形成され、シート１１Ｈには導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｆが形成されている。

以上のシート１１Ａ〜１１Ｈを積層することにより、ビアホール導体１４ｃ，１４ｄ，１４ｇにて螺旋状に接続された導体パターン１６ａにてインダクタンス素子Ｌ１が構成され、ビアホール導体１４ｂ，１４ｅ，１４ｆにて螺旋状に接続された導体パターン１６ｂにてインダクタンス素子Ｌ２が構成され、キャパシタ電極１８ａ，１８ｂにてキャパシタンス素子Ｃ１が構成され、キャパシタ電極１８ｂ，１７にてキャパシタンス素子Ｃ２が構成される。

インダクタンス素子Ｌ１の一端はビアホール導体１４ｃ，１３ｄ、導体パターン１５ａ、ビアホール導体１３ｃを介してキャパシタ電極１８ｂに接続され、インダクタンス素子Ｌ２の一端はビアホール導体１４ａを介してキャパシタ電極１７に接続される。また、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２の他端は、シート１１Ｈ上で一つにまとめられ、ビアホール導体１３ｅ、導体パターン１５ｂ、ビアホール導体１３ａを介して接続用電極１２ａに接続されている。さらに、キャパシタ電極１８ａはビアホール導体１３ｂを介して接続用電極１２ｂに電気的に接続されている。

そして、接続用電極１２ａ，１２ｂが金属バンプ８（図１参照）を介して無線ＩＣチップ５の端子電極６，６（図２参照）と電気的に接続される。電極１２ｃ，１２ｄは無線ＩＣチップ５の端子電極７，７に接続される。

また、給電回路基板１０の裏面には外部電極１９ａ，１９ｂが導体ペーストの塗布などで設けられ、外部電極１９ａはインダクタンス素子Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）と電磁界により結合し、外部電極１９ｂはビアホール導体１３ｆを介してキャパシタ電極１８ｂに電気的に接続される。

なお、この共振回路において、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２は２本の導体パターン１６ａ，１６ｂを並列に配置した構造としている。２本の導体パターン１６ａ，１６ｂはそれぞれ線路長が異なっており、異なる共振周波数とすることができ、無線ＩＣデバイスを広帯域化できる。

なお、各セラミックシート１１Ａ〜１１Ｈは磁性体のセラミック材料からなるシートであってもよく、給電回路基板１０は従来から用いられているシート積層法、厚膜印刷法などの多層基板の製作工程により容易に得ることができる。

また、前記シート１１Ａ〜１１Ｈを、例えば、ポリイミドや液晶ポリマなどの誘電体からなるフレキシブルなシートとして形成し、該シート上に厚膜形成法などで電極や導体を形成し、それらのシートを積層して熱圧着などで積層体とし、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２やキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２を内蔵させてもよい。

前記給電回路基板１０において、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２とキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２とは平面透視で異なる位置に設けられ、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２は外部電極１９ａ（放射板２１ａ）と磁界的に結合し、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２は外部電極１９ｂ（放射板２９ｂ）と電気的に接続している。

従って、給電回路基板１０上に前記無線ＩＣチップ５を搭載した電磁結合モジュール１は、図示しないリーダライタから放射される高周波信号（例えば、ＵＨＦ周波数帯）を放射板２１ａ，２１ｂで受信し、外部電極１９ａ，１９ｂと磁界結合及び電界結合している共振回路を共振させ、所定の周波数帯の受信信号のみを無線ＩＣチップ５に供給する。一方、この受信信号から所定のエネルギーを取り出し、このエネルギーを駆動源として無線ＩＣチップ５にメモリされている情報を、共振回路にて所定の周波数に整合させた後、外部電極１９ａ，１９ｂを介して放射板２１ａ，２１ｂに伝え、該放射板２１ａ，２１ｂからリーダライタに送信、転送する。

給電回路基板１０においては、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２とキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２で構成された共振回路にて共振周波数特性が決定される。放射板２１ａ，２１ｂから放射される信号の共振周波数は、共振回路の自己共振周波数によって実質的に決まる。

ところで、共振回路は無線ＩＣチップ５のインピーダンスと放射板２１ａ，２１ｂのインピーダンスを整合させるためのマッチング回路を兼ねている。給電回路基板１０は、インダクタンス素子やキャパシタンス素子で構成された共振回路とは別に設けられたマッチング回路を備えていてもよい（この意味で、共振回路を整合回路とも称する）。共振回路にマッチング回路の機能をも付加しようとすると、共振回路の設計が複雑になる傾向がある。共振回路とは別にマッチング回路を設ければ、共振回路、マッチング回路をそれぞれ独立して設計できる。

また、マッチング回路のみを備えた構成でも構わない。さらに、インダクタンス素子のみで給電回路基板内の回路を構成しても構わない。その場合、インダクタンス素子はアンテナである放射板２１ａ，２１ｂと無線ＩＣチップ５とのインピーダンス整合をとる機能を有している。

なお、図８に示した給電回路基板１０において、外部電極１９ａ，１９ｂは必ずしも必要ではなく、放射板２１ａ，２１ｂを外部電極１９ａ，１９ｂに代えて給電回路基板１０の裏面に直接接合されていてもよい。

（他の実施例）
なお、本発明に係る無線ＩＣデバイス及びその製造方法は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

例えば、共振回路は様々な構成のものを採用でき、放射板２１ａ，２１ｂは１本に連続しているものであってもよい。また、前記実施例に示した外部電極や給電回路基板の材料はあくまで例示であり、必要な特性を有する材料であれば、任意のものを使用することができる。さらに、無線ＩＣチップを給電回路基板に実装するのに、金属バンプ以外の処理を用いてもよい。

本発明に係る無線ＩＣデバイスを構成する各種の電磁結合モジュールを示す断面図である。 無線ＩＣチップを示す斜視図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第１実施例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 無線ＩＣデバイスの製造工程を示す説明図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第２実施例を示す断面図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第３実施例の要部を示す断面図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第４実施例の要部を示す断面図である。 共振回路の一例を内蔵した給電回路基板を示す分解斜視図である。

符号の説明

１…電磁結合モジュール
５…無線ＩＣチップ
１０…給電回路基板
１９ａ，１９ｂ…外部電極
２１ａ，２１ｂ…放射板
２３…保護膜
５０…基材
Ｌ１，Ｌ２…インダクタンス素子
Ｃ１，Ｃ２…キャパシタンス素子

Claims (11)

1. 送受信信号を処理する無線ＩＣチップと、
   インダクタンス素子を含み、該インダクタンス素子が前記無線ＩＣチップと電気的に導通状態で接続されている給電回路基板と、
   前記インダクタンス素子と結合するように配置された放射板と、
   前記放射板を設けた基材と、
   を備え、
   前記無線ＩＣチップを前記給電回路基板上に搭載して電磁結合モジュールを構成し、
   前記電磁結合モジュールの少なくとも一部分が前記放射板に埋設されていること、
   を特徴とする無線ＩＣデバイス。
2. 前記給電回路基板に共振回路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
3. 前記給電回路基板に整合回路が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線ＩＣデバイス。
4. 前記整合回路は前記放射板と前記無線ＩＣチップとのインピーダンス整合をとる機能を有することを特徴とする請求項３に記載の無線ＩＣデバイス。
5. 前記給電回路基板の裏面と少なくとも一つの側面とが前記放射板に接触していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
6. 前記給電回路基板の上面も前記放射板に接触していることを特徴とする請求項５に記載の無線ＩＣデバイス。
7. 前記給電回路基板の表面に前記共振回路及び／又は前記整合回路と電磁界結合する外部電極が形成され、該外部電極は前記放射板と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
8. 前記無線ＩＣチップ及び／又は前記給電回路基板が保護膜により覆われていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
9. 複数の前記放射板が所定の間隔を保持して配置され、
   前記給電回路基板の前記共振回路及び／又は前記整合回路が複数の前記放射板と電磁界結合するように配置されていること、
   を特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
10. 前記給電回路基板は多層基板で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
11. 放射板を形成するための基材を用意する工程と、
    インダクタンス素子を含む給電回路基板上に、送受信信号を処理する無線ＩＣチップを該インダクタンス素子と電気的に導通状態で搭載し、電磁結合モジュールを構成する工程と、
    前記基材上に粘性を有する導電性材料により放射板を形成する工程と、
    前記電磁結合モジュールをその少なくとも一部分が前記放射板に埋設されるように実装する工程と、
    前記導電性材料を硬化させる工程と、
    を備えたことを特徴とする無線ＩＣデバイスの製造方法。

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