JP2012221212A - 非接触型ｉｃモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】上下基板の表裏に敷設されたループ状回路の端子部の接続を不要とし、且つ多層であっても薄く平坦な非接触型ＩＣモジュールの提供すること。
【解決手段】少なくとも一方の面にループ状回路を備える第一の基板に、開口部周囲の少なくとも一方の面にループ状回路を備える第二の基板を積層し、前記開口部に露出する第一の基板上にＩＣチップをフェースダウン方式で実装したことを特徴とする非接触型ＩＣモジュールであって、前記開口部に露出する第一の基板上にコンデンサを実装したことを特徴とする非接触型ＩＣモジュールである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁気的な結合によって電源電力の受電、並びに信号の授受を行う非接触型ＩＣモジュールの構造に関する。

半導体メモリー等を内蔵するＩＣカードの登場により、従来の磁気カード等に比べて記憶容量が飛躍的に増大するとともに、マイクロコンピュータ等の半導体集積回路装置を内蔵することによってＩＣカード自体が演算処理機能を有することで情報媒体に高いセキュリティー性を付与することができるようになった。

ＩＣカードはＩＳＯ（International Organization for Standardization）で国際的に規格化されており、一般的に、プラスチックなどを基材とする名刺大のカード本体に半導体メモリー，ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）等のＩＣチップが内蔵されたものである。カード表面に外部読み書き装置との接続のために金属製の導電性端子を設け、外部読み書き装置のカードスロットに挿入して用いるものと、入退室等のゲート管理へ使用される、認証が主たる目的であるいわゆる非接触型ＩＣカードがある。

非接触型ＩＣカードは、空間に高周波電磁界の場を設けて、そのエネルギーを吸収、整流してカードに内蔵された電子回路を駆動する直流電力源とし、この場の交流成分の周波数をそのまま用いるか、或いは逓倍や分周して識別信号とし、この識別信号をアンテナコイルやコンデンサ等の結合器を介してＩＣチップの情報処理回路に伝送するものである。

特に、認証や単純な計数データ処理を目的とした非接触型ＩＣカードの多くは、電池とＣＰＵを搭載しないハードロジックの無線認証であり、この非接触型ＩＣカードの出現によって、従来の磁気カードに比較して偽造や改竄に対する安全性が高まるとともに、カードの携帯者は、ゲート通過に際して当該ゲート装置に取り付けられた読み書き装置のアンテナ部にカードを接近させるか、触れるかすれば情報交換ができるようになった。

非接触型ＩＣカードには、読み書き装置と交信するためのループ状のアンテナ回路とＩＣチップとを備えたＩＣモジュールが不可欠である。本明細書では、ＩＣチップとループ状回路からなる部分を非接触型ＩＣモジュールあるいは単にＩＣモジュールと記すが、これは、これ単体を別のカード基材に埋め込んで使用するためのものである。

さて、このＩＣモジュールの形態として図５に示す特許文献１に記載の形態が挙げられる。記載によれば該ＩＣモジュール１は、第一の基板２の中央部にＩＣチップと接続する端子部７を備え、該端子部７にＩＣチップ８をフェースダウン搭載し、第一のアンテナ回路４がＩＣチップ８を取り囲むようにループ状に形成され、第二のアンテナ回路（図示せず）が裏面側に形成されており、各アンテナ回路は、その端部が接続端子７と電気接続された構成である。

ループ状のアンテナ回路４を通じて電磁誘導される電力をＩＣチップ８の駆動電源として利用し、外部機器が近距離にある場合、電磁誘導された十分な電力及び信号強度が得られると記載されている。また、表裏にアンテナ回路４を敷設することで、一方を信号伝達用、他方をＩＣチップ駆動用の電磁誘導に使用する構成にすれば、信号処理及び電力誘起を同時に行えるという特徴を有するものである。

特許第３３０５８４３号公報 特許第３８００７６５号公報

ところが、より通信性能を向上させ、また多機能化しようとすると、大きさに制限のある一枚の基板にループ状回路他の配線回路を敷設するだけでは足りず、配線回路を多層化する必要がある。そうなると、上記の構成を踏襲する限り、図６に示すように、配線基板を複数枚積層することが必要で単層基板より厚さが厚くなり且つＩＣチップ８の部分で凸状形態となる結果、ＩＣモジュールを平坦で薄く且つ小型化できないという問題がある。また、使用時に外力に対する電子回路部分の耐久性を向上させるためＩＣチップ８部分を封止樹脂１２で保護すると厚みがますます厚くなり、上下基板の端子部７の接続安定性をより強化することが必要となる。
そこで、本発明は、上下基板の表裏に敷設されたループ状回路等配線回路の端子部の接続数をできるだけ低減し、且つ配線基板を多層化しても薄く平坦な非接触型ＩＣモジュールの提供を課題とした。

前記課題を達成するための請求項１に記載の発明は、少なくとも一方の面にループ状回路を備える第一の基板に、開口部周囲の少なくとも一方の面にループ状回路を備える第二の基板を積層し、前記開口部に露出する第一の基板上にＩＣチップをフェースダウン方式で実装したことを特徴とする非接触型ＩＣモジュールとしたものである。

請求項２に記載の発明は、前記開口部に露出する第一の基板上にコンデンサを実装したことを特徴とする請求項１に記載の非接触型ＩＣモジュールとしたものである。

請求項３に記載の発明は、前記開口部を、開口部側壁をダム枠として絶縁性樹脂で埋設したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非接触型ＩＣモジュールとしたものである。

請求項１の発明によれば、第二の基板に設けた開口部にＩＣチップが収容された状態で第一の基板上に実装されるので、第二の基板の厚み程度以下の厚さのＩＣチップを使用することで、平坦で薄い非接触型ＩＣモジュールを得ることができる。従来では、ＩＣチップの形状が凸型であれば、被搭載側のＩＣカード基材やフィギュアの取り付け部の形状を凹型とする必要があったが、本発明によれば凹型に限定されず、取り付け部の形状の自由度が広がる。
また、第一の基板の表裏と第二の基板の表裏の最大で４面にアンテナ回路の形成が可能であり、目的に応じてアンテナを敷設する面を選択できる。特に大きなインダクタンスを有するＩＣモジュールを得ることができる。

請求項２の発明によれば、コンデンサを搭載することにより、ＩＣモジュールの共振周波数の調整が可能であり、通信特性の一層の向上が可能となる。また、必要であれば複数個のコンデンサやインダクター、抵抗なども実装することができる。

請求項３の発明によれば、第二の基板の開口部側壁をダム枠として、開口部に厚み分だけ絶縁樹脂を埋め込んだ態様である。このことで実装したＩＣチップ、コンデンサ等種々の実装部品を保護すると同時に埋設部分を第２の基板面と面一にすることで、平坦な非接触型ＩＣモジュールを得ることができる。

本発明になる非接触型ＩＣモジュールの上面視の図である。 本発明になる非接触型ＩＣモジュールの断面視の図である。 本発明になる非接触型ＩＣモジュールの一例で樹脂封止した場合の断面視の図である。 本発明になる非接触型ＩＣモジュールでコンデンサを備えた場合の非接触型ＩＣモジュールの断面視図である。 従来技術に係る非接触型ＩＣモジュールのＩＣチップとアンテナ回路基板の接続状態を説明する斜視図の図である。 従来技術に係る樹脂封止の非接触型ＩＣモジュールの断面視の図である。

以下、図１から図４を使用して本発明を説明する。
ＩＣモジュール１には、外部読み書き装置の送受信コイルと直接的に電磁的結合をして電力の受信と情報の授受に関与するループ状アンテナ回路４が必要である。図示しない外部読み取り装置もＩＣモジュールと電磁的に結合して電力供給と情報授受を行うための送受信コイルを備えている。この送受信コイルにＩＣモジュール側のループ状回路４を近接させることで電力供給あるいは情報伝達が行われる。

外部読み書き装置の送受信回路で発生した高周波信号により、送受信コイルに高周波磁界が誘起される。この高周波信号は、磁気エネルギーとして周囲の空間に放射される。

ＩＣモジュール１がこの高周波磁界中に位置し、高周波磁界がＩＣモジュールのループ状アンテナ回路４を貫通すると、ＩＣモジュール内のコンデンサを含む並列共振回路に高周波電流が誘導される。誘導された高周波電流は、適切な結合回路を経てＩＣチップ８に流れ込むことになる。ループ状アンテナ回路４とＩＣチップ８間の電力の最大伝達効率は、ループ状アンテナ回路４のインダクタンス（巻き数など）、結合インダクタンス、配線抵抗など回路定数及びＩＣチップ８側の回路定数の選択によって決定される。

特に、ループ状アンテナ回路４についてはループの巻数を多くすることによって外部読み書き装置側の送受信回路との結合係数が大きくなり、読み書き装置側から伝達されるエネルギーが増大する。しかしながら、単層基板では十分な巻き数のループ回路を配置するのが難しいが、複数の基板にループ回路を小分けして配置することでインダクタンスを増大したり共振周波数の調整ができる。

図１にループ状アンテナ回路の敷設パターンの一例を示した。図２は図１の断面視の図である。アンテナ回路４を周回状に配線した第二の基板３の開口部５にＩＣチップ８を収容しつつ第一基板２にフェースダウン方式で実装した態様である。

第一基板２、第二基板の基材３としては耐熱性と耐溶剤性を兼ね備えたものであれば良く、ガラスエポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ)、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン等が使用できる。基板２，３の厚さは、例えば、８０μｍ〜１５０μmの範囲から適宜選択される。

ループ状アンテナ回路など配線パターンは、基板上にラミネートした銅箔またはアルミ箔を、定法のフォトリソ法によりエッチングして形成するか、導電性ペーストを使用した印刷法で形成しアニールする方法が採用できる。微細な配線パターンの形成には前者が好ましい。

第一基板２と第二基板３の表裏にアンテナ回路を形成した場合の基板表裏の配線間の導通は、レーザ照射あるいは機械的なドリリングでスルーホールを形成し、該スルーホールの側壁をメッキするか、スクリーン印刷を用いて導電性ペーストで埋設する方法を採用できる。ＩＣチップの実装は、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）や異方性導電ペースト（ＡＣＰ）を用いた接続あるいはハンダバンプを介したハンダ接続から選択できる。いずれにおいてもＩＣチップのフェースダウン方式での実装が可能である。

図３は、第二基板３に設けた開口部５の側壁をダム枠にして，ＩＣチップ８を絶縁樹脂１２で封止する態様である。封止方法としては、ディスペンサにより絶縁性樹脂を滴下する方法、あるいはスクリーン印刷により絶縁性樹脂膜１２を形成する方法を採用することができる。図３に示すように、樹脂封止面と第二基板３の上面が面一になるように高さを揃えると、完全にフラットな形態の非接触ＩＣモジュールを得ることができる。

絶縁性樹脂としては、主として熱硬化型のエポキシ樹脂を用いることができるが、用途によってはシリコン樹脂等を用いることも可能である。

図４は、第二基板３の開口部内に露出した第一基板２上にコンデンサ９を搭載する態様である。搭載するコンデンサ９の容量を変えることで、非接触ＩＣモジュールの共振周波数の調整が可能である。コンデンサとしてはチップコンデンサが好適である。

コンデンサ９の第一基板２への接続方法としては、導電インキによる接続、ハンダによる接続を使用することができる。コンデンサ９の搭載位置は、厚み方向としては、よりフラットな形状を求める場合や、絶縁樹脂封止を実施する場合は、図４に示すように第二基板３の上面高さより低い方が好ましい。横方向の位置は、開口部内でＩＣチップ８の横であれば位置は問わない。

第一基板２の表裏及び第二基板３の表裏の最大４面にアンテナ回路４の形成が可能であり、目的とする特性によって配置面を選択できる。従来は、図５に示すように第一基板２の表裏を利用してアンテナ回路４を形成してきたが、同じように第二の基板３の表裏にもアンテナ回路の形成が可能である。これにより最大で４面にアンテナ回路４が敷設可能となり、直列に接続することで大きなインダクタンスを得ることができる。尚、第二基板３の裏面と第一基板２の表面にアンテナ回路を敷設する場合には絶縁をとるための絶縁用レジスト層（図示せず）が必要である。

本発明になるＩＣモジュールは、カード基材に実装して使用される。カード基材としては、ポリエステル系、塩化ビニル系など公知の材料を使用できる。その際、カード基材側にブースターアンテナを形成しておき、本発明になる非接触ＩＣモジュールと電磁的に結合させて通信しても構わない。

以下，ＩＣモジュールの製造方法について説明するが概ね定法に沿うものである。

ＩＣモジュールにおける、上面視と断面視の配線パターンの一例を図１及び図２に示したが、配線パターンは，ＩＣチップ８を取り囲むように第一の基板２上にアンテナ回路を形成し、第二の基板３の裏面側にもアンテナ回路を形成したが、相互に接触しないように配設してある。その他、ＩＣチップ８とコンデンサ９は、図４で示すように第一の基板２の開口部５に搭載したが、端子、スルーホール等の位置については省略した。

先ず、ガラスエポキシ樹脂の表裏に、厚さが１８μｍ銅箔を貼り付け、その上にドライ
フィルムレジスト（AQ-1558：旭化成エレクトロニクス株式会社製）を熱ラミネートして１５μm厚のフォトレジスト層を形成した。次に、所定の回路パターンを有するフォトマスクを用いて基板表裏に露光処理を行った。

次に、長尺状の上記ガラスエポキシ基材を、水平搬送式のスプレーエッチング装置に投入し、エッチング処理を行い回路パターンを形成した。エッチング液は塩化第二鉄水溶液を使用したが、塩化第二銅水溶液でもよく、特に限定されるものではない。

エッチング処理後、不用になったフォトレジストを剥離し、純水で洗浄した。剥離液は３重量％水酸化ナトリウム、液温６０℃、スプレー液圧１５Ｎ／ｃｍ^２で２間処理した。

次に、ドリリング装置を用いて所定箇所にスルーホールを形成してから、スクリーン印刷法でスルーホールを導電性ペーストで埋設し、所定温度で乾燥した。

次に、所定の金型を使用して、第二の基板３のＩＣチップ８とコンデンサ９を収容する部位を正方形形状に打ち抜く打ち抜き加工を施した。第一の基板２に対しては、ＩＣチップ８とコンデンサ９の端子に対応する部位、及び第二の基板との導通箇所にハンダペーストを所定の厚みに印刷した。２枚の基板間に接着性を有する絶縁性樹脂を挟んで一体化してから、所定の位置に、厚みが８０μｍ程度のＩＣチップ８をフェースダウンで搭載し、またコンデンサ９も所定位置に搭載してから、２００℃のオーブンを通過させて端子部をハンダ接続し固定した。

最後にディスペンサを使用して開口部５をエポキシ樹脂で充填し静置することで表面を平坦にしてから所定の温度で乾燥させ、樹脂封止層１２とした。個片に断裁して所望の非接触型ＩＣモジュール１を得ることができた。

１・・・非接触ＩＣモジュール
２・・・第一の基板
３・・・第二の基板
４・・・アンテナ回路
５・・・開口部
７・・・接続用（ハンダ)バンプ
８・・・ＩＣチップ
９・・・コンデンサ
１２・・・絶縁樹脂封止
１３・・・スルーホール

Claims (3)

1. 少なくとも一方の面にループ状回路を備える第一の基板に、開口部周囲の少なくとも一方の面にループ状回路を備える第二の基板を積層し、前記開口部に露出する第一の基板上にＩＣチップをフェースダウン方式で実装したことを特徴とする非接触型ＩＣモジュール。
2. 前記開口部に露出する第一の基板上にコンデンサを実装したことを特徴とする請求項１に記載の非接触型ＩＣモジュール。
3. 前記開口部を、開口部側壁をダム枠として絶縁性樹脂で埋設したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非接触型ＩＣモジュール。