JP2015142318A

JP2015142318A - 無線通信デバイス及び該無線通信デバイスを備えた物品

Info

Publication number: JP2015142318A
Application number: JP2014015482A
Authority: JP
Inventors: 加藤　登; Noboru Kato; 登加藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2015-08-03
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: JP6209981B2

Abstract

【課題】無線通信デバイスにおいて、無線通信用モジュールを精度よくかつ容易に放射導体に搭載し、通信特性の変動を極力防止すること。
【解決手段】無線通信用モジュール20と、接続電極31A，31Bを備えたフレキシブルな基板30と、放射導体41A，41Bとからなる無線通信デバイス。無線通信用モジュール20は、再配線層22を有する無線ＩＣチップ21と、所定の共振周波数を持ち、再配線層22に設けられて無線ＩＣチップ21に接続された給電回路とを備えている。フレキシブル基板30には無線通信用モジュール20が搭載されており、接続電極31A，31Bは略帯状をなし、一端が給電回路に接続され他端が開放端である。放射導体41A，41Bにはフレキシブル基板30が貼着されている。放射導体41A，41Bは、その一端が接続電極31A，31Bの他端に接続されており、給電回路の共振周波数に相当する通信周波数を有する無線信号を送受信する。
【選択図】図2

Description

本発明は、無線通信デバイス、特に、ＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)システムに用いられる無線通信デバイス及び該無線通信デバイスを備えた物品に関する。

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に付された所定の情報を記憶したＩＣタグ（以下、無線通信デバイスと称する）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。ＲＦＩＤシステムに使用される無線通信デバイスとしては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。

特許文献１に記載のデバイスは、無線ＩＣチップと、給電回路基板と放射板とによって構成されている。給電回路基板はフレキシブルであり、放射板やその支持基板（キャリアフィルム）もフレキシブルである。よって、このデバイスは、物品の曲面や物品の柔らかい表面にも貼着しやすく、取扱いも容易である。

また、前記デバイスでは、送受信信号の周波数は、給電回路の共振周波数によって決められている。従って、貼着される物品の形状に応じてフレキシブルな給電回路基板に湾曲が生じると、給電回路の共振周波数が変動する場合がある。なお、給電回路基板を小型化すれば、フレキシブルであっても、給電回路基板自体の形状が物品の形状に影響されにくくなる。しかし、給電回路基板の小型化には限界があり、しかも小型化できたとしても、放射板上への搭載に支障が生じる。つまり、小さい物を大きな物に精度よく、かつ、効率よく搭載することは難しい。

特許第４１２３３０６号公報

本発明の目的は、無線ＩＣチップや給電回路を含む無線通信用モジュールを精度よくかつ容易に放射導体に搭載することができ、通信特性の変動を極力防止することのできる無線通信デバイス及び物品を提供することにある。

本発明の第１の形態である無線通信デバイスは、
再配線層を有する無線ＩＣチップと、所定の共振周波数を持ち、前記再配線層に設けられて前記無線ＩＣチップに接続された給電回路と、を備えた無線通信用モジュールと、
前記無線通信用モジュールが搭載されていて、一端が前記給電回路に接続され他端が開放端である略帯状の接続電極を備えたフレキシブルな基板と、
前記基板が貼着されていて、一端が前記接続電極の他端に接続されており、前記給電回路の前記共振周波数に相当する通信周波数を有する無線信号を送受信する放射導体と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の形態である物品は、前記無線通信デバイスを備えていることを特徴とする。

前記無線通信デバイスにおいては、給電回路が無線ＩＣチップの再配線層に設けられて無線通信用モジュールを構成し、このモジュールが接続電極を備えたフレキシブルな基板に搭載され、さらに、この基板が放射導体に貼着されている。給電回路が無線ＩＣチップとほぼ同面積の再配線層に設けられるため、モジュールはかなり小さく構成される。この小さなモジュールがそれよりも大きなフレキシブル基板に搭載され、さらにフレキシブル基板がそれよりも大きな放射導体に貼着されている。それゆえ、モジュールを接続電極に対して精度よくかつ容易に搭載でき、かつ、接続電極を放射導体に対して精度よくかつ容易に搭載することができる。また、通信特性に大きな影響をもつ給電回路が無線ＩＣチップの再配線層（微小面積である）に設けられているため、本無線通信デバイスが貼着される物品の表面形状に再配線層が影響を受けることがなく、給電回路の周波数が変動するおそれがなくなる。

本発明によれば、無線ＩＣチップや給電回路を含む無線通信用モジュールを精度よくかつ容易に放射導体に搭載することができ、通信特性の変動を極力防止することができる。

物品を示す斜視図及びその一部の拡大図である。第１実施例である無線通信デバイスを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。前記無線通信デバイスを構成する無線ＩＣチップと給電回路を示す等価回路図である。前記無線ＩＣチップに設けた再配線層を層ごとに示す説明図である。第１実施例である無線通信デバイスの物品への搭載形態を示す断面図である。第２実施例である無線通信デバイスを示す断面図である。第２実施例である無線通信デバイスの物品への搭載形態を示す断面図である。再配線層に設けたインダクタンス素子の作用を示す説明図であり、（Ａ）は実施例を示し、（Ｂ）は比較例を示す。

以下、本発明に係る無線通信デバイス及び物品の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施例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。

図１に物品としての包装箱１を示す。この包装箱１はダンボールからなり、表面の一部、図１における正面側左下部分に無線通信デバイス１１が設けられている。無線通信デバイス１１は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、無線通信用モジュール２０と、一対の接続電極３１Ａ，３１Ｂを備えたフレキシブルな基板（以下、キャリアフィルム３０と記す）と、放射導体４１Ａ，４１Ｂ（図１参照）とで構成されており、ＵＨＦ帯のＲＦＩＤタグとして機能する。

無線通信用モジュール２０は、図３に示すように、再配線層２２を有する無線ＩＣチップ２１と、所定の共振周波数を持ち、再配線層２２に設けられて無線ＩＣチップ２１に接続された給電回路２９とを備え、キャリアフィルム３０上に搭載されている。一対の接続電極３１Ａ，３１Ｂは、それぞれ略帯状をなし、一端が給電回路２９に接続され（接続部Ｐ３，Ｐ４）、他端は開放端とされている。放射導体４１Ａ，４１Ｂは、前記包装箱１の表面に直接パターニングされており、キャリアフィルム３０が貼着されている。詳しくは、放射導体４１Ａ，４１Ｂの一端がそれぞれ接続電極３１Ａ，３１Ｂの開放側他端に接続されており、給電回路２９の共振周波数に相当する通信周波数を有する無線信号を送受信するダイポールタイプのアンテナとして機能する。

なお、接続電極３１Ａ，３１Ｂと放射導体４１Ａ，４１Ｂとの接続関係は、直接的な電気的接続、容量を介しての接続、磁界を介しての接続、あるいは、電磁界を介して接続のいずれであってもよい。

無線ＩＣチップ２１は、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤ信号を処理するための半導体集積回路素子であり、必要な情報がメモリされており、情報の書き換えも可能である。給電回路２９は、図３に示すように、平面視で隣接配置されたコイル状のインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２及びＬ３，Ｌ４を含んでいる。インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２はそれぞれインダクタンス素子Ｌ３，Ｌ４と直列に接続され、素子Ｌ１とＬ２、素子Ｌ３とＬ４とは磁界が同相であり、素子Ｌ１とＬ３、素子Ｌ２とＬ４とは磁界が同相である。インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２の一端は無線ＩＣチップ２１の入出力端子に接続されている（接続部Ｐ１，Ｐ２）。インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ３の接続部と、インダクタンス素子Ｌ２，Ｌ４の接続部は、それぞれ、接続電極３１Ａ，３１Ｂの一端に接続されている（接続部Ｐ３，Ｐ４）。

無線通信用モジュール２０は、ＩＣパッケージ、さらに具体的に言うとＷＬ−ＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）として構成され、厚み１００〜１５０μｍの無線ＩＣチップ２１に対して、再配線層２２は、例えば１００μｍの厚みとされている。この再配線層２２は、典型的には、薄膜微細加工プロセス（エッチング、フォトリソグラフィ）によって形成されている。再配線層２２においてインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を形成する導体パターンは、例えば銅であり、各層間絶縁層（レイヤー）は、ポリイミドなどの有機物、ＳｉＯ₂などの無機物で５〜１０μｍの厚みで形成されている。

再配線層２２は、具体的には、図４に示す第１層２３Ａから第６層２３Ｆの積層構造とされている。引回し導体２４Ａ，２４Ｂを有する第６層２３Ｆが無線ＩＣチップ２１の能動層面上に形成され、その上に引回し導体２４Ｃ，２４Ｄを有する第５層２３Ｅが形成される。さらに、ループ状導体２５Ａ，２５Ｂ、２５Ｃ，２５Ｄ、２５Ｅ，２５Ｆが平面視で左右に隣接した状態で第４層２３Ｄ、第３層２３Ｃ、第２層２３Ｂの順で形成される。ループ状導体２５Ａ，２５Ｂの一部がインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を形成する。ループ状導体２５Ａ，２５Ｃ，２５Ｅがインダクタンス素子Ｌ３を形成し、ループ状導体２５Ｂ，２５Ｄ，２５Ｆがインダクタンス素子Ｌ４を形成する。最終層として端子電極２６Ａ，２６Ｂを有する第１層２３Ａが形成される。

端子電極２６Ａ，２６Ｂは接続電極３１Ａ，３１Ｂの一端に接続されるものであり、層間導体を介して素子Ｌ１，Ｌ２を形成するループ状導体２５Ａ，２５Ｂに接続されている。また、ループ状導体２５Ａ，２５Ｂは引回し導体２４Ａ〜２４Ｄや層間導体を介して接続部Ｐ１，Ｐ２にて無線ＩＣチップ２１の入出力端子に接続されている。素子Ｌ３，Ｌ４を形成するループ状導体２５Ｃ〜２５Ｆの一端は第４層２４Ｄで素子Ｌ１，Ｌ２を形成するループ状導体２５Ａ，２５Ｂと接続され、他端は第２層２３Ｂで互いに接続されている（接続部２７）。

以上の構成からなる無線通信用モジュール２０は、図２（Ｂ）に示すように、キャリアフィルム３０上の接続電極３１Ａ，３１Ｂの一端にはんだ３２を介して接続され、接続電極３１Ａ，３１Ｂ上にははんだ３２を含めてレジスト層３３によって被覆され、第１実施例としての無線通信デバイス１１が構成される。この無線通信デバイス１１は、図５に示すように、包装箱１の表面にパターニングされた放射導体４１Ａ，４１Ｂの一端にキャリアフィルム３０が接着剤層４２を介して貼着される。

従って、接続電極３１Ａ，３１Ｂと放射導体４１Ａ，４１Ｂとは接着剤層４２とキャリアフィルム３０とを介して容量結合される。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）は放射導体４１Ａ，４１Ｂで受信され、該放射導体４１Ａ，４１Ｂと容量結合している接続電極３１Ａ，３１Ｂを介して給電回路２９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２１に供給する。つまり、放射導体４１Ａ、接続電極３１Ａ、インダクタンス素子Ｌ３，インダクタンス素子Ｌ４、接続電極３１Ｂ、放射導体４１Ｂにて、電気長λ／２のアンテナが構成されている。このアンテナに流れる信号電流は、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４で構成されるループ部にて構成された給電回路２９を介して、無線ＩＣチップ２１に供給される。一方、無線ＩＣチップ２１は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メモリされている情報を、給電回路２９にて所定の周波数に整合させ、接続電極３１Ａ，３１Ｂを介して放射導体４１Ａ，４１Ｂに送信信号を伝え、放射導体４１Ａ，４１Ｂからリーダライタに送信する。

前記無線通信デバイス１１においては、給電回路２９が無線ＩＣチップ２１の再配線層２２に設けられて無線通信用モジュール２０を構成し、このモジュール２０が接続電極３１Ａ，３１Ｂを備えたキャリアフィルム３０に搭載され、さらに、このフィルム３０が放射導体４１Ａ，４１Ｂを備えた物品（包装箱１）に貼着されている。給電回路２９が無線ＩＣチップ２１とほぼ同面積の再配線層２２に設けられるため、モジュール２０はかなり小さく構成される。この小さなモジュール２０がそれよりもやや大きなキャリアフィルム３０に設けられた接続電極３１Ａ，３１Ｂに結合され、さらに接続電極３１Ａ，３１Ｂを備えたキャリアフィルム３０がそれよりも大きな放射導体４１Ａ，４１Ｂを備えた物品に貼着される。それゆえ、モジュール２０を接続電極３１Ａ，３１Ｂに対して精度よくかつ容易に搭載でき、かつ、接続電極３１Ａ，３１Ｂを放射導体４１Ａ，４１Ｂに対して精度よくかつ容易に搭載することができる。特に、ＵＨＦ帯で使用される無線通信デバイス１１は、ＨＦ帯で使用されるデバイスに比べて、無線ＩＣチップ２１を放射導体４１Ａ，４１Ｂに対して高い精度で実装する必要がある。本無線通信デバイス１１においては、前述のように無線ＩＣチップ２１を高い精度で実装することが可能である。

また、通信特性に大きな影響をもつ給電回路２９が無線ＩＣチップ２１の再配線層２２（微小面積である）に内蔵されているため、本無線通信デバイス１１が貼着される物品の表面形状やその比誘電率などに再配線層２２が影響を受けることがなく、給電回路２９の周波数が変動するおそれがなくなる。

ここで、再配線層２２に配置されたインダクタンス素子の構造上の特徴点につき説明する。図８（Ａ），（Ｂ）は、再配線層２２の内部におけるコイル状のインダクタンス素子Ｌを模式的に示しており、図８（Ｂ）に示す比較例のようにインダクタンス素子Ｌを二つの接続電極３１Ａ，３１Ｂを跨ぐように形成すると、本来必要な容量Ｃ１，Ｃ２以外に、接続電極３１Ａ，３１Ｂ間にも容量Ｃ３が形成されてしまう。放射導体４１Ａ，４１Ｂは開放された両端の電位差を利用したアンテナとして機能するため、容量Ｃ３が形成されてしまうと、空中に放射される電界が少なくなってしまう。

これに対して、本実施例では、図８（Ａ）に示すように、インダクタンス素子Ｌは平面視で隣接配置され、二つの接続電極３１Ａ，３１Ｂを跨がないように形成している。これにて、接続電極３１Ａ，３１Ｂ間に容量Ｃ３がほとんど形成されなくなり、空中に放射される電界の減少を防止できる。

また、図４に示したように、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ３とＬ２，Ｌ４にそれぞれ接続される端子電極２６Ａ，２６Ｂはインダクタンス素子Ｌ１〜Ｌ４のコイル開口を実質的に塞がないように幅狭く形成されており、かつ、引出し部分（層間導体２８）がコイルの内側エリアに形成されている。大きなＬ値を有しＱ値の高いコイルパターンを形成するにはコイルパターンを形成するための大きな面積が必要となるが、再配線層２２は非常に小さい。小さい面積の再配線層２２にできるだけ大きな面積のコイルパターンを形成するには接続電極３１Ａ，３１Ｂへの引出し部分をコイルの内側エリアに設けることで可能になる。端子電極２６Ａ，２６Ｂは、インダクタンス素子Ｌ１〜Ｌ４のコイル開口（内径領域）全てと重ならないように配置することが好ましいが、少なくとも、各インダクタンス素子Ｌ１〜Ｌ４のコイル中心軸と重ならないように配置すればよい。

また、再配線層２２には、第５層２３Ｅ、第６層２３Ｆを間に配置して第２層２３Ｂ、第３層２３Ｃ、第４層２３Ｄにインダクタンス素子Ｌ１〜Ｌ４を形成するようにしている。即ち、第５層２３Ｅ、第６層２３Ｆの存在によってインダクタンス素子Ｌ１〜Ｌ４を無線ＩＣチップ２１の能動層面から極力離間させることにより、コイルのＱ値が小さくなるのを防止することができる。つまり、インダクタンス素子Ｌ１〜Ｌ４を構成するコイルパターンは、実装面寄りにオフセット配置されていることが好ましい。

なお、無線通信デバイス１１が搭載される物品としては、ダンボール箱のような包装箱１以外に、パソコンや各種測定装置などの電化財、机や椅子などの家財、街灯や電柱などの公共財などはば広く選択することができる。また、包装箱１は紙ラベルやシールであってもよい。包装箱１であれば、箱の表面にＡｇなどで印刷したパターンを放射導体４１Ａ，４１Ｂとして使用できる。勿論、放射導体４１Ａ，４１Ｂとしては、ＰＥＴなどのフィルム上にアルミ箔や銅箔を所定形状にパターニングしたアンテナパターンなどを利用できる。

キャリアフィルム３０としては、例えば、ポリイミドなどの耐熱性を有するフィルムを用いることができる。接続電極３１Ａ，３１Ｂとしては、フィルム上にラミネートされたアルミ箔や銅箔などを所定形状にパターニングしたものを用いることができる。無線通信用モジュール２０を接続電極３１Ａ，３１Ｂに実装するのに前記はんだ３２以外の手段を用いてもよい。例えば、Ａｇナノ接合や超音波接合を利用してもよい。キャリアフィルム３０を放射導体４１Ａ，４１Ｂに貼着するための接着剤層４２としては、通常用いられる絶縁性接着剤であってもよいし、絶縁性両面テープを用いてもよい。

次に、第２実施例である無線通信デバイス１２を説明する。この無線通信デバイス１２は、第１実施例で示した再配線層２２を備えた無線ＩＣチップ２１を用いており、図６に示すように、再配線層２２の接続部Ｐ３，Ｐ４（図３参照）を接続電極３１Ａ，３１Ｂにはんだ３２を介して接続し、接続電極３１Ａ，３１Ｂ上に導電性接合材３４を設けるとともに、再配線層２２の直下にアンダーフィル３５を設けたものである。その他の構成は前記第１実施例と同様である。

前記無線通信デバイス１２は、図７に示すように、無線通信用モジュール２０を放射導体４１Ａ，４１Ｂに向けた状態で、導電性接合材３４を放射導体４１Ａ，４１Ｂに接合させる。従って、本第２実施例にあっては、接続電極３１Ａ，３１Ｂと放射導体４１Ａ，４１Ｂとは導電性接合材３４を介して直接電気的に接続される。無線通信デバイスのリーダライタとの通信状態は基本的には前記第１実施例で説明したとおりであり、その作用効果も第１実施例と同様である。特に、本第２実施例においては、キャリアフィルム３０が外側となるように放射導体４１Ａ，４１Ｂに貼着されるため、無線通信用モジュール２０の保護性能が向上する。

また、無線通信用モジュール２０に形成された再配線層２２が無線ＩＣチップ２１を介して物品に接するため、再配線層２２が物品による浮遊容量の影響を受けにくくなり、再配線層２２のインダクタンス値も物品の金属部の影響を受けにくくなる。

なお、導電性接合材３４としては、導電性接着剤や導電性テープを用いることができる。

（他の実施例）
なお、本発明に係る無線通信デバイスや物品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、再配線層の細部の構造、接続電極や放射導体の形状などは任意である。特に、放射導体は前記実施例に示したミアンダ形状に限定するものではない。

以上のように、本発明は、ＲＦＩＤシステムに用いられる無線通信デバイスに有用であり、特に、無線通信用モジュールを精度よくかつ容易に放射導体に搭載でき、通信特性の変動を極力防止できる点で優れている。

１…包装箱
１１，１２…無線ＩＣデバイス
２０…無線通信用モジュール
２１…無線ＩＣチップ
２２…再配線層
２９…給電回路
３０…キャリアフィルム
３１Ａ，３１Ｂ…接続電極
４１Ａ，４１Ｂ…放射導体
Ｌ１〜Ｌ４…インダクタンス素子

Claims

再配線層を有する無線ＩＣチップと、所定の共振周波数を持ち、前記再配線層に設けられて前記無線ＩＣチップに接続された給電回路と、を備えた無線通信用モジュールと、
前記無線通信用モジュールが搭載されていて、一端が前記給電回路に接続され他端が開放端である略帯状の接続電極を備えたフレキシブルな基板と、
前記基板が貼着されていて、一端が前記接続電極の他端に接続されており、前記給電回路の前記共振周波数に相当する通信周波数を有する無線信号を送受信する放射導体と、
を備えたことを特徴とする無線通信デバイス。
前記基板は前記無線通信用モジュールが搭載された面とは反対側面が前記放射導体側となるように前記放射導体に貼着されており、
前記接続電極と前記放射導体とは前記基板を介した容量結合によって接続されていること、
を特徴とする請求項１に記載の無線通信デバイス。
前記基板は前記無線通信用モジュールが搭載された面が前記放射導体側となるように前記放射導体に貼着されており、
前記接続電極と前記放射導体とは導電性接合材を介して接続されていること、
を特徴とする請求項１に記載の無線通信デバイス。
前記給電回路は平面視で隣接配置された二つのコイル状のインダクタンス素子を含み、
前記再配線層の表面には前記二つのインダクタンス素子にそれぞれ接続された二つの入出力端子が形成されており、
前記二つの入出力端子は前記二つのインダクタンス素子のコイル開口を実質的に塞がないように配置されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の無線通信デバイス。
前記再配線層の少なくとも第１層には前記二つのインダクタンス素子のコイル開口を実質的に塞がない引回し導体が配置されていること、を特徴とする請求項４に記載の無線通信デバイス。
無線通信デバイスを備えた物品であって、
前記無線通信デバイスは、
再配線層を有する無線ＩＣチップと、所定の共振周波数を持ち、前記再配線層に設けられて前記無線ＩＣチップに接続された給電回路と、を備えた無線通信用モジュールと、
前記無線通信用モジュールが搭載されていて、一端が前記給電回路に接続され他端が開放端である略帯状の接続電極を備えたフレキシブルな基板と、
前記基板が貼着されていて、一端が前記接続電極の他端に接続されており、前記給電回路の前記共振周波数に相当する通信周波数を有する無線信号を送受信する放射導体と、
を備えたこと、
を特徴とする物品。
前記放射導体が物品本体に形成されていること、を特徴とする請求項６に記載の物品。