JP2015154059A - アンテナモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】マザーボードにリフロー方式にて半田付けを行う際に、接続信頼性の高いアンテナモジュールを提供する。【解決手段】厚みのある長方形の形状の配線基板１０と、配線基板１０の表面に設けられた導体パターンからなるアンテナ３０と、配線基板１０の表面に設けられた複数の電子部品からなる回路部２５と、回路部２５を覆う金属製のシールドカバー２０と、シールドカバー２０が配線基板１０に半田付けされ配線基板１０の裏面に設けられた導体パターンからなる接続端子５０と、を備える。配線基板１０の裏面に接続端子５０を配設する場合、電子部品が実装される配線基板領域の真下にのみ接続端子５０を配設することで、アンテナ領域３５の配線基板１０が反っても、裏面に接続端子５０を配設される配線基板領域は反りが少ないので、接続信頼性の高いアンテナモジュール１００を提供することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナモジュールに関し、特に、スマートフォン等のマザーボードに搭載して使用される表面実装型のアンテナモジュールに関する。

近年、配線基板の多層化および薄型化と電子部品の高密度実装化が進み、部品実装はリフロー方式による半田付けを採用するケースが増えている。さらに、環境関連の規制が強化されたことで、従来の有鉛半田よりも半田溶融温度が高い無鉛半田の利用が必須となっている。

配線基板は、銅箔と樹脂層が折り重なった構造を採っている。よって、それぞれの材料は熱膨張係数が違う。このため、スマートフォン等のマザーボードにアンテナモジュールをリフロー方式で半田付けを行う際、温度変化（温度上昇）によって配線基板に反りが発生し、実装する際の不具合（接続不良等）につながり易くなっている。

電子機器の開発トレンドは、配線基板の熱膨張による反りという面から見ると、年々過酷な方向に向かっていると言える。反りが発生する要因が増え続け、温度変化の幅も大きくなり、発生した反りが電子機器の不具合になっている場合が多い。

従来例１のアンテナモジュールとしては、下記の特許文献１に記載のアンテナモジュールが知られている。

以下、図６を用いて、特許文献１に記載のアンテナモジュールについて説明する。図６は、従来例１に係るアンテナモジュールの説明図である。

アンテナモジュール９００は、マザーボードに取り付けられる絶縁基板９１０上に、中央給電される一対の放射素子としてのチップ型アンテナ９２０および蛇行帯状導体９５０と、これら一対の放射素子としてのチップ型アンテナ９２０と蛇行帯状導体９５０の給電線９６０と給電線９７０に接続された送受信回路を含む回路ユニット９３０と、この回路ユニット９３０から導出されたリード線を外部回路に接続するためのコネクタ９４０とを配設し、一対の放射素子としてのチップ型アンテナ９２０と蛇行帯状導体９５０を絶縁基板９１０の隣接する二辺に沿って平面視略Ｌ字形に配設した。

特開２００３−３３２８２５号公報

しかしながら、従来技術のアンテナモジュールでは、スマートフォン等のマザーボードにリフロー方式にて半田付けを行う際に、アンテナモジュールの配線基板が反り、配線基板の裏面の接続端子がマザーボード側の接続端子から離れて、接続不良となる虞があった。

本発明は、上述した課題を解決するもので、マザーボードにリフロー方式にて半田付けを行う際に、接続信頼性の高いアンテナモジュールを提供することができる。

この課題を解決するために、請求項１に記載のアンテナモジュールは、長方体の配線基板と、前記配線基板の表面に設けられた導体パターンからなるアンテナと、前記配線基板の表面に設けられた複数の電子部品からなる回路部と、前記回路部を覆う金属製のシールドカバーと、前記シールドカバーが前記配線基板に半田付けされ、前記配線基板の裏面に設けられた導体パターンからなる接続端子と、を備える。前記アンテナは、前記配線基板の表面に短辺の一つに沿って設けられたアンテナ領域に設けられる。前記シールドカバーは、前記配線基板の前記回路部の全域を覆い、前記接続端子は、前記アンテナ領域の裏面を避けて設けられた特徴を有する。

また、請求項２に記載のアンテナモジュールは、前記シールドカバーが前記配線基板と平行な天板と、前記配線基板に垂直な複数の脚部を有し、前記接続端子が前記シールドカバーの脚部と重なる位置に設けられた特徴を有する。

請求項１の発明によれば、アンテナモジュールの配線基板の裏面に接続端子を配設する場合、電子部品が実装される配線基板領域（アンテナ領域以外）の真下にのみ接続端子を配設することで、電子部品が実装されていない配線基板の領域（アンテナ領域）が反っても、裏面に接続端子を配設される配線基板領域は反りが少ないので、安定した接続信頼性の高いアンテナモジュールを提供することができる。

請求項２の発明によれば、シールドカバーの脚部の平坦度が高いので、配線基板の裏面側の平坦度が良くなり、シールドカバーの脚部と重なる位置（真下）に接続端子が設けられているので、接続端子の接続信頼性の高いアンテナモジュールを提供することができる。

以上により、本発明によれば、アンテナモジュールの配線基板の裏面に接続端子を配設する場合、電子部品が実装される配線基板領域（アンテナ領域以外）の真下にのみ接続端子を配設することで、電子部品が実装されていない配線基板の領域（アンテナ領域）が反っても、裏面に接続端子を配設される配線基板領域は反りが少ないので、安定した接続信頼性の高いアンテナモジュールを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るアンテナモジュールの（ａ）は表側の斜視図であり、（ｂ）は裏側の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るアンテナモジュールの（ａ）は表側の平面図であり、（ｂ）は裏側の平面図である。 本発明の第１実施形態に係る配線基板と回路部の（ａ）は配線基板の表面の銅残存率が高い場合の配線基板の反りについての説明図であり、（ｂ）は配線基板の裏面の銅残存率が高い場合の配線基板の反りについての説明図である。 本発明の第１実施形態に係るアンテナモジュールの（ａ）は全体の側面図であり、（ｂ）はＡ１０部分の拡大図である。 本発明の第１実施形態に係るアンテナモジュールの比較例の裏側の平面図である。 従来例１のアンテナモジュールの説明図である。

[第１実施形態]
以下に、本発明の第１実施形態におけるアンテナモジュール１００について、図１から図４までを用いて説明する。

第１実施形態のアンテナモジュール１００の構成について、図１および図２を用いて説明する。

アンテナモジュール１００は、図１および図２に示すように長方体の形状の配線基板１０と、配線基板１０の表面に設けられた回路部２５と、回路部２５を覆う金属製のシールドカバー２０と、配線基板１０の表面に設けられた導体パターンからなるアンテナ３０と、配線基板１０の裏面に設けられた接続端子５０と、を備えて構成されている。

配線基板１０は、図１および図２に示すように厚みのある長方形の形状である。また、配線基板１０は銅製の薄い電極（銅箔）により形成される配線パターンと電気的に絶縁性の良いガラスエポキシ樹脂層が交互に何層か折り重なった多層板、またはガラスエポキシ樹脂の表面と裏面に銅箔により形成される配線パターンが設けられた両面板で構成されている。

配線基板１０は、シールドカバー２０の位置決めと固定用に、シールドカバー２０の脚部の外径寸法と、ほぼ同じ寸法の内径を有するシールドカバー用スルーホール４０が配線基板１０の４箇所に設けられている。シールドカバー半田付け部６０は、シールドカバー２０とシールドカバー用スルーホール４０を半田付けするために、配線基板１０の表面に４箇所設けられている。

シールドカバー２０は、図１および図２に示すように配線基板１０と平行な天板と、配線基板１０に垂直な４面の側板と、配線基板１０に垂直な４本の脚部と、で構成されている。また、シールドカバー２０は、回路部２５から発生する電磁波の漏洩を防止し、あるいは外部から侵入する電磁波を遮蔽するために、回路部２５の全域を覆うように構成されている。

シールドカバー２０は、回路部２５の動作時に発生する熱を効率良く放熱し、回路部２５の温度上昇を防ぐために天板部分の２箇所に穴が設けられて構成されている。また、シールドカバー２０のシールドカバー半田付け部６０は、４本の脚部がシールドカバー用スルーホール４０に挿入され、配線基板１０と半田付けされる。これにより、シールドカバー２０が回路部２５のグランドに接続されるとともに、配線基板１０に固定される。

シールドカバー２０の４本の脚部は、配線基板１０の裏面側へ露出して配線基板１０の裏面とほぼ面一となるような長さで構成されている。これにより、アンテナモジュール１００は、裏面側の平坦度が高く接続信頼性の高いものになる。

シールドカバー２０は、シールドカバー用スルーホール４０および配線基板１０の両面が銅箔の配線パターンで形成されているため、銅以外の金属材料で構成されると、シールドカバー用スルーホール４０および配線基板１０との接続部分で異種金属間の電位勾配の影響で電食による腐食が発生する理由から、同じ銅系の金属材料（洋白等）を使用して構成されている。

回路部２５は、複数の能動電子部品（ＩＣ、トランジスタ、ダイオード等）および複数の受動電子部品（抵抗、コイル、コンデンサ等）で構成されている。また、回路部２５は図示しないインターフェイスを介して接続端子５０と接続され構成されている。

回路部２５は、無線通信を行う機能を備えている。また、回路部２５は送信時に送信信号を放射し、受信時は受信信号を受信するアンテナ３０と接続されている。

アンテナ３０は、図１および図２に示すように配線基板１０の表面にメアンダ形状の導体にてパターン化されて、半波長ダイポールの形式で構成されている。また、アンテナ３０をメアンダ形状に形成した理由は、アンテナ長を短くでき機器の小型化に有効であるからである。

アンテナ３０は、エレメントの全長を使用する周波数の波長の半分とした構造が簡単な半波長ダイポールの形式で構成されるため、アンテナモジュール１００が実装されるマザーボード側の接地導体等によるアンテナ特性が悪影響を受ける心配が少ない。また、アンテナ３０は配線基板１０の表面に短辺の一つに沿って設けられたアンテナ領域３５に配設される（図２参照）。

アンテナ３０は、アンテナ特性を確保するためにアンテナ３０の周囲に電子部品および金属部を配設することを禁止している。よって、アンテナ領域３５における配線基板１０の裏面には配線パターン等は配設しない構成となっている。また、アンテナ３０は図示しない外部無線通信機器との間で無線通信を行うため、シールドカバー２０では覆わず外部に露出させる。

接続端子５０は、図１および図２に示すように配線基板１０の裏面に設けられ、回路部２５のほぼ真下部分に配設して構成されている。また、接続端子５０は、アンテナ３０が設けられている領域であるアンテナ領域３５の裏面部分を避けているように配設され構成されている。

接続端子５０は、マザーボード側とのインターフェイスである。また、接続端子５０はシールドカバー２０の脚部と重なる位置に４方向に沿って配設されている。

ここで、アンテナモジュール１００をスマートフォン等のマザーボードに実装する際に、リフロー方式の炉による熱がアンテナモジュール１００の配線基板１０に加わることにより、配線基板１０が反る理由について、図３を用いて説明する。

配線基板１０は、前述のように銅箔の配線パターンとガラスエポキシ樹脂層が折り重なった構造を採用している。また、それぞれの材料は熱膨張係数が違う。このため、リフロー方式の半田付けを行う際に、温度上昇によって各部材の伸びに違いが生じ配線基板１０がアーチ型または、すり鉢型に反ってしまう。

熱膨張係数とは、温度上昇によって物体の長さおよび体積が膨張する割合である。
（熱膨張係数の例）
銅＝１６．８、無鉛半田＝２５、洋白＝２０、ガラスエポキシ樹脂＝６０
単位＝ ｐｐｍ／℃（例えば、洋白の場合 ２０ｐｐｍ／℃）

例えば、ガラスエポキシ樹脂の表面と裏面に銅箔の配線パターンが設けられた両面板で構成される配線基板１０の表面の銅残存率が裏面の銅残存率よりも高い場合は、配線基板１０は図３（ａ）に示すようアーチ型に反る。また、配線基板１０の裏面の銅残存率が表面の銅残存率よりも高い場合は、配線基板１０は図３（ｂ）に示すようにすり鉢型に反る。これらの反りが発生する理由は、銅の熱膨張係数がガラスエポキシ樹脂の熱膨張係数よりも低いので、銅残存率が高い方の面が熱膨張しにくいために発生する現象である。

本発明では、アンテナモジュール１００の配線基板１０がリフロー方式の半田付けを行うと図４に示すようにアンテナ領域３５が上側に反り、シールドカバー２０が覆っている領域は反りがほとんど無いように構成されている。以下、理由について説明する。

配線基板１０のシールドカバー２０が覆っている領域がほとんど反らない理由は、以下のように考察される。シールドカバー２０を構成する材料が銅系の洋白材で熱膨張係数は銅とほぼ同じであるため、上述する配線基板１０の表面の銅残存率が高いことと同じ現象となり、配線基板１０が図３（ａ）に示すようにアーチ型に反る作用をする。

しかしながら、配線基板１０が図３（ａ）に示すアーチ型に反る作用をしても、シールドカバー２０および回路部２５の自重と、シールドカバー２０の４本の脚部と配線基板１０の半田付け部の熱収縮による作用によって、配線基板１０がアーチ型に反る作用が打ち消されて配線基板１０のシールドカバー２０が覆っている領域は、図４に示すようにほとんど反らない。

次に、配線基板１０のアンテナ領域３５が上側に反る理由は、以下のように考察される。配線基板１０の表面は図１および図２に示すようにアンテナ３０が設けられており、また、裏面は接続端子５０および配線パターン等が設けられていないため、上述する配線基板１０の表面の銅残存率が高いことと同じ現象となり、配線基板１０が図３（ａ）に示すようにアーチ型に反る作用をする。

しかしながら、配線基板１０が図３（ａ）に示すアーチ型に反る作用をしても、配線基板１０のシールドカバー２０が覆っている領域が反らないため、配線基板１０の大部分を占めているシールドカバー２０が覆っている領域が配線基板１０に固定されるように作用する。このため、配線基板１０のアンテナ領域３５はフリー状態となるように作用する。

また、配線基板１０の裏面側にマザーボードがあり、配線基板１０の表面側は何もないので、アンテナ領域３５は、図３（ａ）に示すアーチ型に反らず、上側（表面側）に反るように作用する。

よって、図４に示すように配線基板１０のアンテナ領域３５は上側に反るが、配線基板１０のシールドカバー２０が覆っている領域はほとんど反らない。従って、アンテナモジュール１００と図示しないマザーボード側の接続性能は、アンテナ領域３５の配線基板１０は上側に反っても、その裏面側には接続端子５０が配設されていないこと、および回路部２５の裏面側にだけ接続端子５０が配設されているため、接続信頼性を高く確保することができる。

ここで、比較例のアンテナモジュール１００の配線基板１０の裏側について、図５を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５は配線基板１０の裏面の平面図であり、図５に示すように接続端子５０が配線基板１０の外周に沿って４方向にそれぞれ配設されている。

比較例のアンテナモジュール１００では、図示しないマザーボードに実装してリフロー方式にて半田付けを行う場合は、配線基板１０の裏面側の銅残存率が高くなるため、図３（ｂ）の示すように、すり鉢型に配線基板１０が反る。よって、配線基板１０の接続端子５０が図示しないマザーボード側の接続端子から離れて接続不良となる虞があり、接続信頼性が低くなる。

以上、本発明によれば、アンテナモジュール１００の配線基板１０の裏面に接続端子５０を配設する場合、電子部品が実装される配線基板領域（アンテナ領域３５以外）の真下にのみ接続端子５０を配設することで、電子部品が実装されていないアンテナ領域３５が反っても、裏面に接続端子５０を配設される配線基板領域は反りが少ないので、安定した接続信頼性の高いアンテナモジュール１００を提供することができる。

以上のように、本発明の第１実施形態に係るアンテナモジュール１００を具体的に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。

＜変形例１＞
第１実施形態において、接続端子５０の表面はメッキ処理されていないが、接続部分の酸化を抑制するために、金またはニッケルでメッキ処理して接続端子５０を被覆しても良い。

＜変形例２＞
第１実施形態において、回路部２５とシールドカバー２０との隙間部分は空洞になっているが、電気的絶縁性の良い樹脂等で充填して構成しても良い。

＜変形例３＞
第１実施形態において、配線基板１０はガラスエポキシ樹脂材を使用して説明したが、低温同時焼成セラミックス材を使用しても良い。

１０ 配線基板
２０ シールドカバー
２５ 回路部
３０ アンテナ
３５ アンテナ領域
４０ シールドカバー用スルーホール
５０ 接続端子
６０ シールドカバー半田付け部
１００ アンテナモジュール
９００ アンテナモジュール
９１０ 絶縁基板
９２０ チップ型アンテナ
９３０ 回路ユニット
９４０ コネクタ
９５０ 蛇行帯状導体
９６０ 給電線
９７０ 給電線

Claims (2)

1. 長方体の配線基板と、
   前記配線基板の表面に設けられた導体パターンからなるアンテナと、
   前記配線基板の表面に設けられた複数の電子部品からなる回路部と、
   前記回路部を覆う金属製のシールドカバーと、
   前記シールドカバーは、前記配線基板に半田付けされ、
   前記配線基板の裏面に設けられた導体パターンからなる接続端子と、を備え、
   前記アンテナは、前記配線基板の表面に短辺の一つに沿って設けられたアンテナ領域に設けられ、
   前記シールドカバーは、前記配線基板の前記回路部の全域を覆い、
   前記接続端子は、前記アンテナ領域の裏面を避けて設けられたことを特徴とするアンテナモジュール。
2. 前記シールドカバーは、前記配線基板と平行な天板と、
   前記配線基板に垂直な複数の脚部を有し、
   前記接続端子は、前記シールドカバーの脚部と重なる位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。