JP2018511981A - 無線周波数モジュール - Google Patents

Abstract

無線周波数モジュールは、回路基板上に位置する送受信機と、回路基板上に位置する水晶振動子と、回路基板上に位置するアンテナと、送受信機および水晶振動子を覆うように位置するシールドとを備え得る。シールドは、上面と、上面を回路基板に結合する複数の脚とを備え得る。

Description

優先権
本願は、２０１５年２月２６日に出願された米国出願第６２／１２１，４７８号に基づく優先権を主張するものであり、そのすべての記載内容を、引用により本明細書に援用する。

背景
所望の電子機器を形成するために、電気部品が回路基板または基板に取り付けられて電気的に連結される。電気部品を保護するために、電子アセンブリは、一般的に、プラスチック成形材料に包まれたり充填されたりする。この「ポッティング」加工では、電子アセンブリを覆ったり充填したりして、部品、コンタクト、および接続を衝撃または振動などによる破損から、または水分または腐食剤などによる劣化または電気的故障から保護する。また、ポッティング加工を施すことによって部品が容易に外れないように繋がれ、定位置に保たれるので、この加工によって表面の部品同士をかなり近くに配置できる。これによって、小型化という利点がもたらされる。

電気部品をこのように包んで保護することによる恩恵はかなりあるが、電気アセンブリによって、製造工程時に困難な問題がもたらされる場合がある。たとえば、特定の部品は、その他の部品もしくは環境への干渉またはその他の部品もしくは環境からの干渉を受けないように、覆われたり遮蔽されたりする必要がある場合がある。これらの特定の部品は、通常、ポッティング加工を完全に実現することを制限または限定してしまい、製造をかなり複雑にしてしまい得る。

たとえば、ＵＳ８，６１０，５７３に、無線周波数モジュール、およびデータの送受信方法が開示されている。開示のすべての記載内容は、引用によりに援用されている。この特許は、プリント回路基板に位置する送受信機アセンブリを開示している。接地面が第１面上に形成され、送受信機アセンブリの少なくともかなりの部分を囲んでいる。無線周波数シールドが接地面に電気的に結合され、送受信機アセンブリの少なくともかなりの部分を覆っている。シールドおよび接地面の恩恵を得るために、シールドおよび接地面は、送受信機アセンブリの電子部品を完全に包んでいるものとして示されている。

概要
本明細書に記載の例示的な実施形態は、無線周波数（ＲＦ）モジュールを含む。例示的な実施形態は、製造を改善するための新規な構成要素および配置を含み、製品原価を下げる。これに代えて、または、これに加えて、例示的な実施形態は、部品の配置（位置）の完全性を維持したまま、ＲＦモジュールを小型化できる。

シールドを外した状態の、本発明の実施形態に係る例示的な回路基板の上面図である。 部品間にリード線を配置した状態の、図１の例示的な回路基板の上面図である。 シールドを付けた状態の、図２の例示的な回路基板の上面図である。 図３の例示的な回路基板の斜視図である。 図３の例示的な回路基板の第１側面図である。 図３の例示的な回路基板の第２側面図である。 図３の例示的な回路基板の第３側面図である。 図３の例示的な回路基板の第４側面図である。 外部接触子を含む、成形材料に包まれた（たとえば、ポッティングされた）図３の底面斜視図である。

説明
以下の詳細な説明は、本発明の原理の一例を示し、限定ではない。この説明によって、当業者が本発明を製造、使用できるようになるのは明らかであり、本発明を実施するのに最良の実施形態であると現在思われているものを含む、本発明のいくつかの実施形態、改造例、変形例、代替例、および使用例を説明する。なお、図面は、本発明の例示的な実施形態を図式化、模式化したものであり、本発明を限定するものではなく、必ずしも縮尺通りに描かれているわけでもないことを理解されたい。

図１は、シールドを外した状態の、本発明の実施形態に係る例示的な回路基板の上面図である。図２は、部品間にリード線を配置した状態の、図１の例示的な回路基板の上面図である。図３は、シールドを取り付けた状態の、図２の例示的な回路基板の上面図である。図４は、図３の例示的な回路基板の斜視図である。図５〜図８は、図３の例示的な回路基板の直交側面図である。

例示的な回路基板２は、マイクロコントローラ無線送受信機４と、少なくとも１つの水晶振動子６または追加の水晶振動子８と、アンテナ１０とを含み得る。アンテナ１０は、回路基板自体にプリントされる場合を含む多くの形をとることができるが、遮蔽領域の隣に配置される。用途の必要に応じて、バラン１４が含まれても含まれなくてもよい。フィルタリングおよびマッチングなどのためにその他の部品が含まれてもよい。部品は、１つ以上の回路基板の上またはそれらの間のリード線１６によって電気的に結合されてもよい。

例示的な実施形態において、水晶振動子６および水晶振動子８は、水晶振動子配線を可能な限り短くするために、マイクロコントローラ／無線送受信機４の比較的近くに配置される。配線の長さを短くすることによって、水晶振動子とその配線とによって生じる周波数の放出を、設計のアンテナ１０またはバラン１４領域と干渉しないように、最低限に抑えることができる。また、例示的な実施形態は、マッチング部品を含むこともできるが、必ずしも必要ではない。図示されているマッチング部品は、回路基板の右上側に配置されている。示すように、受動部品（インダクタおよびコンデンサ）は、通常、Ｌ字に形成され、４５度の配線に接続されてバランチップ内へ通じており、長い一続きのコンデンサおよびインダクタは利用しない。バランはシングルチップソリューションであるため、長い一続きのコンデンサおよびインダクタよりも回路基板の性能を向上させることができる。それゆえ、以前のチップ構成においてアンテナに平行して延びる部品の長い一続きのストリングを、バランに完全に置き換えてもよい。

アンテナ１０の位置について、アンテナ１０は、プリント回路基板を平坦に保つために、基板上のプリントアンテナとすることができる。また、アンテナ１０を図に示すように向けることができ、これによって回路基板の上側からのポッティング材料の流れ込みを妨害するのを最低限に抑え、流れに対する物理的抵抗を生じさせずにポッティング材料をすべての部品全体にわたって流れさせる。また、アンテナが図に示すように基板の脇に離れて位置することによって、隣接するシールドをほぼ電磁的にアンテナに結合できるようになり、ＲＦエネルギーを発信、受信するための大きな構造を形成する。この具体的な事例のシールドおよびアンテナの距離と向きは共に作用して、通常なら不可能だったであろう可能な限りの最良の性能をこの小さな構造から実現する。

回路基板は、３つまたは４つのシールド用接触パッド１２を備え得る。接触パッドは平行に配置されて２つの一直線に並んだ群を構成してもよい。図に示す例について、４つのパッド１２の各々が縦長の複数の接触点を規定しており、ここで、マイクロコントローラ無線送受信機４の片側の２つのパッドが一直線に並んでもよく、マイクロコントローラ無線送受信機４の反対側の２つのパッドが一直線に並んでもよい。一直線に並んだ２つのパッドの対は、平行に配置されてもよい。また、パッドは、長さ寸法（最も長い側部）がその他の部品の長さ寸法と一列に並ぶように、一列に並べられてもよい。示すように、部品の大部分は、部品の大部分の長さ寸法が平行になるように一列に並べられてもよい。また、３つ以上の接触パッド１２が、一列に並べられた部品の大部分と平行に配置されてもよい。一列に並べられた部品の比較は、回路基板全体にわたって行われてもよいし、シールド２０によって覆われたものが対象であってもよい。

回路基板において、接触パッド１２にシールド脚２２を取り付けることができる。それゆえ、シールド脚２２は、２つの平面状の平行な列に配置され得る。シールド脚２２は、シールド上面２８の対向する側部から下方向に延在し得る。また、シールド脚２２は、脚がシールドの隅の近傍に概ね位置するように、各側部の両端またはその近くに配置され得る。示すように、脚２２は、各々、下方向に曲げられた上面２８の平面状の延在部分であり、上面２８にほぼ直交している。曲げられた部分は、不連続であってもよく、また実質的に下方向にまっすぐ突出するように先が尖っていてもよく、上面２８に対して方形化されていてもよい。また、曲げられた部分は、連続的であってもよく、ポッティング加工中に成形材料がより簡単に流れることができるように、そしてポッティング材料内に空気ポケットまたは隙間が形成されるのを抑制するために、所定のＲ形状に丸みを与えられていてもよい。それゆえ、シールドは、脚が一部延在する側部に直交する、対向する開口した側部を含み得る。脚２２の長さ寸法は、シールドの側部に沿っている。脚の長さ寸法は、シールドの長さの１／４より小さいことが好ましい。この構成では、側部の大部分未満または１／２未満がシールド脚２２によって覆われている、または包まれている。接触パッドおよび対応するシールド脚が、シールドの外周の１／４未満を規定してもよい。シールドを支持するための脚を有していても、シールドのすべての側部は、部品を固定するために成形材料を流せるように少なくとも一つの開口を有する。開口は、所定の側部の長さの少なくとも５０％、６０％、７０％、７５％、８０％、９０％、または１００％であり得る。所望の開口長さは、使用される成形材料ならびに遮蔽される部品配置および／または遮蔽されない部品配置に基づいて決定され得る。

シールド２０は、シールド脚２２によって支持される上面２８を含む。上面２８は、無線周波数遮蔽材料からなる概ね平面状の面であり得る。上面２８は、１つ以上の開口部２４を含み得る。示すように、開口部２４は、シールド上面２８の周縁または外周に隣接するように配置されている。それゆえ、開口していない中央領域２６が開口部２４の配置によって規定される。開口していない中央領域２６の直径は、シールド上面の直径のおよそ１／２（４０％〜６０％など）を含む。しかし、開口部は、任意に配置されてもよい。示すように、開口部２４は円形であるが、任意の便利な形状であってもよい。

例示的な実施形態のシールドは、自動アセンブリ用にピックアンドプレイス可能なものである。たとえば、開口していない中央領域２６は、製造時に真空吸着によりピックアップして回路基板に配置するための、ＲＦモジュール中央の穴のないピックアップ領域であり得る。

接触パッド１２とこれに対応するシールド脚２２とは、プラスチック成形物がより容易に流入して、接続されたシールドの周りに流れ易くなるように、互いに概ね平行に配置される。また、この配置および構成によって、成形材料への妨害を最小限に抑え、材料を流れさせるために加える必要がある圧力量を低減する。示すように、たとえば図４において、シールドは、完全に開口した２つの側部をシールドおよびＲＦモジュールの対向する端部に有しており、プラスチック成形材料が一方の端部で射出され、より容易に他方の端部に流れることができるようになっている。また、シールド脚は、一列に並んでおり、シールドの開口端と同じ側に面した側部に最小寸法を有する。シールド上面の複数の開口部によって、さらに、成形材料および／または放出される空気の流路がもたらされる。成形材料の流れの妨げを減らすことによって、低圧力を使って成形材料を回路基板に射出できるようになる。圧力が減ると部品が損傷する可能性、位置がずれてしまう可能性、および部品と基板表面との間の損傷が減る。それゆえ、より低い圧力によって、成形工程時に基板上のその他の部品が損傷しないようになる。従って、金属シールドの形状によって、ＰＣＢ上の接触点を最小にし、流れの妨げを最低限に抑えることができる。これによって、成形材料の流れがシールドの下を流れてシールドおよびその下に配置された部品の周りに流れ、容易に外れないようにつなぐことができる。

シールドの側部に沿った開口および小型化されたシールド脚の外形によって、表面への接触をさらに小さくすることができる。また、この構成によって、部品を基板のかなり周縁側に押し出すことができるため、ＲＦモジュールの全体的なサイズを小さくすることもできる。また、シールド脚が非常に小さいため、成形材料がシールドをつかんで動かしてしまう（実際は、成形圧力でシールドを基板からきれいにはがすことができてしまう）可能性のある領域が小さくなる。そのため、例示的な設計によって、シールドを持ち上げてしまわないで成形材料を流すための大きな開口を設けつつ、シールドをこれらの端部位置につなぎ留めることができるようになり、製品への明らかな損傷を防ぐ。

図４は、部品およびシールド周りへの、ポッティング材料４０の例示的な塗布を示す図である。塗布されたポッティング材料によって、プリント回路基板とシールドの内面との間の空間が充填されている。また、ポッティング材料は、シールドの外面および残りの回路基板を覆って、略長方形のモジュールを規定し得る。

図９に部分的に示すように、ＲＦモジュールの裏面の端部のパッドは、回路基板の端部いっぱいまで届いてＲＦモジュールの側部と面一になり得る。これによって、はんだ付けの点検が容易になる。

図５に示すように、６つの回路基板３１、３２、３３、３４、３５、３６を使って部品を電気的に接続してもよい。例示的な実施形態において、最小で６層の回路基板がある。回路基板上の層から層への配線は、（４ミリメートル大のレーザードリルであけられた）マイクロビアによってなされ得る。回路基板は、互いに積み重ねることができる複数のプリント回路基板であり得る。

例示的な実施形態を使って無線周波数モジュールを大量生産することができる。たとえば、シールドの取り付けは、シールド上面のピックアンドプレイス構成を使って自動化され得る。いったん部品が組み立てられると、多くのＲＦモジュールが一度に成形されるであろう。たとえば、モジュールは、平面状のアレイに概ね配置されてもよい。型材料は、シールドのアレイを跨いでシールドの片側から反対側へ流れるように、液化性であってもよいし、流体状であってもよい。ＲＦモジュールの配置および構成によって、型材料の流れを容易にする、または少なくとも、型材料の流れの妨げを最低限に抑える。それゆえ、型材料が周りにすばやく容易に流れることができ、生産サイクルタイムの速度を速め、製造コストを下げる。例示的な製造工程およびその結果得られるＲＦモジュールは、シールド下の部品の覆いが改良されているため、水分を貯めて最終的には成形された構造のひび割れを引き起こす空孔を防止または低減しつつ、より高い歩留まりを生み出すであろう。

例示的な実施形態において、成形材料は、モジュールの片側から反対側に流れ得る。図４を見ると、たとえば、このような多数のモジュールがすべて互いに取り付けられた状態で存在し、材料が右から左に流される。材料はすべてのモジュールを一度に流れ、その後モジュールが単一化され、四方によごれのない仕上げ面が形成される。

上記の例示的な実施形態のＲＦモジュールは、別メーカーの製品の部品として使われ得る。当該その他の製品は、同様に、ポッティングされた、または覆われたＲＦモジュールがない場合、通常なら部品が所定の位置からずれて短絡を引き起こす可能性のあるリフローはんだ付け工程を経ることができる。例示的な実施形態では、これが起こるのを防止または低減できるだろう。ポッティングによってモジュール内の部品を囲むキャビティが形成され、部品を元の位置に留めておくため、型材料はいったん固まると動けないためである。従って、生産歩留まりが向上し、生産コストが低減し、モジュールの全体サイズが最小化される。

また、例示的な実施形態によって、別の製品メーカーは、例示的な実施形態のＲＦモジュールを回路基板の表面だけでなく、裏面にも配置できるようになる。通常では、ポッティング加工がなく、モジュールが裏面に配置される場合、シールドだけでなく多くのその他の大質量の部品もそれらを引き落とす重力によってリフロー工程時に基板から容易に落下してしまうだろう。モジュール全体をモジュール自体が取り付けられた大きな基板に留めるものは、リフローはんだ付け工程を行う前にメーカーによって塗られる少量の接着剤である。しかし、メーカーは、この接着剤をモジュール自体の部品には決して塗ることができないため、メーカーの基板の裏面にその他のＲＦモジュールを配置するという省スペース化工程を利用することはほとんど不可能になる。ここで、メーカーは、本明細書に記載の例示的な実施形態を使って、プリント回路基板の表面だけでなく裏面も利用してモジュールを実装できるようになる。

これに加えて、または、これに代えて、回路基板のパッド上に載るシールドの薄い端部によって、取り付け位置用に占有される表面積を最小限に抑えることができ、例示の４つの取り付け位置によって、回路基板上に位置決め穴を必要とせずに、シールドを非常にしっかりと留めることができる。

なお、添付の図面を参照して本発明の実施形態を十分に説明したが、さまざまな変更例および変形例が当業者に明らかになるだろう。このような変更例および変形例は、特許請求の範囲で定義される本発明の実施形態の範囲に含まれると理解されるべきである。たとえば、異なる特徴および構成が、１つのＲＦモジュールの説明において示された。しかし、所望の利益を実現するために特徴のいかなる組み合わせが用いられてもよい。本発明の実施に１つ以上の特徴が必要というわけではない。それゆえ、たとえば、回路基板のパッドおよび対応するシールド脚は、記載したようにシールドの対向する側部に限られるまたは限定される必要はなく、基板を跨いで平行に揃えられる必要はなく、位置決め穴と合わせて利用することができる。それゆえ、特定の結果を成し遂げるために、特徴または下位特徴の組み合わせは、いかなる方法で組み合わされてもよい。

Claims (17)

1. 無線周波数モジュールであって、
   回路基板上に位置する送受信機と、
   前記回路基板上に位置する水晶振動子と、
   前記回路基板上に位置するアンテナと、
   前記送受信機および前記水晶振動子を覆うように位置するシールドとを備え、前記シールドは、上面と、前記上面を前記回路基板に結合する少なくとも３つの脚を備える、無線周波数モジュール。
2. 前記シールドは、略平行に配置された４つの脚を備え、当該脚は、前記回路基板と前記シールドの上面との間に高さ寸法を有し、前記高さ寸法と直交する最大長さに沿った長寸法を有し、前記高さ寸法および前記長寸法と直交する最小長さに沿った短寸法を有する、請求項１に記載の無線周波数モジュール。
3. 前記シールドの脚の前記長寸法は、平行である、請求項２に記載の無線周波数モジュール。
4. 前記シールドの脚は、概ね平面状であり、第１の脚の対は第１面に一列に並べられ、第２の脚の対は第２面に一列に並べられる、請求項３に記載の無線周波数モジュール。
5. 前記第１面と前記第２面とは、平行である、請求項４に記載の無線周波数モジュール。
6. 前記４つの脚は、前記シールドの上面の対向する側部から延在する、請求項２に記載の無線周波数モジュール。
7. 前記４つの脚は、前記シールドの上面の外周の１／２未満に延在する、請求項６に記載の無線周波数モジュール。
8. 前記シールドの別の対向する側部は、開口している、請求項７に記載の無線周波数モジュール。
9. 前記シールドの上面は、複数の開口部を含む、請求項１に記載の無線周波数モジュール。
10. 前記複数の開口部は、前記シールドの周縁の近傍に配置される、請求項９に記載の無線周波数モジュール。
11. 前記シールドの上面は、開口していない中央領域を含む、請求項１０に記載の無線周波数モジュール。
12. 前記開口していない中央領域の直径は、同一線上の前記シールドの直径の少なくとも１／２である、請求項１１に記載の無線周波数モジュール。
13. 前記送受信機、前記水晶振動子、および前記シールドを覆う成形材料をさらに備える、請求項１に記載の無線周波数モジュール。
14. 前記成形材料は、前記アンテナを覆う、請求項１３に記載の無線周波数モジュール。
15. 前記成形材料は、前記シールドの内部の空洞内に存在するように、前記回路基板と前記シールドとの間に位置する、請求項１３に記載の無線周波数モジュール。
16. 前記無線周波数モジュールの側部に電気接点をさらに備える、請求項１５に記載の無線周波数モジュール。
17. 前記電気接点は、前記無線周波数モジュールの側部の周縁まで延在する、請求項１６に記載の無線周波数モジュール。

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