JP3569256B2 - 非接触通信式半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的微弱な信号を取り扱う無線通信用のアンテナを備え、リーダライタからの電力の受給とリーダライタとの間の信号の送受信とを無線によって行う非接触通信式の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、カード形、タグ形又はコイン形などに形成された基体にＩＣチップを搭載してなる半導体装置が知られている。この種の半導体装置は、豊富な情報量と高いセキュリティ性能を備えていることから、交通、流通及び情報通信等の各分野で普及が進んでいる。
【０００３】
中でも、近年開発された非接触通信式の半導体装置は、基体に外部端子を設けず、リーダライタからＩＣチップへの電力の受給と、リーダライタとＩＣチップとの間の信号の送受信とを無線通信用のアンテナを利用して非接触で行うので、接触式の半導体装置のように外部端子の損壊ということが本質的になく、保存等の取り扱いが容易で長期間の使用に耐え、リーダライタのメンテナンスも容易になるという特徴を有する。またこれに加えて、データの改ざんが行われにくく一層セキュリティ性能に優れるという特徴を有しており、今後より広範囲な分野への普及が予想されている。
【０００４】
従来の非接触通信式半導体装置においては、ＩＣとして、回路形成面が平面状に形成されたＩＣチップ、即ち、薄板状に形成されたシリコンウエハの片面に演算素子や記憶素子を含む所要の回路パターンが集積化されたＩＣチップが用いられている。また、前記無線通信用のアンテナとしては、導線を巻回してなる巻線コイルや導体膜をエッチングしてなる平面コイルが用いられている。これらのアンテナは、基体に設けられるのが一般的であったが、近年においては、ＩＣチップに直接平面コイルをパターン形成したものや、ＩＣチップをコアとしてその周面に巻線コイルを巻回したものも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シリコンウエハの片面に所要の回路パターンが集積化された薄板状のＩＣチップは、抗折力が小さいために、基体にアンテナが備えられるものは勿論のこと、ＩＣチップ自体にアンテナが備えられたものについても単独では非接触通信式半導体装置として使用することができず、ＩＣチップを基体に搭載する必要がある。このため、従来の非接触通信式半導体装置は、構造が複雑でコスト高になり、かつ平面形状が大型化するという不都合がある。
【０００６】
また、従来の非接触通信式半導体装置は、基体がカード形、タグ形又はコイン形などに形成され、かつ当該非接触式半導体装置に搭載されるアンテナが基体の表裏方向に指向性を有するように構成されているので、利用分野が自ずと制限され、例えば、当該非接触通信式半導体装置を流体中に投入して、その流量や流速を測定するといった利用を図ることができない。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであって、その課題とするところは、小型かつ安価に製造でき、しかもこれまで適用が困難であった分野への適用が可能な非接触通信式半導体装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、第１に、立体的な回路形成面を有するＩＣと、当該ＩＣの回路形成面上に形成された絶縁層と、当該絶縁層上に立体的に形成され、当該絶縁層に形成されたスルーホールを通して前記回路形成面に形成された回路と電気的に接続された無線通信用のアンテナとを備えるという構成にした。
【０００９】
前記立体的な回路形成面を有するＩＣとは、ウエハプロセスによって製造されるＩＣとは異なり、特殊な方法で生成されたシリコン基の表面にプロセス技術を応用して所要の素子及び配線が形成されたものであって、輪郭表面が２以上の平面を含んで構成され、その２以上の平面に回路が形成されたもの、及び、輪郭表面が例えば球状、粒状、皿状、ヘモグロビン形状、テトラポッド形状、細長或いは扁平的回転楕円体、正四面体包摂形状、ドーナツ状、米粒状、ひょうたん型、印型、たわら形状などの曲面で構成され、当該曲面に回路が形成されたものの双方を含む。
【００１０】
前記非接触通信式半導体装置は、前記絶縁層の厚さを調整することによって、当該絶縁層の表面に形成されるアンテナのサイズ、即ち周波数特性を調整することができる。
【００１１】
本発明は、前記の課題を解決するため、第２に、立体的な回路形成面を有するＩＣと、当該ＩＣの外周部に付設され、前記回路形成面に立体的に形成された回路の入出力端子と電気的に接続された無線通信用のアンテナとを備え、当該アンテナとして、２つの導電性中空半球体からなり、これら２つの導電性中空半球体の周縁部が所定のスリットを介して対向に配置されたものを用いるという構成にした。
【００１２】
本発明は、前記の課題を解決するため、第３に、立体的な回路形成面を有するＩＣと、当該ＩＣの外周部に付設され、前記回路形成面に立体的に形成された回路の入出力端子と電気的に接続された無線通信用のアンテナとを備え、当該アンテナとして、一部にスリットを有する導電性中空球体からなるものを用いるという構成にした。
【００１３】
これらの第２及び第３の課題解決手段に係るアンテナは、高周波特性に優れるので、小型にして大きな通信距離を得ることができる。また、要求される通信距離が小さい場合には、巻線コイルからなるアンテナを用いることも可能である。
【００１４】
前記アンテナとして、ＩＣの表面にエッチングやレーザビーム加工等の微細加工技術を応用してパターン形成されたものや巻線コイルを用いる場合、そのアンテナパターンは、ループ型又はダイポール型或いはこれらの組み合わせなど、任意の形状に形成することができる。また、そのアンテナパターンは、多指向性又は無指向性を有することが好ましく、少なくとも３方向以上の特定の多方向に対して高い感度を有するように形成されることが好ましい。
【００１５】
立体的な回路形成面を有するＩＣ、例えば球状のＩＣは、板状のＩＣチップに比べて格段に抗折力（破壊強度）が大きい。また、かかるＩＣの表面に無線通信用のアンテナをパターン形成するか、あるいは、かかるＩＣの外周部に無線通信用のアンテナを付設すると、アンテナを搭載するための基体を必要としないので基体を必須の構成要素とする従来の非接触通信式半導体装置に比べてその平面形状を格段に小型化できると共に、３方向以上の特定の多方向に対して高い感度を有する多指向性のアンテナ又は無指向性のアンテナを形成することができる。したがって、ＩＣ及びアンテナのみをもって実用的な非接触通信式の半導体装置を構成することができ、小型かつ粒状であることから、例えば流体中に投入して、その流量や流速を測定するといった利用をも図ることができ、この種の非接触通信式半導体装置の用途を拡大することができる。また、ＩＣの表面に無線通信用のアンテナをパターン形成するか、あるいは、ＩＣの外周部に無線通信用のアンテナを付設するだけで所望の非接触通信式半導体装置を得ることができるので、基体を備えた非接触通信式半導体装置に比べて安価に製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〈第１実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第１実施形態例を、図１乃至図３に基づいて説明する。図１は第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図、図２はアンテナを構成する導線の断面図、図３は第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の利用例とリーダライタの構成例とを示す概念説明図である。図１から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１１は、立方形に形成されたＩＣ１のＡ面とその対向面であるＡ′面とにアンテナパターン２が形成され、Ａ面及びＡ′面と直交するＣ面にアンテナの両端３が配置されている。ＩＣ１のＡ面及びＡ′面に形成されるアンテナパターン２は、いずれも電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＡ面及びＡ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈが発生する。なお、図ではアンテナパターン２が１本の線で表示されているが、コイル状に所定回数ターンさせることも勿論可能である。
【００１７】
ＩＣ１は、前記したように外形が立方形に形成されており、当該立方形を構成する６平面のうちの少なくとも２平面以上に所要の回路パターン（図示省略）が形成されていて、Ｃ面のアンテナ両端３と対応する部分に入出力部を有している。このＩＣ１は、立方体に形成されたシリコン基の表面にプロセス技術を応用して所要の素子及び配線を形成することにより作成される。
【００１８】
アンテナパターン２は、ＩＣ１の周囲に導線を巻回することによって構成することもできるし、ＩＣ１の表面に絶縁層（図示省略）を介して形成された導体膜に例えばエッチング加工やレーザビーム加工等の微細加工を施すことにより構成することもできる。アンテナパターン２が導線にて形成される場合、ＩＣ１のＣ面のアンテナ両端３と対応する部分には、パッド部が設けられ、当該パッド部にアンテナ２の両端が接続される。これに対して、アンテナパターン２が導体膜を微細加工することによって形成される場合には、かかるパッド部は不要である。
【００１９】
アンテナパターン２を導線にて形成する場合、当該導線としては、図２（ａ）に示すように、銅やアルミニウムなどの良導電性金属材料からなる心線２ａの周囲を樹脂などの絶縁層２ｂで被覆された線材から成るもの、或いは図２（ｂ）に示すように、心線２ａの周囲に金やハンダなどの接合用金属層２ｃが被覆され、かつ当該接合用金属層２ｃの周囲に絶縁層２ｂが被覆された線材から成るものを用いることもできる。線材の直径は、必要に応じて適宜選択できるが、巻線時の断線防止及びアンテナ装置の小型化の要請から、２０μｍ〜１００μｍのものが特に好適である。また、導線からなるアンテナパターン２とＩＣパッド部との接続法法としては、ワイヤボンディング、ハンダ付け、超音波融着、異方性導電体接続等によって行うことができる。
【００２０】
本例の非接触通信式半導体装置１１は、立方形のＩＣ１の表面に無線通信用のアンテナ２をパターン形成するか、巻線コイルを巻回したので、従来のようにアンテナを搭載するための基体を必要とせず、基体を必須の構成要素とする従来の非接触通信式半導体装置に比べてその平面形状を格段に小型化できる。したがって、ＩＣ１及びアンテナ２のみをもって実用的な非接触通信式の半導体装置を構成することができ、小型かつ粒状であることから、図３に示すように、管体２１内を流れる流体２２に投入して、リーダライタ２３にてその流量や流速を測定するといった利用を図ることができる。
【００２１】
即ち、リーダライタ２３には、非接触通信式半導体装置１１に備えられたアンテナ２と電磁結合可能なコイル２４が備えられていて、このコイル２４は、管体２１の外周に巻回されている。本構成のリーダライタ２３によると、流体２２と共に管体２１内を流れてきた非接触通信式半導体装置１１がコイル２４に接近し、非接触通信式半導体装置１１に備えられたアンテナ２とコイル２４とが電磁結合した段階でリーダライタ２３より非接触通信式半導体装置１１に電源が供給され、非接触通信式半導体装置１１はその電源を利用して所要の演算を行い、所要の信号をリーダライタ２３に送信する。リーダライタ２３によるこの信号の受信レベルは、アンテナ２とコイル２４との相対位置によって変化するから、受信レベルの変化をリーダライタ２３に接続されたホストコンピュータによって検出することによって、管体２１内を流れる流体２２の流速、ひいては流量を演算によって求めることができる。
【００２２】
さらに、前記構成の非接触通信式半導体装置は、ＩＣの表面に無線通信用のアンテナをパターン形成するか、巻線コイルを巻回するだけで所望の非接触通信式半導体装置を得ることができるので、基体を備えた非接触通信式半導体装置に比べて安価に製造することができる。
【００２３】
〈第２実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第２実施形態例を、図４に基づいて説明する。図４は第２実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。図４から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１２は、立方形に形成されたＩＣ１のＡ面及びＡ′面並びにこれらの各面と直交するＢ面及びＢ′面にアンテナパターン２が形成され、Ａ面、Ａ′面、Ｂ面及びＢ′面と直交するＣ面にアンテナの両端３が配置されている。ＩＣ１のＡ面及びＡ′面に形成されるアンテナパターン２は、いずれも電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＡ面及びＡ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ１を発生する。また、ＩＣ１のＢ面及びＢ′面に形成されるアンテナパターン２も、電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＢ面及びＢ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ２が発生する。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００２４】
本例の非接触通信式半導体装置１２は、第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同様の効果を奏するほか、ＩＣ１のＡ面及びＡ′面とＢ面及びＢ′面とにアンテナパターン２を形成したので、Ａ面及びＡ′面に垂直な方向並びにＢ面及びＢ′面に垂直な方向の２方向に高い感度を有する多指向性のアンテナ装置を備えた非接触通信式半導体装置を得ることができる。
【００２５】
〈第３実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第３実施形態例を、図５に基づいて説明する。図５は第３実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。図５から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１３は、立方形に形成されたＩＣ１のＡ面及びＡ′面、Ｂ面及びＢ′面並びにＣ面及びＣ′面にそれぞれアンテナパターン２が形成され、Ｃ面にアンテナの両端３が配置されている。ＩＣ１のＡ面及びＡ′面に形成されるアンテナパターン２は、いずれも電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＡ面及びＡ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ１を発生する。また、ＩＣ１のＢ面及びＢ′面に形成されるアンテナパターン２も、電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＢ面及びＢ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ２が発生する。さらに、ＩＣ１のＣ面及びＣ′面に形成されるアンテナパターン２も、電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＣ面及びＣ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ３が発生する。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００２６】
本例の非接触通信式半導体装置装置１３は、第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同様の効果を奏するほか、ＩＣ１のＡ面及びＡ′面、Ｂ面及びＢ′面並びにＣ面及びＣ′面にアンテナパターン２を形成したので、Ａ面及びＡ′面に垂直な方向、Ｂ面及びＢ′面に垂直な方向並びにＣ面及びＣ′面に垂直な方向の３方向に高い感度を有する多指向性のアンテナ装置を備えた非接触通信式半導体装置を得ることができる。
【００２７】
〈第４実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第４実施形態例を、図６に基づいて説明する。図６は第４実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【００２８】
図６から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１４は、立方形に形成されたＩＣ１の３方向の周面に連続的にアンテナパターン２を形成し、いずれか１つの面、図の例ではＣ面にアンテナの両端３を配置したことを特徴とする。アンテナパターン２は、図２に例示したような導線を巻回することによって形成することができる。本例の非接触通信式半導体装置１４は、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、ＩＣ１の各周面に巻回された各コイルから、互いに直交する方向に３つの磁界Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３が発生する。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００２９】
本例の非接触通信式半導体装置１４は、第３実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１３と同様の効果を奏する。
【００３０】
〈第５実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第５実施形態例を、図７に基づいて説明する。図７は第５実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。図７から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１５は、ＩＣ１として、輪郭が球形に形成されたＩＣを用い、その表面にアンテナパターン２を形成したことを特徴とする。アンテナパターン２は、巻線をもって構成することもできるし、ＩＣ１の表面に絶縁層（図示省略）を介して形成された導体膜に例えばエッチング加工やレーザビーム加工等の微細加工を施すことにより構成することもできる。図７（ａ）はＩＣ１の表面に沿ってアンテナ２を野球のボールの縫い目形状に形成した例を示し、図７（ｂ）はＩＣ１の表面に複数個の渦巻き型のコイルを分散した例を示す。いずれの場合にも、２方向以上の多方向に高い感度を有する多指向性のアンテナを備えた非接触通信式半導体装置とすることができる。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００３１】
本例の非接触通信式半導体装置１５も、第１乃至第４実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１，１２，１３，１４と同様の効果を奏する。
【００３２】
〈第６実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第６実施形態例を、図８に基づいて説明する。図８は第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。図８から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１６は、球形のＩＣ１の外周部を当該ＩＣ１の直径と同等又はこれよりも厚い絶縁層４にて覆い、当該絶縁層４の表面にアンテナパターン２を形成したことを特徴とする。アンテナパターン２は、巻線をもって構成することもできるし、絶縁層４の表面に形成された導体膜に例えばエッチング加工やレーザビーム加工等の微細加工を施すことにより構成することもできる。アンテナパターン２とＩＣ１の表面に形成された回路パターン９の入出力部９ａとは、スルーホール５を介して接続される。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００３３】
本例の非接触通信式半導体装置１６は、第５実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１５と同様の効果を有するほか、球形のＩＣ１の外周部を当該ＩＣ１の直径と同等又はこれよりも厚い絶縁層４にて覆い、当該絶縁層４の表面にアンテナパターン２を形成したので、ＩＣ１の表面又はその近傍にアンテナパターン２を形成する場合に比べてアンテナパターン２のサイズを大型化することができ、高周波特性に優れたアンテナを備えた非接触通信式半導体装置とすることができる。
【００３４】
〈第７実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第７実施形態例を、図９に基づいて説明する。図９は第７実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【００３５】
図９から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１７は、球形のＩＣ１の外周部を当該ＩＣ１の直径と同等又はこれよりも厚い絶縁層４にて覆い、当該絶縁層４の外面に２つの導電性中空半球体２ａ，２ｂからなるアンテナ２を被着したことを特徴とする。前記２つの導電性中空半球体２ａ，２ｂの相対向する周縁部の間には所定の間隙６が設けられ、各導電性中空半球体２ａ，２ｂとＩＣ１の表面に形成された回路パターンとは、スルーホール５を介して接続される。その他の事項については第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１６と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００３６】
本例の非接触通信式半導体装置１７は、第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１６と同様の効果を有するほか、２つの導電性中空半球体２ａ，２ｂからなるアンテナ２を用いたので、パターン形成されたアンテナ又は巻線からなるアンテナを用いる場合に比べて、より高周波特性に優れたアンテナを備えた非接触通信式半導体装置とすることができる。
【００３７】
〈第８実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第８実施形態例を、図１０に基づいて説明する。図１０は第８実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【００３８】
図１０から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１８は、アンテナ２として、一部にスリット８を有する導電性中空球体からなるものを用い、当該アンテナ２内に球形のＩＣ１を収納して、前記アンテナ２の内面の２点とＩＣ１の表面に形成された回路パターンとを導体７で接続したことを特徴とする。その他の事項については第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１６と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００３９】
本例の非接触通信式半導体装置１８も、第７実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１７と同様の効果を有する。
【００４０】
なお、前記各実施形態例においては、立方形のＩＣ１又は球形のＩＣ１を用いたが、ＩＣ１の形状についてはこれに限定されるものではなく、立体的な回路形成面を有するＩＣであれば、例えば球状、粒状、皿状、ヘモグロビン形状、テトラポッド形状、細長或いは扁平的回転楕円体、正四面体包摂形状、ドーナツ状、米粒状、ひょうたん型、印型、たわら形状など、任意の輪郭を有するものを用いることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の非接触通信式半導体装置は、立体的な回路形成面を有するＩＣを用い、当該ＩＣの表面に無線通信用のアンテナをパターン形成するか、前記ＩＣの外周部に当該ＩＣの回路形成面に形成された回路の入出力端子と電気的に接続された無線通信用のアンテナを付設したので、アンテナを搭載するための基体を必要とせず、基体を必須の構成要素とする従来の非接触通信式半導体装置に比べてその平面形状を格段に小型化できると共に、３方向以上の特定の多方向に対して高い感度を有する多指向性のアンテナ又は無指向性のアンテナを形成することができる。したがって、ＩＣ及びアンテナのみをもって実用的な非接触通信式の半導体装置を構成することができ、小型かつ粒状であることから、例えば流体中に投入してその流量や流速を測定するなど、従来非接触通信式半導体装置の適用が困難であった分野への応用が可能になる。また、基体を有しないことから、構造が簡単であり、基体を備えた非接触通信式半導体装置に比べて安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図２】アンテナを構成する導線の断面図である。
【図３】第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の利用例とリーダライタの構成例とを示す概念説明図である。
【図４】第２実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図５】第３実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図６】第４実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図７】第５実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図８】第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【図９】第７実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【図１０】第８実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１ ＩＣ
２ アンテナ
３ アンテナ両端
４ 絶縁層
５ スルーホール
６ 間隙
７ 導体
８ スリット
１１〜１８ 非接触通信式半導体装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的微弱な信号を取り扱う無線通信用のアンテナを備え、リーダライタからの電力の受給とリーダライタとの間の信号の送受信とを無線によって行う非接触通信式の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、カード形、タグ形又はコイン形などに形成された基体にＩＣチップを搭載してなる半導体装置が知られている。この種の半導体装置は、豊富な情報量と高いセキュリティ性能を備えていることから、交通、流通及び情報通信等の各分野で普及が進んでいる。
【０００３】
中でも、近年開発された非接触通信式の半導体装置は、基体に外部端子を設けず、リーダライタからＩＣチップへの電力の受給と、リーダライタとＩＣチップとの間の信号の送受信とを無線通信用のアンテナを利用して非接触で行うので、接触式の半導体装置のように外部端子の損壊ということが本質的になく、保存等の取り扱いが容易で長期間の使用に耐え、リーダライタのメンテナンスも容易になるという特徴を有する。またこれに加えて、データの改ざんが行われにくく一層セキュリティ性能に優れるという特徴を有しており、今後より広範囲な分野への普及が予想されている。
【０００４】
従来の非接触通信式半導体装置においては、ＩＣとして、回路形成面が平面状に形成されたＩＣチップ、即ち、薄板状に形成されたシリコンウエハの片面に演算素子や記憶素子を含む所要の回路パターンが集積化されたＩＣチップが用いられている。また、前記無線通信用のアンテナとしては、導線を巻回してなる巻線コイルや導体膜をエッチングしてなる平面コイルが用いられている。これらのアンテナは、基体に設けられるのが一般的であったが、近年においては、ＩＣチップに直接平面コイルをパターン形成したものや、ＩＣチップをコアとしてその周面に巻線コイルを巻回したものも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シリコンウエハの片面に所要の回路パターンが集積化された薄板状のＩＣチップは、抗折力が小さいために、基体にアンテナが備えられるものは勿論のこと、ＩＣチップ自体にアンテナが備えられたものについても単独では非接触通信式半導体装置として使用することができず、ＩＣチップを基体に搭載する必要がある。このため、従来の非接触通信式半導体装置は、構造が複雑でコスト高になり、かつ平面形状が大型化するという不都合がある。
【０００６】
また、従来の非接触通信式半導体装置は、基体がカード形、タグ形又はコイン形などに形成され、かつ当該非接触式半導体装置に搭載されるアンテナが基体の表裏方向に指向性を有するように構成されているので、利用分野が自ずと制限され、例えば、当該非接触通信式半導体装置を流体中に投入して、その流量や流速を測定するといった利用を図ることができない。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであって、その課題とするところは、小型かつ安価に製造でき、しかもこれまで適用が困難であった分野への適用が可能な非接触通信式半導体装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、第１に、立体的な回路形成面を有するＩＣと、当該ＩＣの回路形成面上に形成された絶縁層と、当該絶縁層上に立体的に形成され、当該絶縁層に形成されたスルーホールを通して前記回路形成面に形成された回路と電気的に接続された無線通信用のアンテナとを備えるという構成にした。
【０００９】
前記立体的な回路形成面を有するＩＣとは、ウエハプロセスによって製造されるＩＣとは異なり、特殊な方法で生成されたシリコン基の表面にプロセス技術を応用して所要の素子及び配線が形成されたものであって、輪郭表面が２以上の平面を含んで構成され、その２以上の平面に回路が形成されたもの、及び、輪郭表面が例えば球状、粒状、皿状、ヘモグロビン形状、テトラポッド形状、細長或いは扁平的回転楕円体、正四面体包摂形状、ドーナツ状、米粒状、ひょうたん型、印型、たわら形状などの曲面で構成され、当該曲面に回路が形成されたものの双方を含む。
【００１０】
前記非接触通信式半導体装置は、前記絶縁層の厚さを調整することによって、当該絶縁層の表面に形成されるアンテナのサイズ、即ち周波数特性を調整することができる。
【００１１】
本発明は、前記の課題を解決するため、第２に、立体的な回路形成面を有するＩＣと、当該ＩＣの外周部に付設され、前記回路形成面に立体的に形成された回路の入出力端子と電気的に接続された無線通信用のアンテナとを備え、当該アンテナとして、２つの導電性中空半球体からなり、これら２つの導電性中空半球体の周縁部が所定のスリットを介して対向に配置されたものを用いるという構成にした。
【００１２】
本発明は、前記の課題を解決するため、第３に、立体的な回路形成面を有するＩＣと、当該ＩＣの外周部に付設され、前記回路形成面に立体的に形成された回路の入出力端子と電気的に接続された無線通信用のアンテナとを備え、当該アンテナとして、一部にスリットを有する導電性中空球体からなるものを用いるという構成にした。
【００１３】
これらの第２及び第３の課題解決手段に係るアンテナは、高周波特性に優れるので、小型にして大きな通信距離を得ることができる。また、要求される通信距離が小さい場合には、巻線コイルからなるアンテナを用いることも可能である。
【００１４】
前記アンテナとして、ＩＣの表面にエッチングやレーザビーム加工等の微細加工技術を応用してパターン形成されたものや巻線コイルを用いる場合、そのアンテナパターンは、ループ型又はダイポール型或いはこれらの組み合わせなど、任意の形状に形成することができる。また、そのアンテナパターンは、多指向性又は無指向性を有することが好ましく、少なくとも３方向以上の特定の多方向に対して高い感度を有するように形成されることが好ましい。
【００１５】
立体的な回路形成面を有するＩＣ、例えば球状のＩＣは、板状のＩＣチップに比べて格段に抗折力（破壊強度）が大きい。また、かかるＩＣの表面に無線通信用のアンテナをパターン形成するか、あるいは、かかるＩＣの外周部に無線通信用のアンテナを付設すると、アンテナを搭載するための基体を必要としないので基体を必須の構成要素とする従来の非接触通信式半導体装置に比べてその平面形状を格段に小型化できると共に、３方向以上の特定の多方向に対して高い感度を有する多指向性のアンテナ又は無指向性のアンテナを形成することができる。したがって、ＩＣ及びアンテナのみをもって実用的な非接触通信式の半導体装置を構成することができ、小型かつ粒状であることから、例えば流体中に投入して、その流量や流速を測定するといった利用をも図ることができ、この種の非接触通信式半導体装置の用途を拡大することができる。また、ＩＣの表面に無線通信用のアンテナをパターン形成するか、あるいは、ＩＣの外周部に無線通信用のアンテナを付設するだけで所望の非接触通信式半導体装置を得ることができるので、基体を備えた非接触通信式半導体装置に比べて安価に製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〈第１実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第１実施形態例を、図１乃至図３に基づいて説明する。図１は第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図、図２はアンテナを構成する導線の断面図、図３は第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の利用例とリーダライタの構成例とを示す概念説明図である。図１から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１１は、立方形に形成されたＩＣ１のＡ面とその対向面であるＡ′面とにアンテナパターン２が形成され、Ａ面及びＡ′面と直交するＣ面にアンテナの両端３が配置されている。ＩＣ１のＡ面及びＡ′面に形成されるアンテナパターン２は、いずれも電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＡ面及びＡ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈが発生する。なお、図ではアンテナパターン２が１本の線で表示されているが、コイル状に所定回数ターンさせることも勿論可能である。
【００１７】
ＩＣ１は、前記したように外形が立方形に形成されており、当該立方形を構成する６平面のうちの少なくとも２平面以上に所要の回路パターン（図示省略）が形成されていて、Ｃ面のアンテナ両端３と対応する部分に入出力部を有している。このＩＣ１は、立方体に形成されたシリコン基の表面にプロセス技術を応用して所要の素子及び配線を形成することにより作成される。
【００１８】
アンテナパターン２は、ＩＣ１の周囲に導線を巻回することによって構成することもできるし、ＩＣ１の表面に絶縁層（図示省略）を介して形成された導体膜に例えばエッチング加工やレーザビーム加工等の微細加工を施すことにより構成することもできる。アンテナパターン２が導線にて形成される場合、ＩＣ１のＣ面のアンテナ両端３と対応する部分には、パッド部が設けられ、当該パッド部にアンテナ２の両端が接続される。これに対して、アンテナパターン２が導体膜を微細加工することによって形成される場合には、かかるパッド部は不要である。
【００１９】
アンテナパターン２を導線にて形成する場合、当該導線としては、図２（ａ）に示すように、銅やアルミニウムなどの良導電性金属材料からなる心線２ａの周囲を樹脂などの絶縁層２ｂで被覆された線材から成るもの、或いは図２（ｂ）に示すように、心線２ａの周囲に金やハンダなどの接合用金属層２ｃが被覆され、かつ当該接合用金属層２ｃの周囲に絶縁層２ｂが被覆された線材から成るものを用いることもできる。線材の直径は、必要に応じて適宜選択できるが、巻線時の断線防止及びアンテナ装置の小型化の要請から、２０μｍ〜１００μｍのものが特に好適である。また、導線からなるアンテナパターン２とＩＣパッド部との接続法法としては、ワイヤボンディング、ハンダ付け、超音波融着、異方性導電体接続等によって行うことができる。
【００２０】
本例の非接触通信式半導体装置１１は、立方形のＩＣ１の表面に無線通信用のアンテナ２をパターン形成するか、巻線コイルを巻回したので、従来のようにアンテナを搭載するための基体を必要とせず、基体を必須の構成要素とする従来の非接触通信式半導体装置に比べてその平面形状を格段に小型化できる。したがって、ＩＣ１及びアンテナ２のみをもって実用的な非接触通信式の半導体装置を構成することができ、小型かつ粒状であることから、図３に示すように、管体２１内を流れる流体２２に投入して、リーダライタ２３にてその流量や流速を測定するといった利用を図ることができる。
【００２１】
即ち、リーダライタ２３には、非接触通信式半導体装置１１に備えられたアンテナ２と電磁結合可能なコイル２４が備えられていて、このコイル２４は、管体２１の外周に巻回されている。本構成のリーダライタ２３によると、流体２２と共に管体２１内を流れてきた非接触通信式半導体装置１１がコイル２４に接近し、非接触通信式半導体装置１１に備えられたアンテナ２とコイル２４とが電磁結合した段階でリーダライタ２３より非接触通信式半導体装置１１に電源が供給され、非接触通信式半導体装置１１はその電源を利用して所要の演算を行い、所要の信号をリーダライタ２３に送信する。リーダライタ２３によるこの信号の受信レベルは、アンテナ２とコイル２４との相対位置によって変化するから、受信レベルの変化をリーダライタ２３に接続されたホストコンピュータによって検出することによって、管体２１内を流れる流体２２の流速、ひいては流量を演算によって求めることができる。
【００２２】
さらに、前記構成の非接触通信式半導体装置は、ＩＣの表面に無線通信用のアンテナをパターン形成するか、巻線コイルを巻回するだけで所望の非接触通信式半導体装置を得ることができるので、基体を備えた非接触通信式半導体装置に比べて安価に製造することができる。
【００２３】
〈第２実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第２実施形態例を、図４に基づいて説明する。図４は第２実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。図４から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１２は、立方形に形成されたＩＣ１のＡ面及びＡ′面並びにこれらの各面と直交するＢ面及びＢ′面にアンテナパターン２が形成され、Ａ面、Ａ′面、Ｂ面及びＢ′面と直交するＣ面にアンテナの両端３が配置されている。ＩＣ１のＡ面及びＡ′面に形成されるアンテナパターン２は、いずれも電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＡ面及びＡ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ１を発生する。また、ＩＣ１のＢ面及びＢ′面に形成されるアンテナパターン２も、電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＢ面及びＢ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ２が発生する。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００２４】
本例の非接触通信式半導体装置１２は、第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同様の効果を奏するほか、ＩＣ１のＡ面及びＡ′面とＢ面及びＢ′面とにアンテナパターン２を形成したので、Ａ面及びＡ′面に垂直な方向並びにＢ面及びＢ′面に垂直な方向の２方向に高い感度を有する多指向性のアンテナ装置を備えた非接触通信式半導体装置を得ることができる。
【００２５】
〈第３実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第３実施形態例を、図５に基づいて説明する。図５は第３実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。図５から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１３は、立方形に形成されたＩＣ１のＡ面及びＡ′面、Ｂ面及びＢ′面並びにＣ面及びＣ′面にそれぞれアンテナパターン２が形成され、Ｃ面にアンテナの両端３が配置されている。ＩＣ１のＡ面及びＡ′面に形成されるアンテナパターン２は、いずれも電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＡ面及びＡ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ１を発生する。また、ＩＣ１のＢ面及びＢ′面に形成されるアンテナパターン２も、電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＢ面及びＢ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ２が発生する。さらに、ＩＣ１のＣ面及びＣ′面に形成されるアンテナパターン２も、電流ｉに関して同一方向に巻回されており、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、各アンテナパターン２からＣ面及びＣ′面に垂直で同一向きの磁界Ｈ３が発生する。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００２６】
本例の非接触通信式半導体装置装置１３は、第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同様の効果を奏するほか、ＩＣ１のＡ面及びＡ′面、Ｂ面及びＢ′面並びにＣ面及びＣ′面にアンテナパターン２を形成したので、Ａ面及びＡ′面に垂直な方向、Ｂ面及びＢ′面に垂直な方向並びにＣ面及びＣ′面に垂直な方向の３方向に高い感度を有する多指向性のアンテナ装置を備えた非接触通信式半導体装置を得ることができる。
【００２７】
〈第４実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第４実施形態例を、図６に基づいて説明する。図６は第４実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【００２８】
図６から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１４は、立方形に形成されたＩＣ１の３方向の周面に連続的にアンテナパターン２を形成し、いずれか１つの面、図の例ではＣ面にアンテナの両端３を配置したことを特徴とする。アンテナパターン２は、図２に例示したような導線を巻回することによって形成することができる。本例の非接触通信式半導体装置１４は、アンテナパターン２に電流ｉが供給されたとき、ＩＣ１の各周面に巻回された各コイルから、互いに直交する方向に３つの磁界Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３が発生する。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００２９】
本例の非接触通信式半導体装置１４は、第３実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１３と同様の効果を奏する。
【００３０】
〈第５実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第５実施形態例を、図７に基づいて説明する。図７は第５実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。図７から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１５は、ＩＣ１として、輪郭が球形に形成されたＩＣを用い、その表面にアンテナパターン２を形成したことを特徴とする。アンテナパターン２は、巻線をもって構成することもできるし、ＩＣ１の表面に絶縁層（図示省略）を介して形成された導体膜に例えばエッチング加工やレーザビーム加工等の微細加工を施すことにより構成することもできる。図７（ａ）はＩＣ１の表面に沿ってアンテナ２を野球のボールの縫い目形状に形成した例を示し、図７（ｂ）はＩＣ１の表面に複数個の渦巻き型のコイルを分散した例を示す。いずれの場合にも、２方向以上の多方向に高い感度を有する多指向性のアンテナを備えた非接触通信式半導体装置とすることができる。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００３１】
本例の非接触通信式半導体装置１５も、第１乃至第４実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１，１２，１３，１４と同様の効果を奏する。
【００３２】
〈第６実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第６実施形態例を、図８に基づいて説明する。図８は第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。図８から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１６は、球形のＩＣ１の外周部を当該ＩＣ１の直径と同等又はこれよりも厚い絶縁層４にて覆い、当該絶縁層４の表面にアンテナパターン２を形成したことを特徴とする。アンテナパターン２は、巻線をもって構成することもできるし、絶縁層４の表面に形成された導体膜に例えばエッチング加工やレーザビーム加工等の微細加工を施すことにより構成することもできる。アンテナパターン２とＩＣ１の表面に形成された回路パターン９の入出力部９ａとは、スルーホール５を介して接続される。その他の事項については第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１１と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００３３】
本例の非接触通信式半導体装置１６は、第５実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１５と同様の効果を有するほか、球形のＩＣ１の外周部を当該ＩＣ１の直径と同等又はこれよりも厚い絶縁層４にて覆い、当該絶縁層４の表面にアンテナパターン２を形成したので、ＩＣ１の表面又はその近傍にアンテナパターン２を形成する場合に比べてアンテナパターン２のサイズを大型化することができ、高周波特性に優れたアンテナを備えた非接触通信式半導体装置とすることができる。
【００３４】
〈第７実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第７実施形態例を、図９に基づいて説明する。図９は第７実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【００３５】
図９から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１７は、球形のＩＣ１の外周部を当該ＩＣ１の直径と同等又はこれよりも厚い絶縁層４にて覆い、当該絶縁層４の外面に２つの導電性中空半球体２ａ，２ｂからなるアンテナ２を被着したことを特徴とする。前記２つの導電性中空半球体２ａ，２ｂの相対向する周縁部の間には所定の間隙６が設けられ、各導電性中空半球体２ａ，２ｂとＩＣ１の表面に形成された回路パターンとは、スルーホール５を介して接続される。その他の事項については第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１６と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００３６】
本例の非接触通信式半導体装置１７は、第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１６と同様の効果を有するほか、２つの導電性中空半球体２ａ，２ｂからなるアンテナ２を用いたので、パターン形成されたアンテナ又は巻線からなるアンテナを用いる場合に比べて、より高周波特性に優れたアンテナを備えた非接触通信式半導体装置とすることができる。
【００３７】
〈第８実施形態例〉
本発明に係る非接触通信式半導体装置の第８実施形態例を、図１０に基づいて説明する。図１０は第８実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【００３８】
図１０から明らかなように、本例の非接触通信式半導体装置１８は、アンテナ２として、一部にスリット８を有する導電性中空球体からなるものを用い、当該アンテナ２内に球形のＩＣ１を収納して、前記アンテナ２の内面の２点とＩＣ１の表面に形成された回路パターンとを導体７で接続したことを特徴とする。その他の事項については第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１６と同じであるので、重複を避けるために説明を省略する。
【００３９】
本例の非接触通信式半導体装置１８も、第７実施形態例に係る非接触通信式半導体装置１７と同様の効果を有する。
【００４０】
なお、前記各実施形態例においては、立方形のＩＣ１又は球形のＩＣ１を用いたが、ＩＣ１の形状についてはこれに限定されるものではなく、立体的な回路形成面を有するＩＣであれば、例えば球状、粒状、皿状、ヘモグロビン形状、テトラポッド形状、細長或いは扁平的回転楕円体、正四面体包摂形状、ドーナツ状、米粒状、ひょうたん型、印型、たわら形状など、任意の輪郭を有するものを用いることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の非接触通信式半導体装置は、立体的な回路形成面を有するＩＣを用い、当該ＩＣの表面に無線通信用のアンテナをパターン形成するか、前記ＩＣの外周部に当該ＩＣの回路形成面に形成された回路の入出力端子と電気的に接続された無線通信用のアンテナを付設したので、アンテナを搭載するための基体を必要とせず、基体を必須の構成要素とする従来の非接触通信式半導体装置に比べてその平面形状を格段に小型化できると共に、３方向以上の特定の多方向に対して高い感度を有する多指向性のアンテナ又は無指向性のアンテナを形成することができる。したがって、ＩＣ及びアンテナのみをもって実用的な非接触通信式の半導体装置を構成することができ、小型かつ粒状であることから、例えば流体中に投入してその流量や流速を測定するなど、従来非接触通信式半導体装置の適用が困難であった分野への応用が可能になる。また、基体を有しないことから、構造が簡単であり、基体を備えた非接触通信式半導体装置に比べて安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図２】アンテナを構成する導線の断面図である。
【図３】第１実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の利用例とリーダライタの構成例とを示す概念説明図である。
【図４】第２実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図５】第３実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図６】第４実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図７】第５実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の斜視図である。
【図８】第６実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【図９】第７実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【図１０】第８実施形態例に係る非接触通信式半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１ ＩＣ
２ アンテナ
３ アンテナ両端
４ 絶縁層
５ スルーホール
６ 間隙
７ 導体
８ スリット
１１〜１８ 非接触通信式半導体装置
Claims (5)
- 立体的な回路形成面を有するＩＣと、当該ＩＣの回路形成面上に形成された絶縁層と、当該絶縁層上に立体的に形成され、当該絶縁層に形成されたスルーホールを通して前記回路形成面に形成された回路と電気的に接続された無線通信用のアンテナとを備えたことを特徴とする非接触通信式半導体装置。
- 請求項１に記載の非接触通信式半導体装置において、前記ＩＣとして、輪郭表面が曲面で構成されたものを用いることを特徴とする非接触通信式半導体装置。
- 請求項２に記載の非接触通信式半導体装置において、前記ＩＣが球形であることを特徴とする非接触通信式半導体装置。
- 請求項１に記載の非接触通信式半導体装置において、前記無線通信用のアンテナとして、２つの導電性中空半球体からなり、これら２つの導電性中空半球体の周縁部が所定のスリットを介して対向に配置されたものを用いたことを特徴とする非接触通信式半導体装置。
- 請求項１に記載の非接触通信式半導体装置において、前記無線通信用のアンテナとして、一部にスリットを有する導電性中空球体からなるものを用いたことを特徴とする非接触通信式半導体装置。
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