JP4020853B2 - アンテナ内蔵半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、Zigbee等の無線ネットワークに使用するアンテナを内蔵した半導体装置に関するものである。
特開２００１−１４３０３９号公報 日立金属技報 Vol.17(2001)、「ブルートゥース用機器チップアンテナの開発」、青山博志他、p.67〜72
Zigbeeは、アルカリ単３電池２本で数年使える低価格・小電力デバイスにより、ビル／ホーム・オートメーションを目指す遠隔制御システムの新規格である。Zigbeeでは、２．４ＧＨｚ帯の無線周波数を１６チャネルに分割して使用し、１ネットワーク当たり２５５台のデバイスが接続でき、３０ｍ以内で最高２５０ｋｂｐｓでのデータ転送が可能になっている。データ速度は、最近の無線ＬＡＮや、同じ周波数帯を使用するＢluetooth（Ｂluetooth SIG Incの登録商標）に比べて低速であるが、これにより消費電力をはるかに低く抑えることができるという特徴がある。家庭の場合、Zigbeeによって照明からホームセキュリティシステムまで、すべてを無線で制御が可能なネットワークを構築できる。
このようなZigbeeでは、Ｂluetooth等に比べて低価格を優先するので、部品点数を削減した安価なシステムが要請されている。特に、アンテナまでも含む高周波電力回路をオン・チップで搭載した半導体装置が求められている。
上記特許文献１には、リードフレームの一部で形成される無線通信用アンテナと半導体集積回路チップ（以下、「ＩＣチップ」という）を封止樹脂で一体に封止した半導体装置が記載されている。これにより、安価で量産性に優れた非接触型の通信機能を持つ半導体装置が提供できるとされている。
また、上記非特許文献１には、改良した逆Ｆアンテナを誘電体回路基板上の金属導体で形成したＢluetooth用のアンテナの試作報告が記載されている。このＢluetooth用のアンテナは、従来の逆Ｆアンテナよりも広い帯域をカバーするために、アンテナ導体の接地端から開放端に向かうに従い、導体幅を細くしたことを特徴としている。また、アンテナ導体の開放端付近に接地導体の一部を延長すると共に、このアンテナ導体の一端に給電する構造となっている。このような構造のアンテナ導体を、誘電体セラミクスの表面に給電導体及び接地導体と共に形成し、アンテナ利得を実測した結果、目的の性能が得られたとされている。
しかしながら、前記特許文献１の半導体装置では、無線通信用アンテナ全体が誘電体である封止樹脂に埋設されているため、比較的周波数の低い帯域でしか十分な輻射電力を得ることができず、特に２．４ＧＨｚ帯で低消費電力を目的とした小型アンテナに適用することは困難である。
また、前記非特許文献１のＢluetooth用のアンテナは、低消費電力で効率良く電波を輻射することができるものの、セラミクス基板上に形成されたチップアンテナであるため、量産性に優れた安価なものということはできない。
本発明は、２．４ＧＨｚ帯等の小電力の極超短波を効率良く輻射することができるアンテナを内蔵した、量産性に優れて安価な半導体装置を提供することを目的としている。
本発明の第１のアンテナ内蔵半導体装置は、高周波電力回路を有するＩＣチップと、接地電極と当該接地電極にその一端を接続し、かつ、その他端が開放されているアンテナ素子を有するリードフレームと、前記半導体集積回路チップの高周波電力回路の入出力電極と前記アンテナ素子の給電部を接続するワイヤと、前記半導体集積回路チップ、前記リードフレーム及び前記ワイヤを封止する封止樹脂とを備え、前記封止樹脂の一部に設けられた開口部において前記アンテナ素子の開放端と該開放端に対向する前記接地電極が露出したことを特徴としている。
また、本発明の第２のアンテナ内蔵半導体装置は、前記第１のアンテナ内蔵半導体装置と同様のＩＣチップと、リードフレームと、ワイヤと、封止樹脂を備え、この封止樹脂の一部に設けられた開口部に、該リードフレーム中のアンテナ素子の開放端と接地電極の他端を接続電極とする同軸ケーブル接続用のコネクタを設けたことを特徴としている。
本発明では、リードフレームによってアンテナ素子等を一体形成し、このアンテナ素子とＩＣチップ等を封止樹脂で封止した構造としているため、量産性に優れて安価な半導体装置とすることができる。更に、アンテナ素子の開放端に設けられた開口部以外のアンテナ素子とＩＣチップは、封止樹脂でモールドされているので、集積回路の出力端子から高周波信号を直接出力しようとした場合に生ずる不要輻射が抑制され、この開口部から電波を効率良く空気中に輻射することができるという効果がある。
この発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、次の、好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。但し、図面は、もっぱら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例１を示すアンテナ内蔵半導体装置の概念図であり、同図（ａ）は内部構造がわかるように一部を切り欠いた平面図、及び同図（ｂ）は同図（ａ）における断面Ａ−Ａを示す一部断面図である。
このアンテナ内蔵半導体装置は、図１（ａ）に示すように、例えば厚さ０．５ｍｍ程度の鉄板をプレスで打ち抜いて、逆Ｆアンテナ１１、チップ台座１２、接地電極１３、および複数の入出力リード１４を形成し、その表面に金めっきを施したリードフレーム１０を有している。
逆Ｆアンテナ１１は、文字通り、アルファベットの「Ｆ」を１８０°回転した形状を有しており、この図において縦方向の長い辺が共振部１１ａ、底辺が接地部１１ｂ、中間の短い横方向の線が給電部１１ｃを構成している。共振部１１ａの長さ（共振長）Ｌは、この半導体装置内部での高周波信号の波長をλｇとした場合、Ｌ＝λｇ／４である。但し、波長λｇは、真空中での波長λ０に対し、λｇ＝λ０／√εｒの関係にある。ここでεｒは、この逆Ｆアンテナ１１を取り巻く誘電体の比誘電率であり、例えば封止樹脂の場合は、２．４ＧＨｚで４〜５の値となる。従って、共振長Ｌの長さは１５ｍｍ程度である。
逆Ｆアンテナ１１の底辺の接地部１１ｂは、ＩＣチップ２０が搭載されるチップ台座１２に接続され、固定電位が与えられるようになっている。更に、逆Ｆアンテナ１１の共振部１１ａの先端（開放端）１１ｄには、接地電極１３との間に一定の容量Ｃｇが形成されるように所定の間隔のギャップＧを隔てて、チップ台座１２に接続された接地電極１３の先端部１３ａが、対向して配置されている。
チップ台座１２の表面には、高周波電力回路を有するＩＣチップ２０が搭載されている。ＩＣチップ２０は、例えば、加熱によってチップ台座１２表面と金シリコン合金を形成することによって接合されている。更に、このチップ台座１２に搭載されたＩＣチップ２０上の高周波入出力パッド２１と、逆Ｆアンテナ１１の給電部１１ｃの間が、金ワイヤ３１で接続されている。高周波入出力パッド２１は、逆Ｆアンテナ１１が受信目的で使われる際には、高周波信号の入力端子として使用される。なお、ＩＣチップ２０の高周波入出力パッド２１の直流電位が接地電極１３の直流電位と一致しない場合には、直流的な短絡を防止するために、チップコンデンサ若しくはこのＩＣチップ２０内に形成した結合コンデンサを介して、高周波信号を逆Ｆアンテナ１１に導く必要がある。更に、チップ台座１２に搭載されたＩＣチップ２０のその他の入出力パッド２２は、それぞれ対応する入出力リード１４に金ワイヤ３２を介して接続されている。
このようにＩＣチップ２０との接続が行われたリードフレーム１０は、逆Ｆアンテナ１１の開放端１１ｄとこれに対向する接地電極１３の先端部１３ａ、及びその間のギャップＧを除いて、封止樹脂４０によってモールドされている。即ち、図１（ｂ）に示すように、逆Ｆアンテナ１１の開放端１１ｄと接地電極１３の先端部１３ａが、パッケージに設けられた窓Ｗから空気中にさらされている他は、プリント基板へ接続するための入出力リード１４の先端部を除き、ＩＣチップ２０と配線用の金ワイヤ３１，３２が、すべて封止樹脂４０によって保護されている。
次に、このアンテナ内蔵半導体装置の動作を説明する。
ＩＣチップ２０の高周波入出力パッド２１から２．４ＧＨｚ帯の高周波信号が出力されると、金ワイヤ３１を介して逆Ｆアンテナ１１の給電部１１ｃにこの高周波信号が供給され、共振部１１ａが励振される。共振部１１ａの底部に接続された接地部１１ｂは、この共振部１１ａに直交しているので、共振長Ｌには寄与しない。また、共振部１１ａの開放端１１ｄを除き、ほとんどの部分が封止樹脂４０でモールドされているので、アンテナの空気中への露出部分を考慮した実効誘電率を用いることなく、この封止樹脂４０の比誘電率と高周波信号の周波数のみで、共振長Ｌが定まる。
高周波信号で励振された共振部１１ａでは、開放端１１ｄでの高周波電圧が高くなり、接地電極１３の先端部１３ａとの間に強い電界が生じる。共振部１１ａの開放端１１ｄと接地電極１３の先端部１３ａは、一定のギャップＧを介してパッケージに設けられた窓Ｗから空気中に露出しているので、これらの２つの電極は、図１（ｂ）に示すように、微小ダイポール・アンテナと等価である。これにより、この窓Ｗからの輻射パターンＰＴＮは、対向する電極方向に垂直な断面で対称になる（但し、図中に記載した輻射パターンＰＴＮは、例示であって、計算されたものではない）。
逆Ｆアンテナ１１の形状構造は、輻射パターンＰＴＮの形成には余り寄与しない。これは、封止樹脂４０に埋もれて強い放射電界を空気中に形成できないからである。しかし、逆Ｆアンテナ１１のアンテナ素子自体は、共振周波数以外の周波数の信号を減衰させるように機能し、単に出力電極と接地電極を対向させただけの微小ダイポール・アンテナでは得られないフィルタ機能を有している。
このアンテナ内蔵半導体装置は、一般的にプリント基板に実装されるので、電波の輻射パターンは周囲の構造によって大きく影響される。例えば、アンテナ内蔵半導体装置が実装された下側のプリント基板に接地導体があると、輻射パターンは上側のみの指向性を持つことになる。従って、無指向性の輻射パターンを持たせるために、アンテナ内蔵半導体装置の下側のプリント基板には接地導体を設けないように設計することが望ましい。
以上のように、この実施例１のアンテナ内蔵半導体装置は、逆Ｆアンテナ１１をリードフレーム１０と一体化して形成し、この逆Ｆアンテナ１１の開放端１１ｄと接地電極１３の先端部１３ａをパッケージに設けられた窓Ｗから空気中に露出し、ＩＣチップ２０を含むその他の部分をすべて封止樹脂４０でモールドした構造としている。これにより、２．４ＧＨｚ帯等の小電力の極超短波を効率良く輻射することができ、かつ、量産性に優れて安価に製造することができるという利点がある。また、同軸ケーブル等によるアンテナとの接続が不要であるので、その接続点におけるインピーダンスの不整合等による損失がないという利点がある。
図２は、本発明の実施例２を示すアンテナ内蔵半導体装置の説明図である。
このアンテナ内蔵半導体装置は、図１と同様に逆Ｆアンテナを内蔵したアンテナ内蔵半導体装置の電波輻射用の窓の部分に、外部アンテナを接続するためのコネクタを設けたものである。例えば、アンテナ内蔵半導体装置を小型の機器に高密度実装した場合等で、配置の都合上、このアンテナ内蔵半導体装置の窓から電波を効果的に輻射できないことがある。このような場合、窓にコネクタを設けて同軸ケーブルを介して外部アンテナに接続することにより、目的を達成することができる。しかしながら、コネクタ等の接続端で反射や漏洩輻射の問題が起こりやすい。実施例２は、接続端での反射や漏洩輻射を抑制するためのコネクタに関するものである。
このアンテナ内蔵半導体装置は、図２に示すように、図１のアンテナ内蔵半導体装置の電波輻射用の窓に代えて、めす型の誘電体コネクタ５０を設けている。即ち、窓の内部に逆Ｆアンテナの共振部の開放端と接地電極の先端部が、それぞれ出力電極５１と接地電極５２として形成されている。また、窓の内側（パッケージ裏面）には、おす型誘電体コネクタ６０が差し込まれたときに、この窓が誘電体で隙間無く塞がれるように誘電体ガイド５３が設けられている。更に、窓の外側（パッケージ表面）には、おす型誘電体コネクタ６０を保持するガイド５４が設けられている。
一方、おす型誘電体コネクタ６０は、同軸ケーブル７０を介して外部アンテナを接続するもので、この同軸ケーブル７０の中心導体７１が接続される同軸出力電極６１と、外部導体７２が接続される同軸接地電極６２を備え、めす型の誘電体コネクタ５０との位置合わせ用の誘電体ガイド６３を含むコネクタ全体が誘電体で形成されている。なお、この図では、コネクタの差し違えを防止するためのガイド溝や、コネクタの接続を固定するための機構は省略している。
図２のアンテナ内蔵半導体装置におけるコネクタ部の形成方法は、大きく２つに分けられる。第１の方法は、窓に相当する部分を予め別の誘電体で形成しておき、完成後に融点や化学的性質の差違を利用してその部分を除去する方法である。第２の方法は、通常の方法で窓の無いパッケージを作成し、完成後に高速の水流や粒子流を使用して窓の部分だけを削り取る方法で、これにより、電極となる硬度の高い金属端子を削らずに残すことができる。
次に、このアンテナ内蔵半導体装置の動作を説明する。
まず、外部アンテナが接続された同軸ケーブル７０のおす型誘電体コネクタ６０を、アンテナ内蔵半導体装置に設けられためす型の誘電体コネクタ５０に差し込む。これにより、アンテナ内蔵半導体装置の逆Ｆアンテナの共振部の開放端が、めす型の誘電体コネクタ５０の出力電極５１とおす型誘電体コネクタ６０の同軸出力電極６１を介して、同軸ケーブル７０の中心導体７１に接続される。また、アンテナ内蔵半導体装置の接地電極の先端部は、めす型の誘電体コネクタ５０の接地電極５２とおす型誘電体コネクタ６０の同軸接地電極６２を介して、同軸ケーブル７０の外部導体７２に接続される。更に、アンテナ内蔵半導体装置の窓の裏側は、めす型の誘電体コネクタ５０に設けられた誘電体ガイド５３と、これに差し込まれたおす型誘電体コネクタ６０の誘電体ガイド６３によって隙間無く塞がれる。
その後、アンテナ内蔵半導体装置のＩＣチップから高周波信号を出力すると、この高周波信号は、内蔵された逆Ｆアンテナによるフィルタを介して、めす型の誘電体コネクタ５０に出力される。更に、高周波信号は、おす型誘電体コネクタ６０と同軸ケーブル７０を通して外部アンテナへ供給され、空気中に電波が輻射される。
以上のように、この実施例２のアンテナ内蔵半導体装置は、内蔵された逆Ｆアンテナの開放端にめす型の誘電体コネクタ５０を設け、同軸ケーブル側に設けられたおす型誘電体コネクタ６０との間で、接続部が隙間無く誘電体で覆われるように構成しているので、これらのコネクタ５０，６０による接続部から空気中への漏れ輻射を抑制することができるという利点がある。
なお、以上説明した実施例は、あくまでも、この発明の技術内容を明らかにするためのものである。この発明は、上記実施例にのみ限定して狭義に解釈されるものではなく、この発明の特許請求の範囲に述べる範囲内で、種々変更して実施することができる。その変形例としては、例えば、次のようなものがある。
（ａ） 逆Ｆアンテナ１１の形状は、例示したものに限定されない。例えば広帯域特性を持たせるために、非特許文献１に記載されたように、アンテナ導体の接地端から開放端に向かうに従って導体幅を細くしたものを使用することもできる。
（ｂ） 図２の誘電体コネクタ５０，６０の形状は、例示したものに限定されない。周囲を誘電体で覆って不要電波の輻射が抑えられるような構造であれば良い。
（ｃ） 高周波信号の周波数は２．４ＧＨｚ帯に限定されない。アンテナのサイズが半導体装置に内蔵できる程度の周波数であれば良い。
本発明の活用例として、Zigbee，Bluetooth,無線ＬＡＮ等の小電力で簡易な無線ネットワークに利用することができる。
本発明の実施例１を示すアンテナ内蔵半導体装置の概念図である。 本発明の実施例２を示すアンテナ内蔵半導体装置の説明図である。
符号の説明
１０ リードフレーム
１１ 逆Ｆアンテナ
１１ａ 共振部
１１ｂ 接地部
１１ｃ 給電部
１１ｄ 開放端
１２ チップ台座
１３，５２ 接地電極
２０ ＩＣチップ
２１ 高周波入出力パッド
３１，３２ 金ワイヤ
４０ 封止樹脂
５０ 誘電体コネクタ
５１ 出力電極
５３ 誘電体ガイド
６０ おす型誘電体コネクタ

Claims (6)

  1. 高周波電力回路を有する半導体集積回路チップと、
    接地電極と当該接地電極にその一端を接続し、かつ、その他端が開放されているアンテナ素子を有するリードフレームと、
    前記半導体集積回路チップの高周波電力回路の入出力電極と前記アンテナ素子の給電部を接続するワイヤと、
    前記半導体集積回路チップ、前記リードフレーム及び前記ワイヤを封止する封止樹脂とを備え、
    前記封止樹脂の一部に設けられた開口部において前記アンテナ素子の開放端と該開放端に対向する前記接地電極が露出したことを特徴とするアンテナ内蔵半導体装置。
  2. 前記アンテナ素子は、逆Ｆアンテナであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ内蔵半導体装置。
  3. 前記半導体集積回路チップの高周波電力回路の入出力電極と前記アンテナ素子の給電部の
    間を結合コンデンサを介して接続したことを特徴とする請求項１記載のアンテナ内蔵半導
    体装置。
  4. 高周波電力回路を有する半導体集積回路チップと、
    接地電極と当該接地電極にその一端を接続し、かつ、その他端が開放されているアンテナ素子を有するリードフレームと、
    前記半導体集積回路チップの高周波電力回路の入出力電極と前記アンテナ素子の給電部を接続するワイヤと、
    前記半導体集積回路チップ、前記リードフレーム及び前記ワイヤを封止する封止樹脂とを備え、
    前記封止樹脂の一部に設けられた開口部に前記アンテナ素子の開放端と前記接地電極の他端を接続電極とする同軸ケーブル接続用のコネクタを設けたことを特徴とするアンテナ内蔵半導体装置。
  5. 前記コネクタはめす型とし、該コネクタの裏面を誘電体で覆ったことを特徴とする請求項４記載のアンテナ内蔵半導体装置。
  6. 前記コネクタはめす型とし、その裏面側に同軸ケーブル側のおす型コネクタと位置合わせをすると共に隙間をなくすための誘電体ガイドを設けたことを特徴とする請求項４記載のアンテナ内蔵半導体装置。
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