JP4500214B2 - 無線icタグ、及び無線icタグの製造方法 - Google Patents
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Description
また、ダイポールアンテナでも、モノポールアンテナでも、電波周波数が高くなるにしたがって、金属の影響が大きくなる特性がある。このため、例えば、現在、研究されている周波数が2.4GHz帯のマイクロ波で通信する無線ICタグに特許文献2で開示されたアンテナを適用しても、アンテナ効率の低下で、金属には使用することができない。アンテナの効率低下は、リーダライタの感度を上げることによってある程度補うことができるが、この場合、リーダライタ側のアンテナが特殊な形状になるため、リーダライタに汎用性がなくなって使い勝手が悪くなってしまう。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態(以下「実施形態」という)に係る無線ICタグについて好適な例をあげて説明する。本発明に係る無線ICタグはアンテナの部分で、ICチップが搭載されたアンテナの給電点付近の幅を細くし、電波の放射部分となる周辺の放射電極の幅を広くしたアンテナ形状、例えば、O型、多角形、またはH型のアンテナ形状にすることにより、ICチップの周辺に効率的に電磁エネルギーを集中させてアンテナ効率の向上を図っている。
図1は、本発明に係る第1実施形態の無線ICタグにおけるO型アンテナを示す図であり、(a)は表面図、(b)は(a)のA−A断面図、(c)は裏面図である。図1に示すように、円形の形状をしたO型アンテナ1(放射電極)は、アンテナ基材となる誘電体2の表面に非対称な2つの半円形の放射電極(放射部分)3a,3bが形成され、放射電極3aと放射電極3bの中央部分が細長いくびれ部4で接続された構成となっている。また、細長いくびれ部4から放射電極3aの方向へ向けてスリット5が形成されている。さらに、細長いくびれ部4においてスリット5を跨いでICチップ6が搭載され、ICチップ6のそれぞれの端子がスリット5の両側の電極に接続されている。なお、スリット5は、静電破壊防止対策及びICチップ6と放射電極3aとのインピーダンスマッチングを行うためのインピーダンスマッチング回路として形成されたものである。また、誘電体2の裏面側には円形の接地電極7が形成されている。そして、O型アンテナ1の放射電極3bの端部と接地電極7の端部が誘電体2の側面において電気的に接続されている。
このO型アンテナ1、接地電極7、誘電体2で請求の範囲におけるアンテナが構成される。
また、図1(a)のように放射電極3aの放射面積を大きく取り、放射面積の小さい放射電極3b側で接地電極7と接続させることにより、つまり、給電点左右オフセットの構造にすることにより、放射面積の大きい放射電極3aからの電波を有効に放射させることができるので、結果的に、O型アンテナ1のアンテナ効率をさらに向上させることができる。
このように構成されたO型アンテナ1は、例えば電波周波数が2.4GHzの場合、直径が0.1λ(λ:電波波長)以下、すなわち直径10mm以下の大きさで実現することができる。O型アンテナ1の直径が10mmのときは、約20mmの通信距離が得られる。この場合、取り付ける対象物は非金属製のものだけでなく、例えば金属製のボルトなどに埋め込み実装してもアンテナ効率の低下を抑え、同じ通信距離を得ることができる。
これら固体材料のほかに。例えば、空気や窒素、アルゴンなどの不活性気体であってもよいし真空でもよい。
なお、両面プリント基板以外に、例えばセラミック基板の表面及び裏面に高周波信号伝送用の金属材料で構成された導体層を厚膜印刷法によって、O型アンテナ1と接地電極7を形成することができる。
(1)Cu層、Mo−Mnのメタライズ層上にNiメッキ層およびAuメッキ層を被着させて形成する。
(2)Wのメタライズ層上にNiメッキ層およびAuメッキ層を被着させて形成する。
(3)Cr−Cu合金層、Cr−Cu合金層上にNiメッキ層およびAuメッキ層を被着させて形成する。
(4)Ta2N層上にNi−Cr合金層およびAuメッキ層を被着させて形成する。
(5)Ti層上にPt層およびAuメッキ層を被着させて形成する。
(6)Ni−Cr合金層上にPt層およびAuメッキ層を被着させて形成する。
図3は、図1に示すO型アンテナの無線ICタグを金属材料に埋め込み実装した状態を示す断面図であり、(a)は無線ICタグの金属材料への実装断面、(b)は実装される無線ICタグの断面を示している。図3(b)に示すように、無線ICタグ11は、誘電体の絶縁材料12の表面側にアンテナ放射部13が形成され、絶縁材料12の裏面側に接地電極7が形成されている。アンテナ放射部13の端部と接地電極7の端部とが絶縁材料12の側面で接続され、かつ、ICチップ6がアンテナ放射部13の上面に取り付けられている。なお、アンテナ放射部13は図1に示すO型アンテナ1に相当し、絶縁材料12は図1に示す誘電体2に相当する。
アンテナ放射部13は、図1に示すようなくびれが左右オフセットしたO型の形状にしてもよいし、同じようにくびれが左右オフセットした多角形状、H型形状にしてもよい。そのいずれの場合においても、放射面積が小さいほうの放射電極と接地電極7が接続される。これによって、アンテナ効率を高めることができる。
なお、無線ICタグ11を取り扱う際に、ICチップ6が脱落することを防止するため、図4に示すようにアンテナ放射部13に向けてICチップ6上にエポキシレジンを滴下し、固化させることによってICチップ6を取り囲むレジンの保護層6aを形成することが望ましい。これによって、ICチップ6が脱落することを防止可能になる。
図5(b)に示すように、無線ICタグ11aは、絶縁材料12の周辺部を含めてアンテナ放射部13、ICチップ6上に樹脂モールド6bを被せ、接地電極7だけが露出させた構成となっている。この樹脂モールド6bによって、図3に示す絶縁材料12だけで構成された基板ベース構造の無線ICタグ11より強度が増すとともに、ICチップ6とアンテナ放射部13表面の保護が図られる。また、取扱いも簡単になる。この樹脂モールド6bは、例えば、半導体ICパッケージに使用される材料としてエポキシレジンなどを使用することができる。
第2実施形態では、無線ICタグの製造について説明する。
図7は、本発明に係る第2実施形態の無線ICタグの製造工程を示す図であり、(a)はフォーミング加工前、(b)はフォーミング加工後を示している。図7(a)に示すように、あらかじめ用意された容器の底部に、例えば、図1(a)に示すような非対称な放射電極を有するO型アンテナを上部電極21(つまり、放射電極)として配置する。この上部電極21は板厚が0.1mm〜0.3mmの銅合金(例えば、りん青銅や真鍮など)や鉄系合金で構成されている。また、上部電極21の金属製板材には半田メッキ、錫メッキ、金メッキ、パラジュームメッキなどの端子表面処理が施されている。
ICチップ22は両面電極で、ICチップ22の裏面に裏面電極23(つまり、接地電極)を配置し、上部電極21と同様の方法で裏面にあるICチップ22のもう一方端子と裏面電極23とを電気的に接続する。なお、この時点における裏面電極23の長さ方向の形状は任意である。
次に、本発明の第3実施形態として、リードフレームに多数の放射電極と接地電極を形成して無線ICタグを量産する幾つかのバリエーションを説明する。
図8は、本発明に係る第3実施形態として、リードフレームに多数の放射電極と接地電極を形成した第1のバリエーションを示す図である。図8に示すように、帯状のリードフレーム31の長手方向に等間隔で放射電極32と接地電極33およびスリット34が形成されている。放射電極32は上下が非対称な半円形で形成され、かつ接地電極33は円形に形成され、両者は帯状の短いリードフレーム36で接続されている。また、リードフレーム31には等間隔で送り穴31aが形成されている。図示しないチップマウンタの送り機構の爪を送り穴31aに掛けながらリードフレーム31を等ピッチで移動させ、ICチップ35をマウントして行く。さらに、一つ一つの放射電極32ごとにリードフレーム31から切り離して行く。このようにして形成されたアンテナ部分は、前記第2実施形態とほぼ同じ要領でエポキシレジンにて封止され、接地電極33がフォーミングされて無線ICタグが形成される。
図22(a)に示すように、放射電極32、リードフレーム36、接地電極33が平面状態で、放射電極32が封止材24で封止された場合には、図22(b)に示すように封止材24の端部に沿って、まず、リードフレーム36をフォーミングする。その後、図22(c)に示すように封止材24の裏面に沿って接地電極33をフォーミングして、この工程が完了する。
このようにして、封止材24を絶縁材料12として機能させることができるので、比較的に簡単な工程で、図5(b)に示す無線ICタグ11aが得られる。
図10は、本発明に係る第3実施形態として、リードフレームに多数の放射電極と接地電極を形成した第2のバリエーションを示す図である。第2のバリエーションが第1のバリエーションと異なるところは、放射電極32aが、上下が非対称な半円形の放射電極ではなく、上部のみの半円形で形成されている点のみである。このような形状の放射電極32aであっても、接地電極33は第1のバリエーションと同じ円形にすることができる。なお、第2のバリエーションのリードフレームによって無線ICタグを製造する製造プロセスは図9のフローチャートと同じである。
図11は、本発明に係る第3実施形態として、左右が非対称な半円形の放射電極と櫛型円形の接地電極とを有する第3のバリエーションを示す図である。図11の第3のバリエーションに示すように、左右が非対称な半円形の放射電極32に対して円形電極に多数のスリットを設けた接地電極33aを対向させても本発明の無線ICタグを形成することができる。このように多数のスリットを設けた接地電極33aにすることによって、例えば図3に示す接地電極33aと接続される金属材料14の穴の底面に凹凸があっても接地電極33aの多数のスリットで凹凸を吸収できるので、接地電極33aと金属材料14との密着性を向上させることができる。なお、第3のバリエーションのリードフレームによって無線ICタグを製造する製造プロセスは図9のフローチャートと同じである。
図12は、本発明に係る第3実施形態として、左部のみが半円形の放射電極と櫛型円形の接地電極とを有する第4のバリエーションを示す図である。図12の第4のバリエーションに示すように、左部のみが半円形の放射電極32aに対して円形電極に多数のスリットを設けた接地電極33aを対向させても本実施形態の無線ICタグを形成することができる。このように多数のスリットを設けた接地電極33aにすることによって、例えば図3に示す接地電極33aと接続される金属材料14の底面に凹凸があっても接地電極33aの多数のスリットで凹凸を吸収するので、接地電極33aと金属材料14の密着性を向上させることができる。なお、第4のバリエーションのリードフレームによって無線ICタグを製造する製造プロセスは図9のフローチャートと同じである。
図13は、本発明に係る第3実施形態として、左右が非対称な半円形の放射電極と放射形状の接地電極とを有する第5のバリエーションを示す図である。図13の第5のバリエーションに示すように、左右が非対称な半円形の放射電極32に対して円形部cの周囲に等間隔に複数の放射端dを設けた接地電極33bを対向させても本発明の無線ICタグを形成することができる。これによって、接地電極33bに柔軟性を持たせることができ、例えば図3に示す金属材料14の穴の底面に凹凸があってもそれを吸収できるので、接地電極33bと金属材料14の密着性を向上させることができる。
このように、封止材24の外周部に固定用フック20を形成することによって、図16に示すように無線ICタグ11aを金属材料14の穴に圧入固定することができ、取付が簡単に行える。また、このとき、金属材料14と固定用フック20の間に電気接続も同時に行われるため、導電性接着剤15の使用を省略することができる。
なお、第5のバリエーションのリードフレームによって無線ICタグを製造する製造プロセスは図9のフローチャートと同じである。
《第4実施形態》
次に、第4実施形態として、放射電極の幾つかのバリエーションについて説明する。前述の第1実施形態で述べたように、O型アンテナによる放射電極の他にH型アンテナや多角形アンテナによって放射電極を形成することもできる。
図18は、本発明に係る第4実施形態の第1のバリエーションであるH型アンテナによる放射電極および接地電極を示す平面図である。図18に示すように、H型アンテナ41は左右が非対称な放射電極42a,42bが形成され、放射電極42aと放射電極42bの中央部分が細長いくびれ部44で接続された構成となっている。また、細長いくびれ部44から放射電極42aの方向へ向けてスリット45が形成されている。この細長いくびれ部44においてスリット45を跨いでICチップ46を搭載し、ICチップ46のそれぞれの端子がスリット45の両側の電極に接続されている。放射電極42側に面積の大きい矩形の接地電極43が形成されている。接地電極43は矩形であるので、図8のO型アンテナの放射電極32と接地電極33を接続するリードフレーム36のように細くする必要はなく、2本の一点鎖線で示すように放射電極42bと同じ幅でH型アンテナ41の放射電極42bと接地電極43を接続するリードフレームを形成することができる。
図19は、本発明に係る第4実施形態の第2のバリエーションである多角形アンテナによる放射電極および接地電極を示す平面図である。図19に示すように、多角形アンテナ51(図19の例では6角形アンテナ)は左右が非対称な放射電極52a,52bが形成され、放射電極52aと放射電極52bの中央部分が細長いくびれ部54で接続された構成となっている。また、細長いくびれ部54から放射電極52aの方向へ向けてスリット55が形成されている。細長いくびれ部54においてスリット55を跨いでICチップ56を搭載し、ICチップ56のそれぞれの端子がスリット55の両側の電極に接続されている。放射電極52b側に面積の大きい同じ6角形の接地電極53が形成されている。接地電極53は6角形であるので、図8のO型アンテナの放射電極32と接地電極33を接続するリードフレーム36のように細くする必要はなく、2本の一点鎖線で示すように放射電極52bの一辺と同じ幅で放射電極52bと接地電極53を接続するリードフレームを形成することができる。
次に、第5実施形態として、通信距離をさらに延ばすために補助アンテナを設けた無線ICタグについて説明する。図20は、本発明の第5実施形態において補助アンテナを設けた無線ICタグの構造図であり、(a)は補助アンテナを設ける前の断面図、(b)は補助アンテナを設けた後の断面図、(c)は(b)の上面図である。
樹脂シート17が0.5mmから2mm厚さのシートで、補助アンテナ18が7μm厚さの箔で、保護フィルム19が50から200μm厚さのものを使用するので、外部アンテナは一定の柔軟性をもち、金属材料14の表面に密着して固定することができる。
なお、金属材料14は鉄などの磁性金属の場合は、樹脂シート17の代わりにマグネットシートを使用することもできる。この場合、磁気力で外部アンテナを金属材料に固着することができる。
ここで、アンテナ放射部13が、約20mmの通信距離が得られる直径10mmの大きさで、補助アンテナ18は、幅5mm×長さ50mmである。補助アンテナ18の長さは電波波長λに応じて、その1/2で設定する。樹脂シート17は、補助アンテナ18より大きければよいが、例えば幅9mm×長さ60mmのものを使用する。
このように、通信距離と、補助アンテナ18の長さと、樹脂シート17の誘電率とは、相互にトレードオフの関係にあるため、適切な誘電率の絶縁材料を選択することにより、補助アンテナ18の長さ方向の寸法を短縮することができる。
本発明に係る無線ICタグは、O型、多角形、またはH型の形状をした放射電極と、この放射電極と対向する位置に配置された接地電極との間に、樹脂、空気、気体、真空を含む絶縁体を配置した3層構造のアンテナ構成となっている。また、放射電極の上面または下面にICチップが取り付けられ、かつ、ICチップが取り付けられた部分にはアンテナとICチップ間のインピーダンスを整合させるためのインピーダンスマッチング回路(つまり、スリット)が設けられている。さらに、放射面積が小さい側の放射電極と接地電極とが絶縁体の側面またはスルーホールによって接続されている。
2 誘電体
3a、3b、32、32a、42、42a、42b、52a、53b 放射電極
3c 開口部
4、44 くびれ部
5、34、55 スリット
6、22、35、46、56 ICチップ
6a 保護層
6b、6c 樹脂モールド
7、53 接地電極
11、11a 無線ICタグ
12 絶縁材料
13 アンテナ放射部
14 金属材料
15 導電性接着剤
16 封止材
17 樹脂シート
18 補助アンテナ
18 アンテナ
19 保護フィルム
20 固定用フック
21 上部電極
23 裏面電極
24 封止材
30 スルーホール
31 リードフレーム
31a 穴
36 リードフレーム
41 H型アンテナ
51 多角形アンテナ
Claims (23)
- 情報を記録したICチップと、そのICチップに記録されている情報を無線で送信するアンテナとを備えた無線ICタグであって、
前記アンテナは、
前記ICチップが搭載された給電部分の幅を細くし、かつ前記給電部分の両側に広がる電波の放射部分を広くした放射電極と、
前記放射電極の一面と対向するように配置され、その放射電極に対して電気的に接続されている接地電極と、
前記放射電極と前記接地電極との間に介在する誘電体とを備え、
前記放射電極には、前記ICチップと前記アンテナとのインピーダンスマッチングを行うためのスリットが形成され、前記ICチップの端子は前記スリットを跨いだ両側の電極に接続されていることを特徴とする無線ICタグ。 - 前記放射電極は、前記給電部分の両側に存在する放射部分の面積が非対称となるようなオフセット構造であることを特徴とする請求項1に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極は、前記給電部分の両側に存在する放射部分がそれぞれ半円形に形成され、前記給電部分と前記放射部分とによって円形の形状を構成していることを特徴とする請求項2に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極は、前記給電部分とその両側に存在する放射部分とによってH型の形状を構成していることを特徴とする請求項2に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極は、前記給電部分とその両側に存在する放射部分とによって多角形の形状を構成していることを特徴とする請求項2に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極と前記接地電極は、前記誘電体の側面で電気的に接続されていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極と前記接地電極は、前記誘電体に設けられたスルーホールを通して電気的に接続されていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極は、面積の小さい放射部分で前記接地電極と接続されていることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極と前記接地電極との間に介在する誘電体は、所定の誘電率を有するセラミック材料、樹脂材料、空気、または不活性気体のいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の無線ICタグ。
- 前記誘電体は、エポキシレジンを含む半導体パッケージ材料で構成されることを特徴とする請求項9に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極と前記接地電極との間は真空状態となっていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の無線ICタグ。
- 前記ICチップは、前記放射電極における給電部分の表面または裏面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11のいずれか1項に記載の無線ICタグ。
- 前記スリットは、面積が大きい方の放射部分に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極は、前記接地電極が取り付け物体となる金属材料に電気的に接続された状態で電波を放射することを特徴とする請求項1ないし請求項13のいずれか1項に記載の無線ICタグ。
- 前記接地電極と前記金属材料は導電性材料によって固定されることを特徴とする請求項14に記載の無線ICタグ。
- 前記放射電極による電波の通信距離を長くするときは、前記放射電極の表面に誘電体シートを介在させて補助アンテナを配置することを特徴とする請求項14または請求項15に記載の無線ICタグ。
- 前記補助アンテナの長さは、前記放射電極より放射される電波の波長をλとしたとき、λ/2の長さであることを特徴とする請求項16に記載の無線ICタグ。
- 前記補助アンテナの長さは、前記誘電体シートの誘電率によって可変することを特徴とする請求項16に記載の無線ICタグ。
- 前記補助アンテナの長さは、前記誘電体シートの誘電率が大きいとき短くなり、前記誘電体シートの誘電率が小さいとき長くなるように設定されたことを特徴とする請求項18に記載の無線ICタグ。
- 前記誘電体シートは、ポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン(登録商標)、塩化ビニル、合成ゴムのうち、いずれかの材料で構成されたシート本体の表面に粘着材が塗布された非磁性シートまたはマグネットシートとすることを特徴とする請求項16ないし請求項19のいずれか1項に記載の無線ICタグ。
- 前記金属材料が磁性材料のときは、前記誘電体シートに前記マグネットシートを用い、前記金属材料が非磁性材料のときは、前記誘電体シートに前記非磁性シートを用いることを特徴とする請求項20に記載の無線ICタグ。
- 前記補助アンテナは粘着材によって前記誘電体シートに固着されることを特徴とする請求項16ないし請求項21のいずれか1項に記載の無線ICタグ。
- 情報を記録したICチップと、そのICチップに記録されている情報を無線で送信するアンテナとを備えた無線ICタグを製造する無線ICタグの製造方法であって、
くびれ部とそのくびれ部の両側に広がる電波の放射部分とを有する放射電極と、前記放射部分に接続される接地電極とを備えるリードフレームを形成する工程と、
前記くびれ部における前記ICチップと前記アンテナとのインピーダンスマッチングを行うためのスリットに、前記ICチップの端子を前記スリットを跨いだ両側の電極に接続するようICチップをマウントする工程と、
前記放射電極にレジンを注入する工程と、
注入されたレジンを硬化する工程と、
放射電極から外部に出ているリードフレームを保護剤でコーティングする工程と、
前記リードフレームから前記放射電極をカットする工程と、
前記レジンが硬化された面に沿って前記接地電極をフォーミングする工程と、
を含むことを特徴とする無線ICタグの製造方法。
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