JP5284382B2 - 無線装置及び無線機器 - Google Patents

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Description

本開示は、無線装置及び無線機器に関する。
アンテナ内蔵ICパッケージとして、パッケージ基板上に、アンテナとして用いるICチップと接続された輻射器として機能する金属パターンとを設け、さらに反射器として機能する金属パターンを輻射器に平行に設けることで、電波が四方八方に放射されずに特定の方向に指向性を持たせる方法がある。
特開2007−300266号公報
一般的には、ICパッケージは基板に実装して使用する。このとき、従来のアンテナ内蔵ICパッケージを、金属パターンが形成された基板にそのまま実装すると、アンテナ周辺にある金属パターンに電流が誘起され、アンテナ特性が劣化してしまう。
また、アンテナ内蔵ICパッケージを実装する基板の厚さは、機器等によって様々であり、基板が十分に厚く、アンテナ周辺における基板の金属パターンを除去すれば、アンテナへの影響を小さくすることができる。一方、基板が薄く基板下に金属パターンがある場合や、アンテナ周辺にICパッケージの端子、グラウンド、配線等の金属パターンを配置しなければならない場合は、これらの影響を受けるためアンテナ特性が変化してしまう。
また、従来のICパッケージ内蔵アンテナは、反射器付きダイポールであり、アンテナ周辺に存在する金属パターンの影響を受けるが、金属パターンの影響を考慮していないため実装の際に問題となる。
本発明の一観点は、アンテナの特性を改善することができる無線装置及び無線機器を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の一実施形態に係る無線装置は、集積回路パッケージ、第1層を含む実装基板を備える。集積回路パッケージは、集積回路と1以上のアンテナとを含む。実装基板は、前記集積回路パッケージが電気的に接続される。第1層は、前記集積回路パッケージが積載される前記実装基板の第1面と対向する前記実装基板の第2面に形成される層であって、前記アンテナを前記実装基板の厚み方向に射影した該第1層に属する第1領域は少なくとも導体で形成される。無線装置は、前記第1領域内の第1層と、前記実装基板に含まれる第2領域と前記第1面とからなる第3領域のうちの特定領域と、を電気的に接続する。
第1の実施形態に係る無線装置を示す図。 第1の実施形態に係る無線装置の断面図。 第1の実施形態に係る無線装置に含まれるアンテナの別例を示す図。 第1の実施形態に係る無線装置におけるビアの有無による電界及び電流の比較例を示す図。 第2の実施形態に係る無線装置を示す図。 第2の実施形態に係る無線装置の断面図。 第3の実施形態に係る無線装置を示す図。 第3の実施形態に係る無線装置の断面図。 第3の実施形態に係る無線装置におけるビアの有無による電界及び電流の比較例を示す図。 第3の実施形態に係る無線装置を示す図。 第3の実施形態に係る無線装置の断面図。 第4の実施形態に係る無線装置におけるビアの有無による電界及び電流の比較例を示す図。 ビアがある場合の無線装置の電界分布特性を示す図。 ビアがない場合の無線装置の電界分布特性を示す図。 ビアがある場合の無線装置の電流分布特性を示す図。 ビアがない場合の無線装置の電流分布特性を示す図。 ビアがある場合の無線装置の放射パターンカット面特性を示す図。 ビアがない場合の無線装置の放射パターンカット面特性を示す図。 ICパッケージのみの場合における放射パターンカット面特性を示す図。 変形例に係る無線装置を示す図。 変形例に係る無線装置の断面図。 第5の実施形態に係る無線装置を含む無線機器を示すブロック図。 第5の実施形態に係る無線機器の一例を示す図。
以下、図面を参照しながら本開示の一実施形態に係る無線装置及び無線機器について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る無線装置について図1A及び図1Bを参照して説明する。図1Aは、Z軸方向から無線装置を見た図であり、図1Bは、図1A中のA−A’間をy軸方向から見た断面図である。
第1の実施形態に係る無線装置100は、集積回路(以下、IC(Integrated Circuit)という)パッケージ101と実装基板102とを含む。ICパッケージ101は、ICチップ103、アンテナ104、パッケージ基板105、ボンディングワイヤ107、及び封止樹脂108を含む。実装基板102は、金属パターン110、第1層111を含む。また、ICパッケージ101と実装基板102とは、外部端子106により電気的に接続される。
ICチップ103は、例えばシリコン、シリコンゲルマニウム、ガリウム砒素等による基板上に絶縁層が形成され、さらに絶縁層上に銅、アルミ、金等で金属パターンが形成されたものである。なお、ICチップ103は、誘電体基板や磁性体基板、金属、もしくはそれらの組み合わせでもよい。また、ICチップ103は、図1A及び図1Bでは正方形の形状であるが、正方形に限らず、四角形、四角形以外の多角形、円形または他の複雑な形状でもよい。
アンテナ104は、ICパッケージ101の内部にあるICチップ103上もしくはパッケージ基板105上の金属パターンで構成すればよい。または、ICチップ103上やパッケージ基板105上の金属パターンと、ICチップ103とパッケージ基板105とを接続するボンディングワイヤ107やバンプ(図示せず)、誘電体等とを組み合わせて構成してもよい。図1の例では、パッケージ基板105上の金属パターンと、ICチップ103上の金属パターン(図示せず)と、ボンディングワイヤ107とで形成されたループアンテナを採用する。
パッケージ基板105は、ICパッケージ101の外部端子106とハンダ付けなどにより電気的に接続される。また、外部端子106は、実装基板102の金属パターン110に接続される。
ボンディングワイヤ107により、ICチップ103上の金属パターン(図示せず)とパッケージ基板105上の金属パターン(図示せず)が接続される。なお、ICチップ103上の金属パターン(図示せず)がパッケージ基板105の金属パターン(図示せず)形成面と合わせるように形成され、ICチップ103上の金属パターン(図示せず)とパッケージ基板105の金属パターン(図示せず)が、ボンディングワイヤ107を使用せず、フリップチップ接続されてもよい。
封止樹脂108は、例えば、エポキシ樹脂を主成分に、シリカ充填材等を加えた熱硬化性成形材料で形成され、ICを保護するためにICパッケージ101内に充填される。
アンダーフィル材109は、図1Bに示すように、外部端子106が存在する層に充填される。なお、アンダーフィル材109は、ICパッケージ101と実装基板102との間の接続を強化するために充填されており、アンダーフィル材109を用いなくともよい。
金属パターン110は、実装基板102上にICパッケージ101及び他の部品の実装または配線のために形成される。
第1層111は、例えば金属であり、ICパッケージ101が積載される実装基板102の第1面と対向する第2面に層状に形成される。なお、第1層111は、全体を導体で形成することが望ましいが、第1層111において、アンテナ104を実装基板102の厚み方向に射影したときの第1層111に属する領域(第1領域ともいう)を少なくとも導体で形成すればよい。具体的には、図1A及び図1Bの例では、第1層111のうち、アンテナ104を実装基板102に向かってZ軸方向に射影した第1層111に属する領域113を少なくとも導体で形成すればよい。
また実装基板102には、第1層111と、実装基板102に含まれる領域(第2領域ともいう)とICパッケージ101が積載される実装基板102の第1面とから成る領域(第3領域ともいう)のうちの特定領域と、を電気的に接続するビア112が設けられる。具体的には、ビア112は、実装基板102に形成した孔の内壁に金属のめっきが施されたものである。なお、実装基板102の表面層に形成されたビア112上に部品などを配置する場合は、孔に樹脂、金属等を充填して穴埋めを行ってもよい。図1Bの例では、ビア112は2つであるが、これに限らず、ビア112が1以上形成されてもよい。
図1の例では、アンテナ104は左右対称な形状であるが、これに限らず、非対称な形状でもよく、ダイポールアンテナ、逆Fアンテナ、パッチアンテナ、誘電体アンテナまたはその他のアンテナでもよい。
アンテナ104を図1とは別の形状で形成した一例を図2に示す。
図2に示す構成では、ボンディングワイヤ107を介さずにICチップ103と直接接続することにより、アンテナ201としてダイポールアンテナを形成する。
ここで、第1の実施形態に係る無線装置100におけるビア112の有無による電界及び電流の比較について図3を参照して説明する。
図3(A)は、ビア112を形成していない場合の電界及び電流を示し、図3(B)は、ビア112を形成した場合の電界及び電流を示す。
図3(A)に示すように、実装基板102の内部には、アンテナ104または金属パターン110と、第1層111とで挟まれる領域が存在し、この領域内で第1層111に略垂直な方向に電界が生じる。また、アンテナ104に流れる電流により、第1層111と平行な方向に電流が生じる。これらの電界及び電流の影響により、アンテナ104の放射パターンが劣化してしまう。
一方、図3(B)では、ビア112が第1層111に接続されることで、電界の生じる位置に障壁が配置されることとなり、図3(A)に示す電界よりも電界を抑制することができる。さらに、第1層111と平行に生じる電流がビア112により分岐されるので、図3(A)に示す電流よりも電流成分が減少する。従って、実装基板102内部に生じる電界及び電流を抑制することができる。また第1層111は、無線装置100と共に実装される金属、部品、誘電体などの影響を抑制するシールドの役目をするため、アンテナの放射パターンの劣化を防ぐことができる。
以上に示した第1の実施形態によれば、ビアを設けることにより実装基板に発生する不要な電界及び電流を抑制することができ、アンテナの特性を改善することができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態では、実装基板内に、アンテナを実装基板の厚み方向に射影した領域には導体を含まない第2層を有する点が第1の実施形態と異なる。
第2の実施形態に係る無線装置を図4A及び図4Bに示す。図4Aは、Z軸方向から無線装置を見た図であり、図4Bは、図4A中のA−A’間をy軸方向から見た断面図である。
第2の実施形態に係る無線装置400は、ICパッケージ101と実装基板102とを含む。ICパッケージ101については、第1の実施形態と同様であるためここでの説明を省略する。ここで、実装基板102は、ICパッケージ101が積載される実装基板102の第1面と第1層111との間に積層される第2層402を含む。第2層402は、アンテナ104を実装基板の厚み方向に射影した部分を含む領域(第4領域ともいう)にはビア112およびビア112の形成に必要な導体を除いて、他の導体を含まない。また、第2層402は、グラウンド又は配線層にも用いることができる。
以下、説明の便宜上、図4A及び図4Bに示すような第4領域401を、切り欠き401と呼ぶ。
また、ビア112は、図4Bに示すように、実装基板102の第1面から最下位である第1層111まで貫通しているが、途中の層までで止まっている状態としてもよい。
以上に示した第2の実施形態によれば、アンテナ104を実装基板の厚み方向に射影した層に属する領域は導体を含まない第2層を設けることで、第2層をグラウンド又は配線層に用いることができ、基板の設計の自由度を向上させつつ、第1の実施形態と同様にアンテナの特性を改善することができる。
(第3の実施形態)
第1の実施形態に係る無線装置では、ビアを設ける位置を特に指定していないが、第3の実施形態では、ビアを切り欠きの端部から使用周波数の4分の1波長の奇数倍の位置に設けることが異なる。こうすることで、さらにアンテナの特性を改善することができる。
第3の実施形態に係る無線装置について図5A及び図5Bを参照して説明する。図BAは、Z軸方向から無線装置を見た図であり、図5Bは、図5A中のA−A’間をy軸方向から見た断面図である。
第3の実施形態に係る無線装置500は、ビア112の位置が指定される他は第2の実施形態と同様の構成であり、詳細な説明は省略する。
無線装置500に設けられるビア112は、切り欠き401の端部(外縁ともいう)から切り欠き401内に向けて(1)式の距離間隔ごとに設けられる。
n×λ/4(n:0以上の奇数、λ:使用周波数の波長) (1)
ここで、(1)式で表される距離は電気長であり、本実施形態における「周波数」は、アンテナが使用する信号を含む周波数のいずれかであって、設計誤差を含んでもよい。
なお、図5Bに示すビア112は、一方は第1層111に接続され、他方は実装基板102の中間までしか達していないが、実装基板102の第1面まで貫通させてもよい。
次に、第3の実施形態に係る無線装置500におけるビアの有無による電界及び電流の比較について図6を参照して説明する。
図6(A)は、ビア112を形成していない場合の電界及び電流を示し、図6(B)は、ビア112を形成した場合の電界及び電流を示す。
切り欠き401の端部は、金属壁のような振る舞いをする。したがって、図6(A)に示すように、実装基板102の層に垂直な方向に生じる電界は、切り欠き401の端部で最小となり、端部から電気長として(1)式で表される距離、すなわち4分の1波長の奇数倍の距離で最大となる。
従って、図6(B)に示すように、電界が最大となる位置にビア112を設けることで、実装基板102内部に生じる電界及びそれに伴う電流を抑制することができ、アンテナの放射パターンが劣化するのを防ぐことができる。
以上に示した第3の実施形態によれば、電界が最大となる位置である切り欠きの端部の端部から4分の1波長の奇数倍の位置にビアを設けることで、効果的に電圧及び電流を抑制することができ、さらにアンテナの特性を改善することができる。
(第4の実施形態)
第4の実施形態では、第3の実施形態に係る無線装置500に形成されるビアが、外部端子106に接続される点が他の実施形態と異なる。
第4の実施形態に係る無線装置を図7A及び図7Bに示す。図7Aは、Z軸方向から無線装置を見た図であり、図7Bは、図7A中のA−A’間をy軸方向から見た断面図である。
第4の実施形態に係る無線装置700は、第3の実施形態とほぼ同様の構成であるため詳細な説明を省略する。
図7Bに示すように、外部端子106と第1層111とがビア112で接続される。
第4の実施形態に係る無線装置700におけるビアの有無による電界及び電流の比較について図8を参照して説明する。
図8(A)は、ビア112を形成していない場合の電界及び電流を示し、図8(B)は、ビア112を形成した場合の電界及び電流を示す。
図8(B)に示すように、ビア112が外部端子106及び第1層111に接続されることで、接続された外部端子106と第1層111とが同電位となり、電界の発生を大幅に低減することができる。これに応じて、電流の発生も低減されるので、効果的に実装基板102内部に生じる電界及び電流が抑制される。結果として、アンテナの放射パターンが劣化するのを防ぐことができる。
ここで、第4の実施形態に係る無線装置700をモデル化し、電磁界シミュレーションを行った結果を図9A及び図9B、図10A及び図10B、図11Aから図11Cを参照して説明する。なお、図7A及び図7Bに示す無線装置700の切り欠き401の幅は使用周波数の1波長分とする。
図9Aは、図7に示す無線装置700の第1層111に垂直な方向(図9におけるz方向)の電界成分の電磁界シミュレーション結果を示す。図9Bは、比較対象として図7に示す無線装置700のビア112がない場合における第1層111に垂直な方向の電界成分の電磁界シミュレーション結果を示す。
図9Bの実装基板102に生じる第1層111に垂直な方向の電界は、切り欠き401の端部で最小となり、切り欠き401の端部から4分の1波長の奇数倍の距離で最大となっている。一方、図9Aに示す無線装置700では、端部から4分の1波長の奇数倍の位置にビア112が設けられ、さらにビア112が外部端子106と第1層111とに接続されることにより、図9Bと比較して実装基板102の切り欠き401部分における電界が抑制されることがわかる。
次に、図10Aは、無線装置700の第1層111に平行な方向(図10におけるx方向)の電流成分の電磁界シミュレーション結果を示す。図10Bは、比較対象として無線装置700においてビア112がない場合における第1層111に平行な方向の電流成分の電磁界シミュレーション結果を示す。
図9A及び図9Bの電界の場合と同様に、図10Aに示す無線装置700では、図10Bのビア112が無い場合と比較すると、切り欠き401部分における電流が抑制されていることがわかる。
続いて、図11Aは、無線装置700の水平面(図11におけるxy面)の放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示す。比較対象として、図11Bに無線装置700においてビア112がない場合における水平面の放射パターンを示し、図11Cに無線装置700のICパッケージ101のみの場合における水平面の放射パターンの電磁界シミュレーション結果を示す。
図11Bの放射パターンは、図11Cの放射パターンと比較すると、±y方向や±x方向への指向性が強くなり、図11Cの放射パターンと大きく異なる。一方、図11Aの放射パターンは、図11Cの放射パターンと比較すると、多少ビーム幅は狭くなっているものの、同様の放射パターンを示しており、実装基板の影響が抑制されていることがわかる。
以上に示した第4の実施形態によれば、ビアを、切り欠きの端部から4分の1波長の奇数倍の位置に外部端子と第1層とを接続するように設けることで、効果的に実装基板内部に生じる電界及び電流を抑制し、アンテナの特性を改善することができる。
(第1の実施形態から第4の実施形態の変形例)
上述の実施形態では、アンテナが1つである場合を想定したが、これに限らずアンテナを複数設けてもよい。
アンテナを複数設けた場合の無線装置について図12A及び図12Bを参照して説明する。図12Aは、Z軸方向から無線装置を見た図であり、図12Bは、図12A中の線分A−A’又はB−B’における断面図である。
本変形例に係る無線装置1200は、ICパッケージ101内に、2つのアンテナ104−1及び104−2を有する。さらに、それぞれ実装基板102の厚み方向に射影したときの領域を含む切り欠き401−1及び401−2を有する点が異なる。なお、アンテナ104−1とアンテナ104−2とは、同一の形状をしているが、それぞれ異なる形状でもよい。さらに、無線装置1200にはアンテナが2つあるので、アンテナアレイあるいはダイバーシチアンテナとして用いてもよい。なお、本変形例ではICパッケージ101にはアンテナが2つ内蔵されているが、3つでもそれ以上でもよい。
本変形例では、第4の実施形態に係る無線装置700においてアンテナ104が2つICパッケージ1に内蔵されている例を示したが、これに限らず、第1の実施形態から第3の実施形態に係る無線装置100、400、500についても、複数のアンテナ104がICパッケージ101に内蔵されるようにしてもよい。
(第5の実施形態)
上述した無線装置を無線機器に用いることも可能である。無線機器は、データ又は画像や動画をやりとりする機器に上述した無線装置を搭載した機器である。
第5の実施形態に係る無線機器について図13のブロック図を参照して説明する。
図13に示す無線機器1300は、無線装置100、プロセッサ1301、メモリ1302を含む。
無線装置100は、外部とデータの送受信を行う。なお、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれの無線装置(無線装置100,400,500,700)を用いてもよい。
プロセッサ1301は、無線装置100から受け取ったデータ、もしくは無線装置100へ送信するデータを処理する。
メモリ1302は、プロセッサ1301からデータを受け取って保存する。
次に、具体的な無線機器の一例について図14を参照して説明する。
図14の例では、ノートPC1401、携帯端末1402を示すが、これに限らず、TV、デジタルカメラ、メモリカードなどの機器に無線装置を搭載してもよい。
図14に示すノートPC1401及び携帯端末1402は、内部又は外部に図7Aに示す無線装置700を含み、例えばミリ波帯の周波数を用いてデータ通信を行う。これによって、ノートPC1401は、携帯端末1402に含まれる無線装置700を介してデータ通信を行うことができる。
上述した無線機器の内部には、金属、誘電体又は様々な部品等が配置される。アンテナ104を実装基板102の厚み方向に射影したときの領域を、少なくとも導体で形成することにより、第1層111がシールドの役目をし、アンテナ104に対して第1層111より外側にある金属、誘電体又は様々な部品等の影響を抑制することができる。
さらに、ノートPC1401に搭載された無線装置と携帯端末1402に搭載された無線装置とは、アンテナ104の指向性が強い方向が対向するように配置することで、データのやりとりを効率よく行うことができる。
以上に示した第5の実施形態によれば、無線装置をノートPC又は携帯端末等の無線機器に搭載することで、データ等の送受信を効率よく行うことができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100,400,500,700,1200・・・無線装置、101・・・ICパッケージ、102・・・実装基板、103・・・ICチップ、104,201・・・アンテナ、105・・・パッケージ基板、106・・・外部端子、107・・・ボンディングワイヤ、108・・・封止樹脂、109・・・アンダーフィル材、110・・・金属パターン、111・・・第1層、112・・・ビア、113・・・領域、401・・・切り欠き、402・・・第2層、1300・・・無線機器、1301・・・プロセッサ、1302・・・メモリ、1401・・・ノートPC、1402・・・携帯端末。

Claims (5)

  1. 集積回路と1以上のアンテナとを含む集積回路パッケージと、
    前記集積回路パッケージが電気的に接続される実装基板と、
    前記集積回路パッケージが積載される前記実装基板の第1面と対向する前記実装基板の第2面に形成される第1層であって、前記アンテナを前記実装基板の厚み方向に射影した該第1層に属する第1領域は少なくとも導体で形成される第1層と、を具備し、
    前記第1領域内の第1層と前記実装基板内部に含まれる第2領域とを電気的にビアで接続するか、または前記第1領域内の第1層と前記第1面のうちの第3領域とを電気的にビアで接続することを特徴とする無線装置。
  2. 前記実装基板の前記第1面と前記第2面との間に形成される第2層であって、前記アンテナを前記実装基板の厚み方向に射影した部分を含む第4領域は、前記第1領域内の第1層に接続される前記ビアおよび前記ビア形成に必要な導体を除いて少なくとも導体を含まない第2層をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の無線装置。
  3. 前記ビアが、前記第4領域の外縁から該第4領域内に向けて4分の1波長の奇数倍の距離に位置する請求項2に記載の無線装置。
  4. 前記集積回路パッケージと前記第1層とを電気的に接続することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の無線装置。
  5. 集積回路と1以上のアンテナとを含む集積回路パッケージと、前記集積回路パッケージが電気的に接続される実装基板と、前記集積回路パッケージが積載される前記実装基板の第1面と対向する前記実装基板の第2面に形成される第1層であって、前記アンテナを前記実装基板の厚み方向に射影した該第1層に属する第1領域は少なくとも導体で形成される第1層とを含む無線装置と、
    前記無線装置により送受信されたデータを処理するプロセッサと、
    前記データを保存するメモリと、を具備し、
    前記第1領域内の第1層と前記実装基板内部に含まれる第2領域とを電気的にビアで接続するか、または前記第1領域内の第1層と前記第1面のうちの第3領域とを電気的にビアで接続することを特徴とする無線機器。
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