JP5726787B2 - 無線装置、それを備えた情報処理装置および記憶装置 - Google Patents

無線装置、それを備えた情報処理装置および記憶装置 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、アンテナが内蔵された半導体パッケージを有する無線装置、それを備えた情報処理装置および記憶装置に関する。
電子機器の高周波化、高密度化、小型化ともない、不要電磁波の放射による干渉が問題となっており、外部への不要電磁波の漏洩を抑制することが求められている。半導体パッケージにシールド機能を付加するため、半導体チップを封止する非導電性樹脂層の表面を導電性樹脂層により被覆する方法が知られている。また、半導体を封止する非導電性樹脂層および導電性樹脂層の半導体チップ上面を被覆する部分に開口部を形成し、シールド機能を有する送受信アンテナ内蔵モジュールを実現する技術が提案されている。
特開平１０−９２９８１号公報
しかしながら、上記の従来技術においては、半導体チップ直上に開口を形成するため、不要電磁波を放射する半導体チップと開口の距離が近く、不要電磁波が漏洩し、シールド効果が劣化するという問題がある。
そこで発明が解決しようとする課題は、上記に鑑みてなされたものであって、シールド効果を高めつつ、効率よく電波を放射もしくは受信できるアンテナを有する無線装置、それを備えた情報処理装置および記憶装置を提供することである。
実施形態によれば、無線装置は、回路基板と、半導体チップと、封止樹脂と、導電性膜と、アンテナ素子と、を備える。半導体チップは、回路基板に実装され、送受信回路を内蔵する。封止樹脂は半導体チップを封止する。導電性膜は封止樹脂の表面の一部を被覆する。また、封止樹脂の表面の前記一部以外のうちの一部の位置であり、かつアンテナ素子に接続するアンテナ端子に最も近い位置に開口部が形成される。
第１の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図。 図１Ａで導電性膜を除いた上面図。 図１Ｂの線分Ａ−Ａ’における断面図。 アンテナ素子がダイポールアンテナである例を示す、導電性膜を除いた上面図。 図２Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図。 アンテナ素子がループアンテナである例を示す、導電性膜を除いた上面図。 図３Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図。 アンテナ素子がパッチアンテナである例を示す、導電性膜を除いた上面図。 図４Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図。 アンテナ素子がスロットアンテナである例を示す、導電性膜を除いた上面図。 図５Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図。 第２の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図。 図６Ａで導電性膜を除いた上面図。 図６Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図。 第３の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す、導電性膜を除いた上面図。 図７Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図。 第４の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図。 図８Ａで導電性膜を除いた上面図。 図８Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図。 第５の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図。 図９Ａで導電性膜を除いた上面図。 図９Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図。 第７の実施形態に係る無線機器のブロック図。 無線装置を搭載した無線機器の一例を示す図。 無線装置をメモリーカードに搭載した一例を示す図。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る無線装置、それを備えた情報処理装置および記憶装置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＞
本実施形態の無線装置について図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを参照して説明する。図１Ａは、第１の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図である。図１Ｂは導電性膜を図示していない上面図である。図１Ｃは、図１Ｂの線分Ａ−Ａ’における断面図である。ただし図１Ｃでは導電性膜を図示している。
図１Ａ−Ｃの無線装置は、回路基板１０１、半導体チップ１０２、アンテナ素子１０３、封止樹脂１０４、導電性膜１０５、端子１０６、アンテナ端子１０７を備えている。無線装置は、半導体パッケージとも称す。図では半導体パッケージ１００としている。
半導体チップ１０２は、回路基板１０１の第１面上に配置される。半導体チップ１０１は信号を送信したり受信するための送受信回路を内蔵している。回路基板１０１の第２面上には端子１０６が形成されている。第１面と裏面が第２面となる。すなわち、第１面が上面の場合、第２面が下面である。半導体チップ１０２は、封止樹脂１０４で封止されている。半導体チップ１０２は、例えばシリコン、シリコンゲルマニウム、ガリウム砒素等の半導体基板で形成され、内部または表層に銅、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、半導体チップ１０２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、ＣＳＰ（Chip Size Package）で構成されていてもよい。図１Ａ−Ｃでは半導体チップ１０２は１つだけ示してあるが、これは複数でもよく、スタックされていても、横に並べられていてもよい。半導体チップ１０２は、回路基板１０１の配線やグランド（図示せず）と、ボンディングワイヤやバンプ等を通して電気的に接続される。
アンテナ素子１０３は、回路基板１０１の第１面上の半導体チップ１０２とは異なる位置に形成されている。半導体チップ１０２とアンテナ素子１０３とはある距離だけ離れて形成されている。半導体チップ１０２とアンテナ素子１０３は封止樹脂１０４で封止されている。アンテナ素子１０３は、半導体チップ１０２と電気的に接続されるアンテナ端子１０７に接続される。アンテナ端子１０７は、半導体チップ１０２に、例えばボンディングワイヤ、バンプ等で電気的に接続された伝送線路の先端に位置している。アンテナ素子１０３は、アンテナの一部または全体である。アンテナ素子１０３は、図１Ａ−Ｃに示すように、回路基板１０１上に形成されていてもよいし、ボンディングワイヤやバンプ等（図示せず）で形成されていてもよい。アンテナ素子１０３は、例えばダイポールアンテナ、ループアンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナである。アンテナ素子１０３とアンテナ端子１０７との接続状態は、直接接続された状態（直流接続）に限らず、空間結合により高周波的に電気接続されていてもよい。
封止樹脂１０４の表面は導電性膜１０５で大部分は覆われているが、半導体パッケージ１００の側面のうち、アンテナ端子１０７に最も近い封止樹脂１０４の側面は、導電性膜１０５で被覆されていない。この導電性膜１０５が被覆されていない封止樹脂１０４の側面を開口部１０８と称す。開口部１０８は、前記封止樹脂の表面の一部以外のうちの一部であり、かつアンテナ素子１０３に接続するアンテナ端子１０７に最も近い側面に形成される。
導電性膜１０５は、半導体チップ１０２から放射される不要電磁波の漏洩を防止する上で、抵抗率が低い金属層で形成することが好ましく、例えば銅、銀、ニッケル等からなる金属層が適用される。導電性膜１０５の厚さは、その抵抗率に基づいて設定することが好ましい。例えば、導電性膜１０５の抵抗率を厚さで割ったシート抵抗値が０．５Ω以下となるように、導電性膜１０５の厚さを設定することが好ましい。導電性膜１０５のシート抵抗値を０．５Ω以下とすることによって、不要電磁波の漏洩を再現性よく抑制することができる。
導電性膜１０５を、回路基板１０１のグランドと低抵抗に接続させることで、高いシールド効果を得ることができる。図１Ａ−Ｃにおいては、導電性膜１０５は回路基板１０１の側面に接しており、回路基板１０１の側面にて回路基板１０１のグランド（図示せず）と接続されている。
導電性膜１０５の側面のうち、アンテナ端子１０７に最も近い封止樹脂１０４の側面を被覆する面には開口部１０８が形成されており、通信に用いる所望の電磁波の放射および受信を可能にしている。導電性膜１０５の上面に開口部を形成する場合に比べて、半導体チップ１０２と開口部１０８の距離を長くできるため、半導体チップ１０２から放射される不要電磁波に対するシールド効果が向上する。アンテナ端子７から最も近い側面に開口部１０８を形成することで、伝送損失の低減およびアンテナ放射特性劣化の抑制が可能となる。
図１Ａ−Ｃの半導体パッケージ１００は、回路基板１０１の第２面に半田ボールで形成される端子１０６を備えるＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージである。半導体パッケージ１００は、ＢＧＡパッケージに限らず、他の種類のパッケージでも、半導体チップと基板とで構成されるモジュールでもよい。なお、回路基板１０１の封止樹脂１０４で覆われる部分には、半導体チップ１０２やアンテナ素子１０３の他にチップコンデンサやＩＣ等の部品（図示せず）が実装されていてもよい。また、半導体チップ１０２および半導体パッケージ１００は、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。換言すれば、封止樹脂１０４による外形の形状が正方形に限らず、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ということである。
図１Ｃでは、側面全体を開口部１０８としているが、所望の電磁波の放射および受信が可能である範囲で、開口部の寸法を小さくすることで、効率の良い所望電磁波の放射および受信と不要電磁波に対する高いシールド効果を両立できる。
次に放射素子の変形例について図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂを参照して説明する。それぞれの図では、図１Ａおよび図１Ｂに示した放射素子１０３の代わりとなる放射素子を示してある。なお、これらの図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、および図５Ａでは、封止樹脂１０４、導電性層１０６および導電性壁１０７の記載を省略している。
図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａはそれぞれ、図１Ｂのアンテナ素子１０３がダイポールアンテナ、ループアンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナである例を示す。図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａでは封止樹脂１０４および導電性膜１０５の記載を省略している。
図５のアンテナ素子１０３であるスロットは、回路基板の金属パターン５０９の中に形成されている。アンテナ素子１０３は、ダイポールアンテナ、ループアンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナ以外のアンテナであってもよい。また、図１〜５のアンテナ素子１０３は１つであるが、複数であってもよい。
以上に示した第１の実施形態によれば、導電性膜に形成する開口部をアンテナ端子に最も近い半導体パッケージ側面部にすることで、不要電磁波に対するシールド効果の劣化を抑制しつつ、アンテナの放射特性劣化を抑制することができる。
＜第２の実施形態＞
本実施形態での無線装置は、アンテナ端子に最も近い側面を含む複数の面に渡る開口部を設けることが第１の実施形態での無線装置とは異なる。
本実施形態の無線装置について図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃを参照して説明する。図６Ａは、第２の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図である。図６Ｂは、導電性膜および封止樹脂を図示していない上面図である。図６Ｃは、図６Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図である。図６Ｃでは導電性膜も図示している。
導電性膜１０５に形成される開口部６０８を半導体パッケージ１００の複数面に延伸させることで、アンテナ素子６０３から開口部６０８の向きにアンテナ素子６０３の主放射方向を向けることが可能となり、放射方向の自由度が増す。
以上に示した第２の実施形態によれば、アンテナ素子の上部に開口部を設けることは、アンテナの放射効率を改善する効果を奏する。また、導電性膜に形成する開口部を半導体パッケージの複数面に延伸させることで、電磁波の放射方向に自由度が出る。
＜第３の実施形態＞
本実施形態での無線装置は、開口部そのものがアンテナになることが第１および第２の実施形態での無線装置とは異なる。
本実施形態の無線装置については、図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明する。図７Ａは、第３の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図である。図７Ａでは導電性膜を図示していない。図７Ｂは、図７Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図である。図７Ｂでは導電性膜も図示している。
導電性膜１０５に形成される開口部７０８の長手方向の長さを所望の電磁波の略半波長とすることで、開口部７０８そのものがスロットアンテナとして動作する。すなわち、開口部７０８がアンテナ素子として動作する。開口部７０８の長手方向の長さを略半波長として、開口部７０８そのものをスロットアンテナとする。他のアンテナを用いた場合に比べて開口の寸法を小さくできるため、高いシールド効果を維持したまま、電磁波を効率よく放射または受信させることができる。
本実施形態の無線装置は、他の種類のアンテナ素子を回路基板に実装し導電性膜に開口部を形成する場合よりも、小さな寸法の開口部で、効率よく所望の電磁波を放射および受信することが可能となり、高いシールド性能を実現できる。
図７Ａおよび図７Ｂのように横長のスロットを形成した場合は、パッケージ側面方向へ垂直偏波を放射することができる。スロットへの給電は、アンテナ端子７０７と回路基板１０１内部のビア７０９を用いる方法が考えられる。
以上に示した第３の実施形態によれば、開口部の長手方向の長さを例えば略半波長として、開口部そのものをスロットアンテナとする。他のアンテナ用いた場合に比べて開口の寸法を小さくできるため、高いシールド効果を維持したまま、電磁波を効率よく放射または受信させることができる。
＜第４の実施形態＞
本実施形態での無線装置は、開口部が上面から側面に渡っているスロットアンテナを備えることが第１から第３の実施形態での無線装置とは異なる。
本実施形態の無線装置については、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃを参照して説明する。図８Ａは、第４の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図である。図８Ｂは、導電性膜を図示していない上面図である。図８Ｃは、図８Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図である。図８Ｃでは導電性膜も図示している。
高いシールド性能を実現するために、スロットアンテナを用いる構成で、パッケージ側面方向に水平偏波を放射するためには、第３の実施形態でのようにパッケージ側面に縦長の開口を形成する場合がある。しかし、パッケージ高さが所望の電磁波の略半波長に満たない場合、スロットアンテナの共振長を確保できない。
図８Ａ−Ｃのように、パッケージ側面からパッケージ上面に延伸するＬ字型の開口部８０８を設けることで、スロットの長手方向の長さを確保し、効率よく所望の電磁波を放射および受信することが可能となる。図８のＬ字型スロットを用いた場合、アンテナの放射方向は仰角方向となる。
以上に示した第４の実施形態によれば、導電性膜に形成する開口部を半導体パッケージの複数面に延伸させることで、電磁波の放射方向に自由度が出る。また、開口部をアンテナ上部まで延伸させることで、アンテナの放射効率を改善することができる。
＜第５の実施形態＞
本実施形態での無線装置は、開口部が上面から側面そして下面に渡っているスロットアンテナを備えることが第１から第４の実施形態での無線装置とは異なる。
本実施形態の無線装置については、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃを参照して説明する。図９Ａは、第５の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図である。図９Ｂは、導電性膜を図示していない上面図である。図９Ｃは、図９Ａの線分Ａ−Ａ’における断面図である。図９Ｃでは導電性膜も図示している。
第４の実施形態のようにＬ字型のスロットを用いた場合、アンテナの放射方向は仰角方向となり、水平方向および俯角方向への放射には適さない。
本実施形態では図９Ａ−Ｃのように、回路基板１０１内部の金属パターン９０９にも開口部９０８を形成し、パッケージ上面からパッケージ側面および回路基板１０１の内部の金属パターン９０９に延伸する開口部９０８を形成し、コの字型のスロットアンテナとする。金属パターン９０９は導電性膜１０５と電気的に接続している。図９Ａ−Ｃにおいて、金属パターンは開口部９０８を除く部分全体にわたっているが、開口部９０８とは別の開口部や、伝送線路が含まれていても良い。コの字の全長を所望の電磁波の略半波長とすることで、効率よく所望の電磁波を放射可能および受信可能となる。換言すれば、開口部９０８は、導電性膜１０５または金属パターン９０９により被覆されていない封止樹脂１０４の表面の一部に形成される。
図９のコの字型スロットを用いた場合、パッケージ上面での開口長さ、回路基板の金属パターンでの開口長さを調節することで、アンテナの放射方向は仰角方向および水平方向および俯角方向と制御可能となる。
以上に示した第５の実施形態によれば、第３の実施形態の効果に加え、導電性膜に形成する開口部を半導体パッケージの３面に延伸させることで、電磁波の放射方向に自由度がさらに広がり、アンテナの放射効率を改善することができる。
＜第６の実施形態＞
本実施形態は、第１から第５の実施形態のいずれか１つで説明した無線装置を搭載した情報処理装置、記憶装置について説明する。
上述した無線装置を搭載した情報処理装置について図１０及び図１１を参照して説明する。無線機器は、データまた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。ここで説明する無線機器は、総称して情報処理装置と称する。
図１０に示す無線機器１０００は、無線装置１００、プロセッサ１００１及びメモリ１００２を含む。
無線装置１００は、外部とデータの送受信を行う。なお無線装置１００、第１から第５の実施形態のいずれか１つの半導体パッケージ１００である。
プロセッサ（制御部とも称す）１００１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１００２は、データを保存し、プロセッサ１００１からデータを受け取って保存したり、プロセッサ１００１へデータを提供する。
次に、無線装置１００を搭載した無線機器の一例について図１１を参照して説明する。
無線機器は、ここでは例えばノートＰＣ（personal computer）１１０１及び携帯端末１１０２である。これらのノートＰＣ１１０１及び携帯端末１１０２はそれぞれ、表示部１１０３、１１０４を有し、静止画像、動画像を閲覧することができる。他にこれらのノートＰＣ１１０１及び携帯端末１１０２は、ＣＰＵ（central processing unit）（制御部とも称す）、メモリ等も含んでいる。ノートＰＣ１１０１及び携帯端末１１０２はそれぞれ、内部または外部に無線装置１００を搭載し、例えばミリ波帯の周波数を用いて無線装置を介したデータ通信を行う。ここでは、ノートＰＣ１１０１及び携帯端末１１０２に上述したどの半導体パッケージ１００を搭載してもよい。
また、ノートＰＣ１１０１に搭載された無線装置と携帯端末１１０２に搭載された無線装置とは、放射素子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。
図１１の例では、ノートＰＣ１１０１及び携帯端末１１０２を示すが、これに限らず、ＴＶ、デジタルカメラ、メモリーカードなどの機器に無線装置を搭載してもよい。
次に、無線装置を記憶装置に搭載した場合について図１２を参照して説明する。図１２の例では記憶装置としてメモリーカード１２００の場合について示している。
図１２に示すように、メモリーカード１２００は無線装置１００とメモリーカード本体１２０１とを含み、ノートＰＣや携帯端末、デジタルカメラなどと無線装置１００を介して無線通信を行うことができる。メモリーカード本体１２０１は、情報を記憶するメモリ１２０２と、全体を制御するコントローラ（制御部とも称す）１２０３を含んでいる。
以上に示した第７の実施形態によれば、第１から第６の実施形態の無線装置（半導体パッケージ１００）をノートＰＣ、携帯端末、メモリーカード等の無線によりデータ通信を行う情報処理装置、記憶装置に搭載することで、不要電磁波に対するシールド効果の劣化を抑制しつつ、アンテナの放射特性劣化を抑制して、データ等の送受信を効率よく行うことができる。
以上の実施形態によれば、導電性膜に形成する開口部をアンテナ端子に最も近い半導体パッケージ側面部にすることで、不要電磁波に対するシールド効果の劣化を抑制しつつ、アンテナの放射特性劣化を抑制することができる。
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。
１０１・・・回路基板、１０２・・・半導体チップ、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３・・・アンテナ素子、１０４・・・封止樹脂、１０５・・・導電性膜、１０６・・・端子、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７、７０７、８０７、９０７・・・アンテナ端子、１０８、６０８、７０８、８０８、９０８・・・開口部、５０９、９０９・・・金属パターン、７０９・・・ビア、１００１・・・プロセッサ、１００２・・・メモリ、１１０１・・・ノートＰＣ、１１０２・・・携帯端末、１１０３、１１０４・・・表示部、１２００・・・メモリーカード、１２０３・・・コントローラ。

Claims (9)

  1. 回路基板と、
    前記回路基板に実装され、送受信回路を内蔵する半導体チップと、
    前記半導体チップを封止する封止樹脂と、
    前記封止樹脂の表面の一部を被覆する導電性膜と、
    前記半導体チップに接続されるアンテナ端子と、
    前記アンテナ端子に接続されるアンテナ素子と、を備え、
    前記アンテナ端子に最も近い前記封止樹脂の側面に開口部が形成される無線装置。
  2. 前記開口部は、前記封止樹脂による外形の形状が多角形である場合に、複数の面に渡って形成される請求項１に記載の無線装置。
  3. 前記開口部が前記アンテナ素子として動作する請求項１または請求項２に記載の無線装置。
  4. 前記開口部の長手方向の長さは、所望の電磁波の半波長に設定される請求項３に記載の無線装置。
  5. 前記回路基板に形成され、前記導電性膜と電気的に接続する金属パターンをさらに備え、
    前記開口部は、前記導電性膜または前記金属パターンにより被覆されていない封止樹脂の表面の一部に形成される請求項３または請求項４に記載の無線装置。
  6. 回路基板と、
    前記回路基板に実装され、送受信回路を内蔵する半導体チップと、
    前記半導体チップを封止する封止樹脂と、
    前記封止樹脂の表面の一部を被覆する導電性膜と、
    前記半導体チップに接続されるアンテナ端子と、
    前記アンテナ端子に接続されるアンテナ素子と、を備え、
    前記アンテナ端子に最も近い前記封止樹脂の側面の少なくとも一部は、前記導電性膜が被覆されていない無線装置。
  7. 前記アンテナ端子は、前記アンテナ素子と空間結合により高周波的に電気接続される請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の無線装置。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の無線装置と、
    前記無線装置との間でやり取りするデータを処理する制御部と、
    前記データを保存するメモリと、
    前記データに基づいて画像を表示する表示部と、を備える情報処理装置。
  9. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の無線装置と、
    前記無線装置との間でやり取りするデータを処理する制御部と、
    前記データを保存するメモリと、を備える記憶装置。
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