JP6121705B2

JP6121705B2 - 無線装置

Info

Publication number: JP6121705B2
Application number: JP2012271402A
Authority: JP
Inventors: 由佳子堤; 橋本　紘; 紘橋本; 敬義伊藤; 耕司秋田; 小倉　浩嗣; 浩嗣小倉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: JP2014116892A; US9160055B2; US20140158774A1

Description

本発明の実施形態は、無線装置に関する。

アンテナを伴う素子として、例えば、２０ＧＨｚ以上のミリ波又は準ミリ波の信号を利用するレーダセンサがある。小型化及び低コスト化に適するレーダセンサが提案されている。該レーダセンサにおいては、これを構成する発振器及び混合器等の能動回路とアンテナとが、同一の半導体基板上に形成され、１チップのＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）で構成される。更に、このＭＭＩＣが樹脂パッケージで封止される。このレーダセンサでは、アンテナの上方に装着された誘電体レンズによって、所望の方向へ電磁波が放射される。

電磁波を所望の方向へ放射させるために、樹脂パッケージ上に誘電体レンズを形成する必要があることから、パッケージが出っ張った構造になり、パッケージ全体が厚くなるという欠点があった。また、アンテナの位置及び／又は形状に応じて、レンズの位置及び／又は形状を最適にする必要があり、パッケージの汎用性が低いという問題があった。

特許第４５２３２２３号公報

本実施形態は、アンテナの放射指向性をパッケージ表面に垂直な方向へ容易に向けることができる無線装置を提供することを目的とする。

また、本実施形態は、アンテナの放射指向性をパッケージ表面に平行な方向へ容易に向けることができる無線装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、無線装置は、半導体チップと、基板と、アンテナと、封止材とを具備する。半導体チップは、無線回路を含むものである。基板は、複数の端子が第１面に配置され、該第１面とは異なる第２面に前記半導体チップが配置されるものである。アンテナは、放射素子を含み、前記半導体チップと電気的に接続される。封止材は、前記半導体チップ及び前記アンテナを封止する。前記基板の第２面と略平行な前記封止材の第１の壁と、前記放射素子との距離は、前記基板の第２面と略垂直な前記封止材の第２の壁と、前記放射素子との距離以上である。

他の実施形態によれば、無線装置は、半導体チップと、基板と、アンテナと、封止材とを具備する。半導体チップは、無線回路を含む。半導体チップは、無線回路を含むものである。基板は、複数の端子が第１面に配置され、該第１面とは異なる第２面に前記半導体チップが配置されるものである。アンテナは、放射素子を含み、前記半導体チップと電気的に接続される。封止材は、前記半導体チップ及び前記アンテナを封止する。前記基板の第２面と略垂直な前記封止材の第２の壁と、前記放射素子との距離は、前記基板の第２面と略平行な前記封止材の第１の壁と、前記放射素子との距離より長く、前記基板の第２面と略垂直な前記封止材の第２の壁と、前記放射素子との距離は、動作周波数の波長の略２分の１以上である。

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１の線分Ａ−Ａ’における断面図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図第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９の線分Ａ−Ａ’における断面図距離Ｄｙが動作周波数の波長の略２分の１であるときの模式図第３の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図図１２の線分Ａ−Ａ’における断面図距離Ｄｄａが動作周波数の波長の略４分の３であるときの模式図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図第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２１の線分Ａ−Ａ’における断面図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図第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２７の線分Ａ−Ａ’における断面図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図第６の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図図３１の線分Ａ−Ａ’における断面図第７の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図図３３の線分Ａ−Ａ’における断面図距離Ｄｄａが動作周波数の波長の略２分の１であるときの模式図第８の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図図３６の線分Ａ−Ａ’における断面図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を表す図第９の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す上面図図４２の線分Ａ−Ａ’における断面図第１０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無線装置をメモリーカードに搭載した一例

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。

（１）以下の第１の実施形態〜第５の実施形態は、アンテナの放射指向性をパッケージ表面に垂直な方向へ向けることができる無線装置に関係する。

＜第１の実施形態＞
図１及び図２は、第１の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す図である。図１は上面図であり、図２は図１の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

図１及び図２に示されるように、本実施形態の無線装置は、無線回路を含む半導体チップ１と、基板２と、半導体チップ１と電気的に接続された、放射素子３を含むアンテナ４とを具備する。なお、ここでは、無線装置が、それら要素１〜４を具備する半導体パッケージ１００で構成される場合を例にとって、説明している。

基板２の第１面Ｓ１には複数の端子５が配置され、基板２の第１面Ｓ１とは異なる第２面Ｓ２には半導体チップ１が配置される。半導体チップ１及び放射素子３は封止材６により封止される。放射素子３は基板２のレジスト（図示せず）に埋め込まれていても良い。

図１及び図２の半導体パッケージ１００は、基板２の第１面Ｓ１に半田ボールにより形成される複数の端子５を備えるＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージである。

なお、半導体パッケージ１００は、ＢＧＡパッケージに限定されるものではなく、例えば、他の種類のパッケージでも良い。また、無線装置は、パッケージに制限されない。例えば、半導体チップと基板とで構成されるモジュールでも良い。

また、図１及び図２の例では、基板２に半導体チップ１だけが実装されているが、これに限定されるものではない。例えば、基板２には、半導体チップ１の他に、例えばチップコンデンサ又はＩＣ等のような部品（図示せず）が実装されていても良い。

半導体チップ１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、内部又は表層に例えば銅、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１は、誘電体基板、磁性体基板、若しくは金属、又はそれらの組み合わせでも良い。また、ＣＳＰ（Chip Size Package）で構成されていても良い。図１及び図２では、半導体チップ１は１つであるが、複数でも良く、また、スタックされていても、横に並べられていても良い。半導体チップ１は、図１及び図２では直方体形状であるが、直方体に限らず、例えば、他の多角柱、円柱又は他の複雑な形状でも良い。

半導体チップ１は、基板２の配線又はグランド（図示せず）と、ボンディングワイヤ又はバンプ等を通して電気的に接続される。

図１及び図２の放射素子３は、基板２の第２面Ｓ２に形成されている。放射素子３は、半導体チップ１のアンテナ端子（図示せず）と、例えばボンディングワイヤ、バンプ、伝送線路等により電気的に接続される。放射素子３は、アンテナ４の一部又は全体である。

ここで、アンテナ４と放射素子３との関係について説明する。放射素子３は、電磁波を放射する部分である。放射素子３がアンテナ４の一部である場合に、アンテナ４のうちの放射素子３以外の部分は、例えば、アンテナ４外部の素子（例えば、半導体チップ１）と放射素子３とを接続するための配線である。アンテナ４の形成プロセスは、放射素子３とそれ以外の部分との区別なく、一体として行われるが、以下で議論する放射電磁界の生成に関与するのは、アンテナ４のうちの放射素子３の部分である。アンテナ４の全体が放射素子３になる場合は、アンテナ４の全体が放射電磁界の生成に関与する。ここで説明したアンテナ４と放射素子３との関係については、以下の各実施形態においても同様である。

放射素子３は、図１及び図２に示すように、基板２上に形成されていても良いし、ボンディングワイヤ又はバンプ等（図示せず）で形成されていても良い。放射素子３は、例えばダイポールアンテナ、ループアンテナ、逆Ｆアンテナ、パッチアンテナの一部又は全体である。また、図１及び図２では放射素子３は１つであるが、複数あっても良い。

図１及び図２の封止材６は、例えば樹脂等の誘電体からなる。封止材６は、例えばセラミック等、他の誘電体で形成されていても良い。図１及び図２の封止材６の表面は単純な直方体形状をしており、汎用性のある金型で容易に形成することが可能である。

図１及び図２の半導体パッケージ１００は、基板２の第２面Ｓ２と略平行な封止材６の第１の壁７と、放射素子３との距離Ｄｚが、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙ以上となるように、すなわちＤｚ≧Ｄｙとなるように構成されている。なお、距離Ｄｙは、例えば、封止材６の壁８と放射素子３との最短距離又は平均距離である。

電磁界は比誘電率の高い方へ引き寄せられる。誘電体で形成された封止材６は周囲の空気よりも比誘電率が高い。したがって、基板２の第２面Ｓ２と略平行な封止材６の第１の壁７と、放射素子３との距離Ｄｚが、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙ以上となるようにすることによって、放射素子３から生じた電磁界が、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向へ伝搬するため、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向すなわち＋ｚ方向へ、放射指向性を向けることができる。

ここで、図３〜図５及び図６〜図８を参照しながら、図１及び図２の放射素子３をダイポールアンテナとしたときの、電磁界シミュレーション結果について説明する。シミュレーションでは、端子５を省略している。

図３〜図５は電界強度分布の電磁界シミュレーション結果である。図３は、Ｄｚ／Ｄｙ＝１．６、Ｄｙ＝動作周波数の波長の略８分の１のときの結果であり、図４は、Ｄｚ／Ｄｙ＝０．６、Ｄｙ＝動作周波数の波長の略３分の１のときの結果であり、図５は、Ｄｚ／Ｄｙ＝０．３、Ｄｙ＝動作周波数の波長の略１．５分の１のときの結果である。

図６〜図８は放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果である。図６は、Ｄｚ／Ｄｙ＝１．６、Ｄｙ＝動作周波数の波長の略８分の１のときの結果であり、図７は、Ｄｚ／Ｄｙ＝０．６、Ｄｙ＝動作周波数の波長の略３分の１のときの結果であり、図８は、Ｄｚ／Ｄｙ＝０．３、Ｄｙ＝動作周波数の波長の略１．５分の１のときの結果である。

図３〜図５及び図６〜図８は、いずれも、図２で示されているｙｚ平面の断面における特性を表している。

図３〜図５及び図６〜図８を参照すると、ＤｚとＤｙの比Ｄｚ／Ｄｙが、大きくなるにつれて電界が＋ｚ方向へ引き寄せられ、放射指向性が＋ｚ方向を向いており、小さくなるにつれて電界が＋ｙ方向へ引き寄せられ、放射指向性が＋ｙ方向を向いている。

このように、基板２の第２面Ｓ２と略平行な封止材６の第１の壁７と、放射素子３との距離Ｄｚが、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙ以上となるようにすることによって、放射素子３から生じた電磁界が基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向へ伝搬するため、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向すなわち＋ｚ方向へ、放射指向性を向けることができる。

封止材６の表面が汎用性のある単純な直方体形状であり、アンテナの放射指向性をパッケージ表面に垂直な方向へ容易に向けることが可能となる。

図１及び図２では、放射素子３が封止材６の第２の壁８と半導体チップ１との間の位置に配置されている。放射素子３を、封止材６の第２の壁８と半導体チップ１との間の位置に配置することによって、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁と、放射素子３との距離Ｄｙを小さくできるので、基板２の第２面Ｓ２と略平行な封止材６の第１の壁と、放射素子３との距離Ｄｚを抑えた状態で、Ｄｚ≧Ｄｙとでき、半導体パッケージ１００の厚さを薄くできる。

また、図１及び図２では、半導体チップ１が、ｚ方向から見て半導体パッケージ１００の中央から＋ｙ方向にずれた位置に配置されている。このように半導体チップ１を放射素子３側へずらして配置することによって、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁と、放射素子３との距離Ｄｙを小さくできるので、基板２の第２面Ｓ２と略平行な封止材６の第１の壁と、放射素子３との距離Ｄｚを抑えた状態で、Ｄｚ≧Ｄｙとでき、半導体パッケージ１００の厚さを薄くできる。

＜第２の実施形態＞
図９及び図１０は、第２の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す図である。図９は上面図であり、図１０は図９の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

図９及び図１０の無線装置は、図１及び図２に示した基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙが、動作周波数の波長の略２分の１より小さくなるよう、構成されている。

ここで、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙを、動作周波数の波長の略２分の１より小さくする点について説明する。

図１１は、距離Ｄｙが動作周波数の波長の略２分の１であるときの様子を模式的に表している。

基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙが動作周波数の波長の略２分の１以上になると、図１１に示すように、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との間に、電界の振幅が強い腹が複数箇所生じることとなる。

隣り合う腹の電界は位相が逆位相であるため、隣り合う腹から基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向へ放射する電磁波は打ち消し合い、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向の放射指向性が弱められてしまう。

そこで、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙを、動作周波数の波長の略２分の１より小さくすることによって、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向の放射が打ち消されず、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向すなわち＋ｚ方向への放射指向性を強めることができる。

図３〜図５に示した電界強度分布の電磁界シミュレーション結果をみると、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙが動作周波数の波長の略２分の１以上となる図５では、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との間に、電界の振幅が強い腹が複数箇所生じていることが確認できる。

＜第３の実施形態＞
図１２及び図１３は、第３の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す図である。図１２は上面図であり、図１３は図１２の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

図１２及び図１３の無線装置は、図１及び図２において、半導体チップ１と放射素子３との距離Ｄｄａが、動作周波数の波長の略４分の３より小さくなるよう、構成されている。なお、距離Ｄｄａは、例えば、半導体チップ１と放射素子３との最短距離又は平均距離である。

ここで、半導体チップ１と放射素子３との距離Ｄｄａを、動作周波数の波長の略４分の３より小さくする点について説明する。

図１４は、図１３において距離Ｄｙが動作周波数の波長の略４分の３であるときの様子を模式的に表している。

半導体チップ１と放射素子３との間の距離Ｄｄａが動作周波数の波長の略４分の３以上になると、図１４に示すように、半導体チップ１と放射素子３との間に、電界の振幅が強い腹が複数箇所生じることとなる。

そこで、半導体チップ１と放射素子３との間の距離Ｄｄａを、動作周波数の波長の略４分の３より小さくすれば、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向の放射が打ち消されず、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向すなわち＋ｚ方向への放射指向性を強めることができる。

ここで、図１５〜図１７及び図１８〜図２０を参照しながら、図１２及び図１３の放射素子３をダイポールアンテナとしたときの、電磁界シミュレーション結果について説明する。シミュレーションでは、端子５を省略している。

図１５〜図１７は電界強度分布の電磁界シミュレーション結果である。図１５は、Ｄｄａ＝動作周波数の波長の略４分の１のときの結果であり、図１６は、Ｄｄａ＝動作周波数の波長の略４分の３のときの結果であり、図１７は、Ｄｄａ＝動作周波数の波長のときの結果である。

図１８〜図２０は放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果である。図１８は、Ｄｄａ＝動作周波数の波長の略４分の１のときの結果であり、図１９は、Ｄｄａ＝動作周波数の波長の略４分の３のときの結果であり、図２０は、Ｄｄａ＝動作周波数の波長のときの結果である。

図１５〜図１７及び図１８〜図２０は、いずれも、図１３で示されているｙｚ平面の断面における特性を表している。

図１６及び図１７のように、Ｄｄａが動作周波数の波長の略４分の３以上のときには、半導体チップ１と放射素子３との間に、電界の振幅が強い腹が複数箇所生じている。図１９及び図２０のように、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向から少しずれてはいるが、指向性利得が落ち込むヌルが生じて放射指向性パターンが割れている。一方、図１５及び図１８のように、Ｄｄａが動作周波数の波長の略４分の３より小さいときには、半導体チップ１と放射素子３との間に、電界の振幅が強い腹は１個所となっている。放射指向性パターンは割れずに＋ｚ方向へ放射指向性が向いている。

以上のように、半導体チップ１と放射素子３との距離Ｄｄａを、動作周波数の波長の略４分の３より小さくなるようにすることによって、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向の放射が打ち消されず、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向すなわち＋ｚ方向への放射指向性を強めることができる。

＜第４の実施形態＞
図２１及び図２２は、第４の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す図である。図２１は上面図であり、図２２は図２１の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

図２１及び図２２の無線装置は、図１及び図２において、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄが、動作周波数の波長の略４分の１より小さくなるよう、構成されている。

ここで、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄが、動作周波数の波長の略４分の１より小さくする点について説明する。

封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄが、動作周波数の波長の略４分の１以上になると、半導体チップ１と封止材６の第１の壁７との間に電界の振幅が強い腹が生じ、−ｙ方向へ伝搬する。これにより、−ｙ方向の放射指向性が強くなり、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向の放射指向性が弱められてしまう。

そこで、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄを、動作周波数の波長の略４分の１より小さくすれば、−ｙ方向の放射指向性が強くなることによる、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向の放射指向性の劣化が抑制され、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向すなわち＋ｚ方向への放射指向性を強めることができる。

ここで、図２３及び図２４並びに図２５及び図２６を参照しながら、図２１及び図２２の放射素子３をダイポールアンテナとしたときの、電磁界シミュレーション結果について説明する。シミュレーションでは、端子５を省略している。

図２３及び図２４は電界強度分布の電磁界シミュレーション結果である。図２３は、Ｄｍｄ＝動作周波数の波長の略９分の１のときの結果であり、図２４は、Ｄｍｄ＝動作周波数の波長の略３分の１のときの結果である。

図２５及び図２６は放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果である。図２５は、Ｄｍｄ＝動作周波数の波長の略９分の１のときの結果であり、図２６は、Ｄｍｄ＝動作周波数の波長の略３分の１のときの結果である。

図２３及び図２４並びに図２５及び図２６は、いずれも、図２２で示されているｙｚ平面の断面における特性を表している。

図２４のように、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄが、動作周波数の波長の略４分の１以上のときは、半導体チップ１と封止材６の第１の壁７との間に電界の振幅が強い腹が生じている。図２６では、放射指向性が−ｙ方向から少しずれてはいるが、−ｙ側で強くなっていることがわかる。一方、図２３及び図２５のように、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄが、動作周波数の波長の略４分の１より小さいときには、−ｙ方向に伝搬せず、−ｙ側での放射指向性が強くなっていない。

以上のように、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄを、動作周波数の波長の略４分の１より小さくすることによって、基板２の第２面Ｓ２と略平行な方向すなわち−ｙ側での放射指向性が強くなるのを抑制し、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向すなわち＋ｚ方向への放射指向性を強めることができる。

＜第５の実施形態＞
図２７及び図２８は、第５の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す図である。図２７は上面図であり、図２８は図２７の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

図２７及び図２８の無線装置は、図１及び図２の半導体パッケージ１００を、導体板９を有する実装基板１０に実装した構成となっている。

図２７及び図２８の導体板９は、実装基板１０の途中の層に設けられているが、実装基板１０の表面に設けられていても良い。実装基板１０は、１層構造でも多層構造でも良い。

導体板９は、基板２の第２面Ｓ２に垂直な方向から見て、端子５が占める第１領域Ｒ１、及び、基板２の第２面Ｓ２に垂直な方向から見て、放射素子３が占める第２領域Ｒ２を含んでいる。

導体板９は、例えば、比較的広い領域を占める接地パターン又は電源パターンとして形成することが好ましい。また、例えば、フローティングの導体パターンとして形成しても良い。

実装基板１０の導体板９が、端子５が占める領域Ｒ１を含んでいるため、端子５と導体板９とを接続する際に、配線を引き回さず、ビア等（図示せず）により最短経路で接続できるので、接続による寄生成分を低く抑えられ、導体板９が接地または電源パターンである場合に、グランド及び電源を強化することができる。

実装基板１０の導体板９が、放射素子３が占める第２領域Ｒ２を含んでおり、導体板９が放射素子３の反射器として動作する。放射素子３から見て−ｚ方向に反射器が配置されているので、＋ｚ方向への放射指向性をより強くすることができる。

ここで、図２９及び図３０を参照しながら、図２７及び図２８の放射素子３をダイポールアンテナとしたときの、電磁界シミュレーション結果について説明する。シミュレーションでは、端子５、実装基板１０を省略している。図２９は電界強度分布の電磁界シミュレーション結果、図３０は放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果である。図２９及び図３０は、いずれも、図２８で示されているｙｚ平面の断面における特性を表している。

導体板９が反射器として動作することによって、図１及び図２の場合よりも更に＋Ｚ方向への放射指向性が強められていることがわかる。

以上のように、半導体パッケージ１００を、導体板９を有する実装基板１０に実装し、基板２の第２面Ｓ２に垂直な方向から見て、端子５が占める第１領域Ｒ１、及び、基板２の第２面Ｓ２に垂直な方向から見て、放射素子３が占める第２領域Ｒ２を導体板９が含むように構成することによって、端子５と導体板９を接続する際に、ビア等により最短経路で接続できるので、接続による寄生成分を低く抑えられ、グランド及び電源を強化することができ、導体板９が放射素子３の反射器として動作することにより、＋ｚ方向への放射指向性をより強くすることができる。

（２）以下の第６の実施形態〜第９の実施形態は、アンテナの放射指向性をパッケージ表面に平行な方向へ向けることができる無線装置に関係する。

＜第６の実施形態＞
図３１及び図３２は、第６の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す図である。図３１は上面図であり、図３２は図３１の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

図３１及び図３２に示されるように、本実施形態の無線装置は、無線回路を含む半導体チップ１と、基板２と、半導体チップ１と電気的に接続された、放射素子３を含むアンテナ４とを具備する。なお、ここでは、無線装置が、それら要素１〜４を具備する半導体パッケージ１００で構成される場合を例にとって、説明している。

基板２の第１面Ｓ１には複数の端子５が配置され、基板２の第１面Ｓ１とは異なる第２面Ｓ２には半導体チップ１が配置される。半導体チップ１と放射素子３は封止材６により封止される。放射素子３は基板２のレジスト（図示せず）に埋め込まれていても良い。

図３１及び図３２の半導体パッケージ１００は、基板２の第２面に半田ボールにより形成される複数の端子５を備えるＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージである。

また、図３１及び図３２の例では、基板２に半導体チップ１だけが実装されているが、これに限定されるものではない。例えば、基板２には、半導体チップ１の他に、例えばチップコンデンサ又はＩＣ等のような部品（図示せず）が実装されていても良い。

半導体チップ１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、内部又は表層に例えば銅、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１は、誘電体基板、磁性体基板、若しくは金属、又はそれらの組み合わせでも良い。また、ＣＳＰ（Chip Size Package）で構成されていても良い。図３１及び図３２では、半導体チップ１は１つであるが、複数でも良く、また、スタックされていても、横に並べられていても良い。半導体チップ１は、図３１及び図３２では直方体形状であるが、直方体に限らず、例えば、他の多角柱、円柱又は他の複雑な形状でも良い。

図３１及び図３２の放射素子３は、基板２の第２面Ｓ２に形成されている。放射素子３は、半導体チップ１のアンテナ端子（図示せず）と、例えばボンディングワイヤ、バンプ、伝送線路等により電気的に接続される。放射素子３は、アンテナ４の一部又は全体である。

なお、アンテナ４と放射素子３との関係は、第１の実施形態で説明したとおりである。

放射素子３は、図３１及び図３２に示すように、基板２上に形成されていても良いし、ボンディングワイヤ又はバンプ等（図示せず）で形成されていても良い。放射素子３は、例えばダイポールアンテナ、ループアンテナ、逆Ｆアンテナ、パッチアンテナの一部又は全体である。また、図３１及び図３２では放射素子３は１つであるが、複数あっても良い。

図３１及び図３２の封止材６は、例えば樹脂等の誘電体からなる。封止材６は、例えばセラミック等、他の誘電体で形成されていても良い。図３１及び図３２の封止材６の表面は単純な直方体形状をしており、汎用性のある金型で容易に形成することが可能である。

図３１及び図３２の半導体パッケージ１００は、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙが、基板２の第２面Ｓ２と略平行な封止材６の第１の壁７と、放射素子３との距離Ｄｚより長く（すなわちＤｙ＞Ｄｚ）、且つ、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙが、動作周波数の波長の略２分の１以上となるように構成されている。なお、距離Ｄｙは、例えば、封止材６の壁８と放射素子３との最短距離又は平均距離である。

電磁界は比誘電率の高い方へ引き寄せられる。誘電体で形成された封止材６は周囲の空気よりも比誘電率が高い。したがって、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙが、基板２の第２面Ｓ２と略平行な封止材６の第１の壁７と、放射素子３との距離Ｄｚより長くなるようにすることによって、放射素子３から生じた電磁界が、基板２の第２面Ｓ２と略平行な方向で、放射素子３から見て基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８側の方向すなわち＋ｙ方向へ伝搬するため、＋ｙ方向へ放射指向性を向けることができる。

ここで、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙを、動作周波数の波長の略２分の１以上とする点について説明する。

隣り合う腹の電界は位相が逆位相であるため、隣り合う腹から基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向へ放射する電磁波は打ち消し合う。その結果、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向の放射指向性が弱められ、基板２の第２面Ｓ２と略平行な方向への放射指向性が強くなる。

ここで、図３〜図５及び図６〜図８を参照しながら、図３１及び図３２の放射素子３をダイポールアンテナとしたときの、電磁界シミュレーション結果について説明する。前述のように、シミュレーションでは、端子５を省略している。

図３〜図５は、それぞれ、Ｄｚ／Ｄｙ＝１．６且つＤｙ＝動作周波数の波長の略８分の１、Ｄｚ／Ｄｙ＝０．６且つＤｙ＝動作周波数の波長の略３分の１、Ｄｚ／Ｄｙ＝０．３且つＤｙ＝動作周波数の波長の略１．５分の１のときの電界強度分布の電磁界シミュレーション結果である。

図６〜図８は、それぞれ、Ｄｚ／Ｄｙ＝１．６且つＤｙ＝動作周波数の波長の略８分の１、Ｄｚ／Ｄｙ＝０．６且つＤｙ＝動作周波数の波長の略３分の１、Ｄｚ／Ｄｙ＝０．３且つＤｙ＝動作周波数の波長の略１．５分の１のときの放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果である。

図３〜図５及び図６〜図８は、いずれも、図３２で示されているｙｚ平面の断面における特性を表している。

図３〜図５及び図６〜図８を参照すると、ＤｚとＤｙの比Ｄｚ／Ｄｙが、小さくなるにつれて電界が＋ｙ方向へ引き寄せられ、放射指向性が＋ｙ方向を向いており、大きくなるにつれて電界が＋ｚ方向へ引き寄せられ、放射指向性が＋ｚ方向を向いている。

また、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙが動作周波数の波長の略２分の１以上となる図５では、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との間に、電界の振幅が強い腹が複数箇所生じている。その結果、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な方向すなわち＋ｚ方向の放射指向性が弱められ、放射素子３から生じた電磁界が、基板２の第２面Ｓ２と略平行な方向で、放射素子３から見て基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８側の方向すなわち＋ｙ方向への放射指向性が強くなっている。

このように、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙが、基板２の第２面Ｓ２と略平行な封止材６の第１の壁７と、放射素子３との距離Ｄｚより長く、且つ、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙが、動作周波数の波長の略２分の１以上となるようにすることによって、基板２の第２面Ｓ２と略平行な方向で、放射素子３から見て基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８側の方向すなわち＋ｙ方向へ、放射指向性を向けることができる。

封止材６の表面が汎用性のある単純な直方体形状であり、アンテナの放射指向性をパッケージ表面に平行な方向へ容易に向けることが可能となる。

図３１及び図３２では、放射素子３が最外周の端子５より内側の領域に配置されている。放射素子３が最外周の端子５より内側の領域に配置されることによって、端子５を半導体パッケージ１００の外側に近い場所に配置でき、スペースを有効に活用し、効率良く、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙを長くすることができる。

また、図３１及び図３２では、半導体チップ１が、ｚ方向から見て半導体パッケージ１００の中央から−ｙ方向にずれた位置に配置されている。このように、半導体チップ１を、放射素子３から見て半導体チップ１側へすなわち−ｙ側へずらして配置することによって、半導体チップ１よりも放射素子３側すなわち＋ｙ側の領域を広く確保することができ、基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８と、放射素子３との距離Ｄｙを効率良く長くすることができる。

＜第７の実施形態＞
図３３及び図３４は、第７の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す図である。図３３は上面図であり、図３４は図３３の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

図３３及び図３４の無線装置は、図３１及び図３２において、半導体チップ１と放射素子３との距離Ｄｄａが、動作周波数の波長の略２分の１より小さくなるよう、構成されている。なお、距離Ｄｄａは、例えば、半導体チップ１と放射素子３との最短距離又は平均距離である。

ここで、半導体チップ１と放射素子３との距離Ｄｄａを、動作周波数の波長の略２分の１より小さくする点について説明する。

図３５は、図３４において距離Ｄｙが動作周波数の波長の略２分の１であるときの様子を模式的に表している。

半導体チップ１と放射素子３との間の距離Ｄｄａが動作周波数の波長の略２分の１より小さいと、半導体チップ１が反射板となり、半導体チップ１から放射素子３側への放射指向性を強くすることができる。半導体チップ１と放射素子３との間の距離Ｄｄａが動作周波数の波長の略２分の１になると、図３５に示すように、放射素子３から直接＋ｙ方向へ放射される電磁波と、放射素子３から−ｙ方向へ放射し、半導体チップ１で反射されて＋ｙ方向へ放射する電磁波とが違いに逆位相となるため、放射が打ち消されてしまう。したがって、半導体チップ１と放射素子３との間の距離Ｄｄａを、動作周波数の波長の略２分の１より小さくすることにより、放射素子３から見て基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８側の方向すなわち＋ｙ方向への放射が打ち消されず、基板２の第２面Ｓ２と略平行な方向すなわち＋ｙ方向への放射指向性を強めることができる。

＜第８の実施形態＞
図３６及び図３７は、第８の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す図である。図３６は上面図であり、図３７は図３６の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

図３６及び図３７の無線装置は、図３１及び図３２において、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄが、動作周波数の波長の略４分の１より小さくなるよう、構成されている。

封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄが、動作周波数の波長の略４分の１以上になると、半導体チップ１と封止材６の第１の壁７との間に電界の振幅が強い腹が生じ、−ｙ方向へ伝搬する。これにより、−ｙ方向の放射指向性が強くなり、＋ｙ方向の放射指向性が弱められてしまう。

そこで、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄを、動作周波数の波長の略４分の１より小さくすれば、−ｙ方向の放射指向性が強くなることにより、＋ｙ方向の放射指向性の劣化が抑制され、＋ｙ方向への放射指向性を強めることができる。

ここで、図３８及び図３９並びに図４０及び図４１を参照しながら、図３６及び図３７の放射素子３をダイポールアンテナとしたときの、電磁界シミュレーション結果について説明する。シミュレーションでは、端子５を省略している。

図３８及び図３９は電界強度分布の電磁界シミュレーション結果である。図３８は、Ｄｍｄ＝動作周波数の波長の略９分の１のときの結果であり、図３９は、Ｄｍｄ＝動作周波数の波長の略３分の１のときの結果である。

図４０及び図４１は放射指向性パターンの電磁界シミュレーション結果である。図４０は、Ｄｍｄ＝動作周波数の波長の略９分の１のときの結果であり、図４１は、Ｄｍｄ＝動作周波数の波長の略３分の１のときの結果である。

図３８及び図３９並びに図４０及び図４１は、いずれも、図３７で示されているｙｚ平面の断面における特性を表している。

図３９のように、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄが、動作周波数の波長の略４分の１以上のときは、半導体チップ１と封止材６の第１の壁７との間に電界の振幅が強い腹が生じている。図４１では、放射指向性が−ｙ方向から少しずれてはいるが、−ｙ側で強くなっていることがわかる。一方、図３８及び図４０のように、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄが、動作周波数の波長の略４分の１より小さいときには、−ｙ方向に伝搬せず、−ｙ側での放射指向性が強くなっていない。

以上のように、封止材６の第１の壁７と半導体チップ１との距離Ｄｍｄを、動作周波数の波長の略４分の１より小さくすることによって、−ｙ側での放射指向性が強くなるのを抑制し、基板２の第２面Ｓ２と略平行な方向で、放射素子３から見て基板２の第２面Ｓ２と略垂直な封止材６の第２の壁８側の方向すなわち＋ｙ方向への放射指向性を強めることができる。

＜第９の実施形態＞
図４２及び図４３は、第９の実施形態に係る無線装置の概略構成を示す図である。図４２は上面図であり、図４３は図４２の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

図４２及び図４３の無線装置は、図３１及び図３２の半導体パッケージ１００を、導体板９を有する実装基板１０に実装した構成となっている。

図４２及び図４３の導体板９は、実装基板１０の途中の層に設けられているが、実装基板１０の表面に設けられていても良い。実装基板１０は、１層構造でも多層構造でも良い。

導体板９は、基板２の第２面Ｓ２に垂直な方向から見て、放射素子３が占める領域よりも半導体チップ１側に配置されている。すなわち、導体板９は、基板２の第２面Ｓ２に垂直な方向から見て、放射素子３が占める領域よりも−ｙ方向側に配置されている。

導体板９は、例えば、比較的広い領域を占める接地パターン又は電源パターンとして形成することが好ましい。また、例えば、フローティングのパターンとして形成しても良い。

実装基板１０の導体板９が、基板２の第２面Ｓ２に垂直な方向から見て、放射素子３が占める領域よりも半導体チップ１側すなわち−ｙ方向側に配置されているため、導体板９が反射器として動作する際に、半導体チップ１から見て放射素子３側すなわち＋ｙ方向への放射指向性を強めることができる。

（３）以下の第１０の実施形態は、これまで説明した任意の実施形態の無線装置の応用に関係する。

＜第１０の実施形態＞
第１〜第９の実施形態においてそれぞれ無線装置について説明してきたが、これまで説明してきた任意の無線装置を様々な無線機器に搭載することが可能である。

以下、図４４〜図４６を参照しながら、そのような無線装置を搭載した無線機器の例について説明する。

本実施形態の無線機器は、無線機能を付与したい任意の機器に、任意の実施形態に係る「無線装置」を搭載したものである。無線機器には、特に制限はなく、どのような機器であっても良い。例えば、機器がＧＵＩを有するか否か、機器の大きさ又は厚さ、機器が携帯可能か否か、機器に対する専用のリード／ライト装置を必要とするか否か、或いは、機器がどのような機能を有するかなどについて、制限はない。例えば、機器は、文字、音声、画像又は動画などのようなデータを送受信する機器であっても良い。また、例えば、ＰＣ又は携帯情報端末のようなものであっても良いし、カードのようなものであっても良い。

まず、図４４を参照しながら、上記「無線装置」を搭載した無線機器の一例について説明する。

図４４に例示されるように、無線機器２００は、無線装置１０１、プロセッサ１１及びメモリ１２を含む。無線機器２００は、外部との無線通信のために、無線装置１０１を利用するものである。ここでは、無線装置１０１との関連を中心に説明を行う。

無線装置１０１は、例えば、外部とデータの送受信（無線通信）を行う。無線装置１０１には、第１〜第９の実施形態のいずれの無線装置を用いても良い。

プロセッサ１１は、例えば、無線装置１０１による送受信（無線通信）に関係するデータ処理等を実行する。例えば、無線装置１０１から受け取ったデータ（例えば受信データ）又は無線装置１０１へ供給するデータ（例えば送信データ）を処理する。

メモリ１２は、例えば、上記データ処理に関係するデータ等を保存する。例えば、メモリ１２は、プロセッサ１１からデータを受け取って保存する（プロセッサ１１が、必要に応じて、メモリ１２へ該データを書き込む）。また、例えば、メモリ１２は、送信の対象となるデータを保存し、該データをプロセッサ１１に供給する（プロセッサ１１が、必要に応じて、メモリ１２から該データを読み出す）。

なお、無線機器２００は、図４４に示す要素以外の任意の１又は複数の要素を更に含んでも良い。

次に、図４５を参照しながら、上記「無線装置」を搭載した無線機器の他の例について説明する。

ここでは、無線機器は、例としてノートＰＣ１３及び携帯端末１４である。ノートＰＣ１３及び携帯端末１４は、それぞれ、その内部又は外部に無線装置１０１を搭載し、例えばミリ波帯の周波数を用いて無線装置１０１を介したデータ通信を行う。

無線装置１０１には、第１〜第９の実施形態のいずれの無線装置を用いても良い。また、ノートＰＣ１３に搭載する無線装置１０１と、携帯端末１４に搭載する無線装置１０１とは、同一の実施形態に係る無線装置であっても良いし、その代わりに、異なる実施形態に係る無線装置であっても良い。

ノートＰＣ１３に搭載された無線装置１０１と携帯端末１４に搭載された無線装置１０１とは、放射素子３の指向性が強い方向が対向するように配置することによって、データのやりとりを効率良く行うことができる。

図４５の例では、ノートＰＣ１３及び携帯端末１４を例示したが、これに限らず、例えば、ＴＶ、デジタルカメラ、メモリーカードなどの様々な機器に、上記無線装置を搭載しても良い。

次に、図４６を参照しながら、上記「無線装置」を搭載した無線機器の更に他の例について説明する。

ここでは、上記「無線装置」をメモリーカードに搭載した例について説明する。

図４６に示すように、メモリーカード１５は、無線装置１０１とメモリーカード本体１６とを含む。メモリーカード１５は、外部との無線通信のために、無線装置１０１を利用するものである。なお、図４６では、メモリーカード１５内の他の要素（例えばメモリ等）の記載は省略した。

無線装置１０１には、第１〜第９の実施形態のいずれの無線装置を用いても良い。

メモリーカード１５は、無線装置１０１を介して、例えばノートＰＣ、携帯端末又はデジタルカメラなどの様々な機器と、無線通信を行うことができる。

メモリーカードには、特に制限はなく、どのようなものであっても良い。また、メモリーカード以外の様々なカードに、無線装置１０１を搭載することも可能である。

以上のように、第１０の実施形態によれば、無線装置を、例えばノートＰＣ又は携帯端末等のような、無線によりデータ通信を行う無線機器に搭載することによって、データ等の送受信を効率良く行うことができる。

以上説明してきたように、各実施形態によれば、アンテナの放射指向性をパッケージ表面に垂直な方向又は平行な方向へ容易に向けることができる。

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。

１…半導体チップ、２…基板、３…放射素子、４…アンテナ、５…端子、６…封止材、７…封止材の第１の壁、８…封止材の第２の壁、９…導体板、１０…実装基板、１１…プロセッサ、１２…メモリ、１３…ノートＰＣ、１４…携帯端末、１５…メモリーカード、１６…メモリーカード本体、１００…半導体パッケージ、１０１…無線装置、２００…無線機器、Ｓ１…基板の第１面、Ｓ２…基板の第２面、Ｒ１…端子が占める第１領域、Ｒ２…放射素子が占める第２領域。

Claims

無線回路を含む半導体チップと、
複数の端子が第１面に配置され、該第１面とは異なる第２面に前記半導体チップが配置される基板と、
放射素子を含み、前記半導体チップと電気的に接続されたアンテナと、
前記半導体チップ及び前記アンテナを封止する封止材とを具備し、
前記基板の第２面と略垂直な前記封止材の第２の壁と、前記放射素子との第２の距離が、前記基板の第２面と略平行な前記封止材の第１の壁と、前記放射素子との第１の距離より長く、前記第２の距離が、動作周波数の波長の略２分の１以上であり、
前記半導体チップと、前記放射素子との距離が、動作周波数の波長の略２分の１より小さく、
前記封止材の第１の壁と、前記半導体チップとの距離が、動作周波数の波長の略４分の１より小さく、
前記第１の距離と前記第２の距離との差が大きいほど前記アンテナの放射指向性が前記封止材の第１の壁の表面に平行な方向へ向けられる無線装置。
前記放射素子が、前記封止材の第２の壁と前記半導体チップとの間の位置で、前記基板に形成される請求項１に記載の無線装置。
前記基板の第２面と略垂直な方向から見て、前記放射素子が、前記複数の端子のうちの最外周に配置される端子よりも内側に配置される請求項２に記載の無線装置。
導体板を有する実装基板に前記無線装置が実装され、
前記導体板は、前記基板の第２面に垂直な方向から見て、前記放射素子が占める領域よりも前記半導体チップ側に配置される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の無線装置。
外部と無線通信する無線機器であって、
外部と無線通信するための請求項１の無線装置と、
前記無線装置による無線通信に関係するデータ処理を実行するプロセッサと、
前記データ処理に関係するデータを記憶するメモリとを具備する無線機器。
外部と無線通信するメモリーカードであって、
外部と無線通信するために請求項１の無線装置を具備するメモリーカード。