JP6132692B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、アンテナ装置に関する。

通信機能を有するシステムには、電波を送受信するためのアンテナが必要となる。この場合、アンテナをシステムの他の機能と一緒にシステム筐体内に収納する場合と、システム筐体外部に設ける場合が考えられる。システムを小型化するためには、アンテナをシステム筐体内に収納させることが望ましい。

アンテナをシステム筐体内に収納させる場合、２つの大きな課題がある。第１の課題はアンテナの小型化である。第２の課題はアンテナから放出される電磁波からシステムの電子回路を保護することである。

アンテナのサイズは、送受信する周波数に依存する。このため、周波数が低い場合は、アンテナの小型化は困難である。一方、周波数が比較的高い場合、例えば、１００ＭＨｚ以上の高周波の場合は、必要とされるアンテナのサイズは小さくなる。したがって、システム筐体内にアンテナを収納できる可能性が高くなり、第１の課題を解決できるとも思われる。

そこで、第２の課題であるアンテナから放出される電磁波からの電子回路の保護、すなわち、アンテナから放出される電磁波による電子回路の誤動作の抑制が重要となる。

特開２０１２−４９６１８号公報

本発明が解決しようとする課題は、アンテナが放出する電磁波の電子回路への影響を抑制するアンテナ装置を提供することにある。

実施形態のアンテナ装置は、グラウンド電位に接続される第１の導電層と、前記第１の導電層の上方に設けられる第１の半導体デバイスと、前記第１の半導体デバイス上方に誘電体を間に挟んで設けられ、第１の開口部を有する第２の導電層と、前記第２の導電層と前記第１の導電層を接続する第１のビアと、前記第２の導電層上方に誘電体を間に挟んで設けられる第３の導電層と、前記第１の開口部を通り、前記第３の導電層と前記第１の導電層を接続する第２のビアと、前記第３の導電層上方にあって、前記第２の導電層および前記第３の導電層のそれぞれと対向し、誘電体を間に挟んで設けられるアンテナと、を備える。

第１の実施形態のアンテナ装置の模式断面図である。 第１の実施形態のアンテナ装置の主要な導体部分のみを示す斜視概念図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）は、３次元電磁界シミュレーションの結果である。 第１の実施形態の周波数とアンテナゲインの関係を示す図である。 第２の実施形態の第２の導電層のパターンを示す上面図である。 第３の実施形態の第２の導電層のパターンを示す上面図である。

本明細書中、「上方」とは、構成要件の相対的位置関係を示すために用いられる用語であり、必ずしも、重力方向を基準とした「上」を意味する用語ではない。

（第１の実施形態）
本実施形態のアンテナ装置は、グラウンド電位に接続される第１の導電層と、第１の導電層の上方に設けられる半導体デバイスと、半導体デバイス上方に誘電体を間に挟んで設けられ、第１の開口部を有する第２の導電層と、第２の導電層と第１の導電層を接続する第１のビアと、第２の導電層上方に誘電体を間に挟んで設けられる第３の導電層と、第１の開口部を通り、第３の導電層と第１の導電層を接続する第２のビアと、第３の導電層上方に誘電体を間に挟んで設けられるアンテナと、を備える。

図１は、本実施形態のアンテナ装置の模式断面図である。図２は、本実施形態のアンテナ装置の主要な導体部分のみを示す斜視概念図である。

本実施形態のアンテナ装置は、例えば、４００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの動作周波数の無線通信装置である。そのサイズは、例えば、数ｍｍ角である。

本実施形態のアンテナ装置は、グラウンド電位に接続される第１の導電層１０、第１の導電層の上方に設けられる半導体デバイス１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを備える。そして、半導体デバイス１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ上方に誘電体１４を間に挟んで設けられる第２の導電層１６、第２の導電層１６と第１の導電層１０を接続する第１のビア１８を備える。

そして、第２の導電層１６上方に誘電体１４を間に挟んで設けられる第３の導電層２０、第３の導電層２０と第１の導電層１０を接続する第２のビア２２を備える。第２のビア２２は、第２の導電層１６に設けられる第１の開口部１６ａを通る。

そして、第２の導電層１６上方に誘電体１４を間に挟んで設けられる第４の導電層２４と、第４の導電層２４と第１の導電層１０を接続する第３のビア２６を、さらに備える。そして、第２の導電層１６が第２の開口部１６ｂを有し、第３のビア２６が第２の開口部１６ｂを通る。

さらに、第３の導電層２０上方に誘電体１４を間に挟んで設けられるアンテナ３０を備える。また、第１の導電層１０と第２の導電層１６との間に、図示しない導電体で半導体デバイス１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと電気的に接続される第５の導電層３２を備える。

第１の導電層１０、第２の導電層１６、第３の導電層２０、第４の導電層２４、および、第５の導電層３２は、例えば、金属であり、例えば、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）である。

第１のビア２２、第２のビア２６は、例えば、金属であり、例えば、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）である。

誘電体１４は、例えば、樹脂である。誘電体１４は、例えば、シリコン酸化膜等の酸化膜、あるいは、セラミックスでもかまわない。

半導体デバイス１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、アンテナ装置１００の送受信処理を行う信号処理回路を構成する。半導体デバイス１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、ベアチップであっても実装されたチップであってもかまわない。

第５の導電層３２は、例えば、信号線である。第５の導電層３２は、例えば、半導体デバイス１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに電気的に接続される。半導体デバイス１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄそれぞれの接続や、外部との信号の入出力の伝達は、例えば、第５の導電層３２で形成される信号線を用いて行われる。

本実施形態のアンテナ装置は、例えば、複数の半導体チップを樹脂で接着し、相互のチップ間を配線層で接続する方法、いわゆる疑似ＳＯＣ（ｐｓｅｕｄｏ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｃｈｉｐ）を製造する方法により製造することが可能である。

第１の導電層１０は、例えば、アンテナ装置１００の裏面全体を覆い、グラウンド電位に固定される。第２の導電層１６は、例えば、矩形の金属パッチである。第２の導電層１６と第１のビア２０とで、いわゆるマッシュルーム構造の第１のＥＢＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｇｎｅｔｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）構造を形成する。

また、第３の導電層２０と第４の導電層２４は、例えば、矩形の金属パッチである。第３の導電層２０と第２のビア２２、第４の導電層２４と第３のビア２６がそれぞれマッシュルーム構造を形成する。これらのマッシュルーム構造が、第２のＥＢＧ構造を形成する。

第１のＥＢＧ構造の金属パッチと、第２のＥＢＧ構造の金属パッチは、直接接続されない。第１のＥＢＧ構造の金属パッチと、第２のＥＢＧ構造の金属パッチは、第１のビア１８、第１の導電層１０、第２のビア２２を介して接続される。または、第１のビア１８、第１の導電層１０、第３のビア２６を介して接続される。第１のＥＢＧ構造と第２のＥＢＧ構造が、３次元容量と３次元インダクタンスを形成する。

これらの３次元容量と３次元インダクタンスが、フィルタとして機能する。そして、アンテナ３０から放射される電磁波が、半導体デバイス１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ等で構成される信号処理回路（電子回路）に悪影響を与えることを抑制する。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、３次元電磁界シミュレーションの結果である。図３（ａ）が本実施形態、図３（ｂ）がＥＢＧ構造にかえて接地金属板を設けた比較形態である。それぞれ、アンテナから放射される電磁波の放射パターンを示している。

図３（ａ）に示すように、本実施形態の場合、第１および第２のＥＢＧ構造を適用することで、アンテナ下部の信号処理回路まで、電磁界の放射パターンが広がらず遮断されていることがわかる。信号処理回路での電磁波の遮断量は−５３ｄＢｉとなり、アンテナから放射された電磁波の影響がほとんどないことがわかる。

一方、図３（ｂ）に示すように、比較形態の場合は、アンテナ下部の信号処理回路まで、電磁界の放射パターンが広がっている。このため、アンテナから放射された電磁波による信号処理回路の誤動作が懸念される。

図４は、本実施形態の周波数とアンテナゲインの関係を示す図である。ワイヤレスブロードバンドで用いられる周波数４７０ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ用のアンテナ装置を例とする。

比較形態１は、ＥＢＧ構造にかえて接地金属板を設けた形態、比較形態２は、接地金属板がない形態である。本実施形態でも、比較形態１と同等のアンテナゲインが得られることがわかる。

アンテナからの電磁波の遮断特性は、第２の導電層１６、第３の導電層２０、第４の導電層２４の金属パッチの形状、サイズや数、第１のビア１８、第２のビア２２、第３のビア２６の長さ等のパラメータを調整することにより、最適化することが可能である。

例えば、第４の導電層２４と第３のビア２６を省略し、第２のＥＢＧ構造を第３の導電層２０と第２のビア２２だけで構成することも可能である。しかしながら、遮断特性を向上させる観点からは、第４の導電層２４と第３のビア２６を備えることが望ましい。

また、製造を容易にする観点から、第３の導電層２０と第４の導電層２４とが、略同一平面にあることが望ましい。

また、例えば、半導体デバイスを、半導体デバイス１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとは別の層に設けて、信号処理回路が２層あるいはそれ以上積層された構造としてもかまわない。

本実施形態のアンテナ装置１００によれば、第１および第２のＥＢＧ構造を設けることで、アンテナ３０の放射する電磁界が、信号処理回路のある下方へ向かうことを遮断する。したがって、信号処理回路とアンテナ３０とを近接して混載しても、信号処理回路の安定した動作が実現する。また、導電層とビアを用いた簡易で小型のＥＢＧ構造で、アンテナ３０の放射する電磁界を遮断することが可能となる。

（第２の実施形態）
本実施形態のアンテナ装置は、第２の導電層にビアが通らない開口部を備えること以外は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図５は、本実施形態の第２の導電層１６のパターンを示す上面図である。第２の導電層１６には、第１の実施形態同様、第１のビア２２が通る第１の開口部１６ｃと、第２のビア２６が通る第２の開口部１６ｂを備えている。

そして、さらに、ビアが通らない第３の開口部１６ｃを備えている。第３の開口部１６ｃは矩形形状である。

本実施形態によれば、第３の開口部１６ｃを設けることにより、第２の導電層１６の面積が変化する。したがって、第１のＥＢＧ構造の容量成分を変化させることが可能となる。したがって、アンテナ３０からの電磁波の遮断特性を精度高く調整することが可能である。

なお、第３の開口部１６ｃの形状は、第１のＥＢＧ構造の容量成分を変化させることが可能であれば、矩形形状に限定されるものではない。

（第３の実施形態）
本実施形態のアンテナ装置は、第３の開口部１６ｃの形状が屈曲した形状であること以外は第２の実施形態と同様である。したがって、第２の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図６は、本実施形態の第２の導電層１６のパターンを示す上面図である。第２の導電層１６には、第１の実施形態同様、第１のビア２２が通る第１の開口部１６ｃと、第２のビア２６が通る第２の開口部１６ｂを備えている。

そして、さらに、ビアが通らない第３の開口部１６ｃを備えている。第３の開口部１６ｃは屈曲した形状である。屈曲した形状とは、形状が方向性を備えており、その方向性が形状の途中で変化する形状を意味する。本実施形態ではＬ字形状である。Ｌ字形状に限らず、例えば、Ｔ字形状、ジグザグ形状等、その他の屈曲した形状であってもかまわない。

本実施形態によれば、第３の開口部１６ｃを設けることにより、第２の導電層１６を流れる電流の経路が変化し長くなる。したがって、第１のＥＢＧ構造のインダクタンス成分を変化させることが可能となる。よって、アンテナ３０からの電磁波の遮断特性を精度高く調整することが可能である。この際、開口部を設けることによる第２の導電層１６の面積の減少を抑制できるので、容量成分の変化は抑制できる。

なお、第３の開口部１６ｃの形状は、第１のＥＢＧ構造のインダクタンス成分を変化させることが可能であれば、屈曲した形状に限定されるものではない。

また、第２の実施形態で示したような、矩形形状の開口部と組み合わせて、インダクタンス成分と容量成分の双方を調整することも可能である。

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。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。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。

１０ 第１の導電層
１２ａ 半導体デバイス
１２ｂ 半導体デバイス
１２ｃ 半導体デバイス
１２ｄ 半導体デバイス
１４ 誘電体
１６ 第２の導電層
１６ａ 第１の開口部
１６ｂ 第２の開口部
１６ｃ 第３の開口部
１８ 第１のビア
２０ 第３の導電層
２２ 第２のビア
２４ 第４の導電層
２６ 第３のビア
３０ アンテナ
３２ 第５の導電層
１００ アンテナ装置

Claims (11)

1. グラウンド電位に接続される第１の導電層と、
   前記第１の導電層の上方に設けられる第１の半導体デバイスと、
   前記第１の半導体デバイス上方に誘電体を間に挟んで設けられ、第１の開口部を有する第２の導電層と、
   前記第２の導電層と前記第１の導電層を接続する第１のビアと、
   前記第２の導電層上方に誘電体を間に挟んで設けられる第３の導電層と、
   前記第１の開口部を通り、前記第３の導電層と前記第１の導電層を接続する第２のビアと、
   前記第３の導電層上方にあって、前記第２の導電層および前記第３の導電層のそれぞれと対向し、誘電体を間に挟んで設けられるアンテナと、
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１の導電層の上方に設けられる第２の半導体デバイスをさらに備え、
   前記第２の導電層は前記第２の半導体デバイス上方に誘電体を間に挟んで設けられ、
   前記第１のビアは、前記第１の半導体デバイスと前記第２の半導体デバイスの間に、前記第１の半導体デバイス及び前記第２の半導体デバイスから離間して設けられ、
   前記アンテナは前記第１の導電層上に前記第１の半導体デバイスを挟み、かつ前記第１の導電層上に前記第２の半導体デバイスを挟んで設けられる請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記第２の導電層上方に誘電体を間に挟んで設けられる第４の導電層と、
   前記第４の導電層と前記第１の導電層を接続する第３のビアを、さらに備え、
   前記第２の導電層が第２の開口部を有し、前記第３のビアが前記第２の開口部を通ることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記第３の導電層と前記第４の導電層とが、略同一平面にあることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載のアンテナ装置。
5. 前記第２の導電層に、ビアが通らない第３の開口部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載のアンテナ装置。
6. 前記第１、第２、および第３の導電層が金属であることを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか一項記載のアンテナ装置。
7. 前記誘電体が樹脂であることを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか一項記載のアンテナ装置。
8. 前記第１および第２のビアが金属であることを特徴とする請求項１ないし請求項７いずれか一項記載のアンテナ装置。
9. 前記第３の開口部が矩形形状を有することを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
10. 前記第３の開口部が屈曲した形状を有することを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
11. 前記第１の半導体デバイスと電気的に接続される第５の導電層を、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に、さらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１０いずれか一項記載のアンテナ装置。