JP6648830B2

JP6648830B2 - コイルモジュール

Info

Publication number: JP6648830B2
Application number: JP2018524982A
Authority: JP
Inventors: 番場　真一郎; 真一郎番場; 一樹江島
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2037-06-02
Also published as: JPWO2018003398A1; WO2018003398A1

Description

本発明は、コイルと、そのコイルに接続された回路とを備えるコイルモジュールに関する。

金属ワイヤーによるコイルを備えるＲＦＩＤタグが、例えば特許文献１に示されている。図９は特許文献１に示されているＲＦＩＤタグの構造を示す図である。図９において、ＲＦＩＤタグ９１は、コイル９２、絶縁物９３および金属板９４を備える。また、コイルのコアに共振用のコンデンサ９６およびＲＦＩＤ用ＩＣ９７が搭載されている。

特開２００５−１９２１２４号公報

上記金属ワイヤーが巻回されたＲＦＩＤタグにおいては、コイルはコア（磁芯）に巻回されているだけであるので、タグ全体のサイズに比べてコイル開口は比較的小さい。したがって、ＲＦＩＤタグとしての読み取り可能距離が制限を受ける構造であった。

上述の課題はＲＦＩＤタグに限らず、コイルとそれに接続されたモジュール用回路とを備えるコイルモジュールに共通の課題である。

本発明の目的は、全体のサイズの割には実効的なコイル開口が大きい、コイルモジュールを提供することにある。

（１）本発明のコイルモジュールは、
導体パターンが形成された回路基板と、
前記回路基板に実装され、前記導体パターンとでモジュール用回路を構成する電子部品と、
前記電子部品を前記回路基板上で封止し、前記回路基板とともに積層体を形成する樹脂層と、
前記積層体の周囲に巻回され、前記モジュール用回路に接続された導体コイルと、
を備えることを特徴とする。

上記構成により、回路基板と、この回路基板に実装された電子部品を封止する樹脂層とによる積層体の全体に導体コイルが巻回されるので、全体のサイズの割には実効的なコイル開口の大きなコイルを有するコイルモジュールが得られる。

（２）上記（１）において、前記樹脂層は前記回路基板に平行な天面および前記回路基板に垂直な側面を有し、前記導体コイルは前記樹脂層の前記天面および前記側面に接する、ことが好ましい。これにより、回路基板および樹脂層による積層体の外形形状は単純化され、導体コイルの巻回が容易となる。

（３）上記（２）において、前記樹脂層の前記天面は、前記電子部品が実装された前記回路基板の面と略同形状であることが好ましい。これにより、回路基板および樹脂層による積層体の外形形状は単純化され、導体コイルの巻回が容易となる。

（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記電子部品は前記回路基板の第１面に実装され、前記導体パターンは、前記回路基板の第２面に形成された端子電極を含み、前記導体コイルの両端は前記端子電極に接続される、ことが好ましい。この構造により、モジュール用回路に対する導体コイルの接続および巻回が容易となる。

（５）本発明のコイルモジュールは、
端子を有する電子部品と、
前記電子部品の前記端子を露出させた状態で前記電子部品を封止する樹脂層と、
前記樹脂層の周囲に巻回され、前記電子部品の前記端子に接続された導体コイルと、
を備えることを特徴とする。

上記構成により、回路基板を含まずに、電子部品を封止する樹脂層の周囲に導体コイルが巻回されるので、全体のサイズの割には実効的なコイル開口の大きなコイルを有するコイルモジュールが得られる。

（６）上記（５）において、前記電子部品は第１主面および当該第１主面に対向する第２主面を有する直方体状であり、前記樹脂層は前記電子部品の前記第１主面に平行な天面および底面、前記天面および前記底面を接続する二つの側面を有し、前記導体コイルは前記樹脂層の前記天面、前記底面および前記二つの側面に接することが好ましい。これにより、回路基板および樹脂層による積層体の外形形状は単純化され、導体コイルの巻回が容易となる。

（７）上記（１）から（６）のいずれかにおいて、前記導体コイルは絶縁皮膜を有するCu線であることが好ましい。これにより、導体コイルを極近接して巻回、または重ねて巻回することができ、そのことで、自己誘導インダクタンスを大きくでき、少ないターン数で所定のインダクタンスを得ることができる。

（８）上記（１）から（７）のいずれかにおいて、例えば、前記導体コイルでコイルアンテナが構成され、前記電子部品は前記コイルアンテナに接続されるＲＦＩＤ用ＩＣを含む。これにより、小型でありながら通信可能距離の大きなＲＦＩＤタグが構成される。

本発明によれば、回路基板と、この回路基板に実装された電子部品を封止する樹脂層とによる積層体の全体に導体コイルが巻回されるので、全体のサイズの割には実効的なコイル開口の大きなコイルを有するコイルモジュールが得られる。

図１は第１の実施形態に係るコイルモジュールの一例としてのＲＦＩＤタグ１０１の四面図である。図２はＲＦＩＤタグ１０１が備える回路基板の二面図である。図３はＲＦＩＤタグ１０１の回路および通信相手側アンテナの回路を示す図である。図４は集合基板１Ｍの各回路形成領域にそれぞれ導体パターンが形成され、電子部品１３が実装され、集合基板１Ｍの全体が樹脂層２で被覆された状態での部分平面図である。図５（Ａ）は第２の実施形態に係るコイルモジュールの一例としてのＲＦＩＤタグ１０２の斜視図である。図５（Ｂ）は、ＲＦＩＤタグ１０２が備える回路基板１の平面図である。図５（Ｃ）はＲＦＩＤタグ１０２の側面図である。図６は第３の実施形態に係るコイルモジュールの一例としてのＲＦＩＤタグ１０３の四面図である。図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はＲＦＩＤタグ１０３の製造途中の状態を示す図である。図８は第４の実施形態に係るコイルモジュールの一例としてのＲＦＩＤタグ１０４の三面図である。図９は特許文献１に示されているＲＦＩＤタグの構造を示す図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

以降に示す各実施形態に示す「コイルモジュール」は、通信相手側アンテナ装置と磁界結合を用いた、例えばＮＦＣ（Near field communication）等の近傍界通信のために用いられる。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係るコイルモジュールの一例としてのＲＦＩＤタグ１０１の四面図である。図２はＲＦＩＤタグ１０１が備える回路基板の二面図である。

図１に表れているように、ＲＦＩＤタグ１０１は、回路基板１および樹脂層２を備える。

図２に表れているように、回路基板１は、基材１０と、この基材１０に形成された配線導体１１Ａ，１１Ｂおよび端子電極１２Ａ，１２Ｂを備える。配線導体１１Ａ，１１Ｂは端子電極１２Ａ，１２Ｂにそれぞれスルーホールを介して電気的に導通している。配線導体１１Ａ，１１Ｂには電子部品１３が接続（実装）されている。電子部品１３はＲＦＩＤ用ＩＣである。回路基板１は例えばガラス・エポキシ基板である。回路基板１の配線導体１１Ａ，１１Ｂへの電子部品１３の接合は、例えばはんだ接合やＡｕ−Ａｕ接合である。上記配線導体１１Ａ，１１Ｂ、端子電極１２Ａ，１２Ｂ等の導体パターンおよび電子部品１３によってモジュール用回路が構成されている。このように、回路基板１の第１面Ｓ１に電子部品１３が実装されていて、回路基板１の第２面Ｓ２に端子電極１２Ａ，１２Ｂが形成されている。

図１に表れているように、回路基板１に実装されている電子部品１３は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂による樹脂層２で封止されている。回路基板１および樹脂層２によって積層体１２３が構成されている。この積層体１２３の周囲に、積層体１２３を束ねる方向に導体コイル４が巻回されている。

樹脂層２は回路基板１に平行な天面ＴＳおよび回路基板１に垂直な側面ＳＳを有し、導体コイル４は樹脂層２の天面ＴＳおよび側面ＳＳに接する。

導体コイル４はポリウレタン皮膜を有するＣｕ線（ポリウレタンが被覆されたＣｕ線）である。導体コイル４は、この例では約８ターン巻回されている。導体コイル４はコイルアンテナとして作用する。

上記導体コイル４の両端は端子電極１２Ａ，１２Ｂに接続されている。端子電極１２Ａ，１２Ｂは例えばＣｕ電極パターンであり、導体コイルの芯材であるＣｕとで、Ｃｕ−Ｃｕ溶接される。これにより、導体コイル４は上記モジュール用回路に接続される。

図１において磁束φは導体コイル４によるコイルアンテナを通過する磁束を概略的に表している。

本実施形態によれば、導体コイル４のコイル開口内に電子部品や導体パターンが存在し、これらが磁束を部分的に遮蔽するが、コイル開口は、図１に示すように、高さＨ、幅Ｗであり、回路基板１単体や樹脂層２単体の断面より大きい。例えばH=2.3mm、W=5mmである。このように、外形サイズの割に大きなコイル開口のコイルを備えるため、結合相手のコイルとの結合係数の高いＲＦＩＤタグが得られる。

また、導体コイル４を極近接して巻回、または重ねて巻回することができ、そのことで、自己誘導インダクタンスを大きくでき、少ないターン数で所定のインダクタンスを得ることができる。

また、本実施形態によれば、回路基板１を変更することなく、導体コイル４の巻回数または導体間隔を容易に調整・設定できるので、所定のインダクタンスを有するコイルアンテナを有するＲＦＩＤタグ１０１が得られる。

また、本実施形態によれば、フェライト等による磁芯を備えないので磁気損失が生じることなく、例えばＵＨＦ帯以上の高周波帯でも低損失特性が得られる。

図３はＲＦＩＤタグ１０１の回路および通信相手側アンテナの回路を示す図である。図３において、インダクタＬ１は導体コイル４に対応する。ＲＦＩＤ回路、キャパシタＣ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂは回路基板１に実装されている電子部品１３に構成されている回路である。

キャパシタＣ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ａ，Ｃ２ＢおよびインダクタＬ１は、ＬＣ共振回路を構成するとともに、ＲＦＩＤ−ＩＣとのインピーダンス整合回路を構成している。このＬＣ共振回路の共振周波数帯は、通信に利用される周波数帯である。例えばＮＦＣの場合、13.56MHzまたはその近傍の周波数である。

インダクタＬ２は通信相手側のコイルアンテナを集中定数回路として表した素子である。インダクタＬ２にはリーダ・ライター回路が接続されている。ＲＦＩＤタグ１０１の導体コイル４によるインダクタＬ１と通信相手側アンテナのインダクタＬ２とは磁界結合する。

次に、本実施形態のＲＦＩＤタグ１０１の製造方法の一例を示す。図４は集合基板１Ｍの各回路形成領域にそれぞれ導体パターンが形成され、電子部品１３が実装され、集合基板１Ｍの全体が樹脂層２で被覆された状態での部分平面図である。集合基板１Ｍは図２に示した回路基板１（個片）への分離前の状態である。

ＲＦＩＤタグ１０１は次の手順で製造する。

（１）先ず、図４に示す集合基板１Ｍの各回路形成領域に導体パターンを形成し、各回路形成領域に電子部品１３を実装する。

（２）集合基板１Ｍの電子部品実装面に、例えばエポキシ樹脂等の封止樹脂を塗布することで樹脂層２を形成する。また、真空脱泡することで、集合基板１Ｍと電子部品１３との間（電子部品の下面の間隙）にアンダーフィルを形成する。

（３）上記樹脂層２を加熱硬化させる。

（４）集合基板１Ｍを、ダイサーで切削し、個片に分割する。これにより、複数の積層体１２３を得る。図４において縦横に延びる破線はダイサーによる切削線である。

（５）コイル巻回マシンを用いて、各積層体１２３に絶縁被覆Ｃｕ線を巻回することによって、導体コイル４を形成する。このコイル巻回マシンには、チップ状の巻線インダクタを製造する巻回マシンを利用できる。

（６）その後、必要に応じて、図１に示したＲＦＩＤタグ１０１を液状樹脂に浸漬し、引き上げ、加熱硬化させることによって、ＲＦＩＤタグ１０１の周囲に樹脂コーティングを施す。

以上の手順によってＲＦＩＤタグ１０１を製造する。なお、完成したＲＦＩＤタグ１０１は、例えば玩具等の物品に装着する。物品が樹脂成形品である場合には、樹脂の射出成型時に、その樹脂中にＲＦＩＤタグ１０１が埋設されるようにＲＦＩＤタグ１０１を物品に一体化させる。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、樹脂層の構成が第１の実施形態とは異なる例を示す。

図５（Ａ）は第２の実施形態に係るコイルモジュールの一例としてのＲＦＩＤタグ１０２の斜視図である。図５（Ｂ）は、ＲＦＩＤタグ１０２が備える回路基板１の平面図である。図５（Ｃ）はＲＦＩＤタグ１０２の側面図である。

図５（Ａ）（Ｃ）に表れているように、ＲＦＩＤタグ１０２は、回路基板１および樹脂層２を備える。回路基板１、導体コイル４の基本構成は第１の実施形態で示したＲＦＩＤタグ１０１と同様であるが、本実施形態では、回路基板１と樹脂層２とによる積層体は正四角柱状である。また、この積層体の長手方向寸法は、高さ寸法または幅寸法の３倍以上であり、マッチ棒の軸のような形態ということもできる。そのため、導体コイル４を巻回しない領域（非巻回領域）がコイル軸方向に長い。ＲＦＩＤタグ１０２の外形サイズは例えば４ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍである。

本実施形態によれば、上記非巻回領域がコイル軸方向に長いので、コイル巻回マシンが積層体をチャッキングし易い。また、積層体は正四角柱状であるので、導体コイル４の巻回時の振動が抑えられ、その分、高速巻回が可能となる。

なお、コイルマシンによる導体コイルの巻回工程の後、上記積層体の両端部の、電磁気的に不要な部分を切断して短縮化してもよい。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では、回路基板を備えないＲＦＩＤタグの例を示す。

図６は第３の実施形態に係るコイルモジュールの一例としてのＲＦＩＤタグ１０３の四面図である。図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はＲＦＩＤタグ１０３の製造途中の状態を示す図である。

図６に表れているように、ＲＦＩＤタグ１０３は、樹脂層２と、この樹脂層２の内部に埋設された電子部品１３を備える。樹脂層２の周囲には、樹脂層２の周囲に導体コイル４が巻回されている。樹脂層２の底面には端子１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄが露出していて、導体コイル４は端子１４Ａ，１４Ｂに接続されている。端子１４Ｃ，１４Ｄは、後述する製造工程上生じるダミー端子である。

樹脂層２内に電子部品１３を埋設する方法は次のとおりである。

（１）先ず、図７（Ａ）に示すように、基材１０にはんだバンプＳＢを介して電子部品１３を実装する。

（２）次に、基材１０の電子部品実装面にエポキシ樹脂等を塗布し、硬化させることで、樹脂被覆体を構成する。

（３）その後、上記樹脂被覆体を、図７（Ｂ）に示す研削面ＧＳまで研削することで、図７（Ｃ）に示す状態とする。これにより、はんだバンプＳＢが露出し、この露出部が前述の端子１４Ａ〜１４Ｄとして用いられる。

なお、樹脂層２の天面ＴＳを研削することで、樹脂層２の厚み寸法を高精度化してもよい。

上述の各工程は集合基板状態で処理され、最終工程でダイサーで切削されることにより、図７（Ｃ）に示した個片に分割される。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では、樹脂層の外面に導体コイルの始点と終点を設けたＲＦＩＤタグの例を示す。

図８は第４の実施形態に係るコイルモジュールの一例としてのＲＦＩＤタグ１０４の三面図である。

図８に表れているように、ＲＦＩＤタグ１０４は、回路基板１および樹脂層２を備える。回路基板１はその上面にのみ導体パターンが形成されている。回路基板１の上面には電子部品１３および柱状導体１５Ａ，１５Ｂが実装されている、電子部品１３と柱状導体１５Ａ，１５Ｂは配線導体１１Ａ，１１Ｂを介して接続されている。

柱状導体１５Ａ，１５Ｂは樹脂層２の上面に露出している。導体コイル４は柱状導体１５Ａ，１５Ｂの露出部にそれぞれ接続されている。

本実施形態によれば、回路基板にスルーホールを形成する必要が無く、製造コストが低減される。

なお、柱状導体１５Ａ，１５Ｂとしては、例えば、導体ピンを用いることができる。導体ピンを用いる方法以外に、樹脂層２にレーザー加工によりホールを形成し、その内面に導体膜をめっきする方法や、ホールの内部に導電性部材を注入する方法で、このホールを柱状導体として作用させてもよい。

《その他の実施形態》
以上に示した各実施形態では、ポリウレタン被膜の導体コイルを用いる例を示したが、樹脂の射出成型等、物品への埋設時に加わる温度に応じて、上記導体コイルは例えばポリエステル、ポリイミド、ポリアミド等で被覆された導体線のコイルであってもよい。

コイルモジュールの使用周波数帯がＨＦ帯以下であれば、磁気損失は少ないので、回路基板１の基材の一部または全部は磁性体であってもよい。磁性体であれば、回路基板１が磁性体コアとして作用するので、実効的なコイル開口が大きくなる。

また、以上に示した例では、コイル導体を単層巻きした例を挙げたが、複数層に重ね巻きすることも可能であり、そのことで、小型でありながら所定の高いインダクタンスを有するコイルアンテナが構成できる。

さらに、以上に示した実施形態ではＲＦＩＤタグを例に挙げたが、実効的なコイル開口が大きなコイルを有するコイルモジュールに同様に適用できる。例えばコイルアンテナとそのコイルアンテナに接続される高周波回路を備える通信モジュールにも適用できる。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ…キャパシタ
ＧＳ…研削面
Ｌ１，Ｌ２…インダクタ
ＳＢ…はんだバンプ
Ｓ１…第１面
Ｓ２…第２面
ＳＳ…側面
ＴＳ…天面
１…回路基板
１Ｍ…集合基板
２…樹脂層
４…導体コイル
１０…基材
１１Ａ，１１Ｂ…配線導体
１２Ａ，１２Ｂ…端子電極
１３…電子部品
１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ…端子
１５Ａ，１５Ｂ…柱状導体
９１…ＲＦＩＤタグ
９２…コイル
９３…絶縁物
９４…金属板
９６…コンデンサ
９７…ＩＣ
１０１〜１０４…ＲＦＩＤタグ（コイルモジュール）
１２３…積層体

Claims

導体パターンが形成された回路基板と、
前記回路基板に実装され、前記導体パターンとでモジュール用回路を構成する電子部品と、
前記電子部品を前記回路基板上で封止し、前記回路基板とともに積層体を形成する樹脂層と、
前記積層体の周囲に巻回され、前記モジュール用回路に接続された導体コイルと、
を備える、コイルモジュール。
前記樹脂層は前記回路基板に平行な天面および前記回路基板に垂直な側面を有し、
前記導体コイルは前記樹脂層の前記天面および前記側面に接する、請求項１に記載のコイルモジュール。
前記樹脂層の前記天面は、前記電子部品が実装された前記回路基板の面と略同形状である、請求項２に記載のコイルモジュール。
前記電子部品は前記回路基板の第１面に実装され、
前記導体パターンは、前記回路基板の第２面に形成された端子電極を含み、
前記導体コイルの両端は前記端子電極に接続される、請求項１から３のいずれかに記載のコイルモジュール。
端子を有する電子部品と、
前記電子部品の前記端子を露出させた状態で前記電子部品を封止する樹脂層と、
前記樹脂層の周囲に巻回され、前記電子部品の前記端子に接続された導体コイルと、
を備える、コイルモジュール。
前記電子部品は第１主面および当該第１主面に対向する第２主面を有する直方体状であり、
前記樹脂層は前記電子部品の前記第１主面に平行な天面および底面、前記天面および前記底面を接続する二つの側面を有し、
前記導体コイルは前記樹脂層の前記天面、前記底面および前記二つの側面に接する、請求項５に記載のコイルモジュール。
前記導体コイルは絶縁皮膜を有するCu線である、請求項１から６のいずれかに記載のコイルモジュール。
前記導体コイルでコイルアンテナが構成され、前記電子部品は前記コイルアンテナに接続されるＲＦＩＤ用ＩＣを含む、請求項１から７のいずれかに記載のコイルモジュール。