JP7156815B2

JP7156815B2 - アンテナ及び半導体装置

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Publication number: JP7156815B2
Application number: JP2018088761A
Authority: JP
Inventors: 茂樹山内; 福朗越地
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2022-10-19
Anticipated expiration: 2038-05-02
Also published as: US20190341697A1; CN110444529A; JP2019195142A; US11011846B2

Description

本発明は、アンテナ及び半導体装置に関する。

アンテナを有する半導体装置に関する技術として、例えば、以下の技術が知られている。

例えば、特許文献１には、外部の基板との信号の送受信に係る無線通信のためのアンテナを有し、アンテナがシリコン層とはんだバンプとの間に配置された再配線層の配線として形成されたＣＳＰ（Chip Size Package）が記載されている。

また、特許文献２には、シリコン基板の第１面上に配線層が積層され、少なくとも１つの周波数変換部を含む少なくとも１つの半導体チップと、半導体チップを囲んで配置された絶縁層と、絶縁層の第１面上及び配線層の第１面上に積層される再配線層と、配線層の第１面上に導体パターンにより形成され、周波数変換部と接続する少なくとも１つの第１アンテナ素子と、絶縁層の第１面上に積層された再配線層の第１面上に導体パターンにより形成され、周波数変換部と接続する少なくとも１つの第２アンテナ素子と、を具備する、アンテナ一体型モジュールが記載されている。

特開２０１４－１７０８１１号公報特開２０１６－１６３２１６号公報

近年の無線通信システムは、データ転送量の増加により、そのデータ転送に広い周波数帯域を必要とする。そのため広帯域の周波数の割り当てが可能な、比較的空いている高周波数帯域（例えば１０ＧＨｚ以上）にシステム周波数が割り当てられるケースが増えている。また、近年の電子機器においては、小型化のニーズが高まり、更なる小型化が望まれている。

しかしながら、無線通信システムに用いられるアンテナは、一般的に、そのサイズが小さくなる程、利得が小さくなる。すなわち、アンテナの利得を確保しつつ、アンテナのサイズを小さくすることは、困難であった。

本発明は、アンテナの利得と、アンテナのサイズとの間のトレードオフの関係を改善することができるアンテナ及び半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係るアンテナは、一対の差動信号の一方が入力される給電点を有する第１の導体部と、前記一対の差動信号の他方が入力される給電点を有し、前記第１の導体部との間に間隙を隔てて設けられた第２の導体部と、前記第１の導体部と前記第２の導体部とを接続する第３の導体部と、を含み、前記間隙は、その幅が、前記第３の導体部から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する。

本発明に係る他のアンテナは、第１のアンテナ部と、第２のアンテナ部とを含み、前記第１のアンテナ部は、一対の差動信号の一方が入力される給電点を有する第１の導体部と、前記一対の差動信号の他方が入力される給電点を有し、前記第１の導体部との間に間隙を隔てて設けられた第２の導体部と、前記第１の導体部と前記第２の導体部とを接続する第３の導体部と、を含み、前記間隙は、その幅が、前記第３の導体部から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する。

本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられた配線層と、前記配線層の表面に絶縁体層を介して設けられた再配線層と、前記再配線層に設けられたアンテナと、を含み、前記アンテナは、一対の差動信号の一方が入力される給電点を有する第１の導体部と、前記一対の差動信号の他方が入力される給電点を有し、前記第１の導体部との間に間隙を隔てて設けられた第２の導体部と、前記第１の導体部と前記第２の導体部とを接続する第３の導体部と、を含み、前記間隙は、その幅が、前記第３の導体部から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する。

本発明に係る他の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられた配線層と、前記配線層の表面に第１の絶縁体層を介して設けられた第１の再配線層と、前記第１の再配線層の表面に第２の絶縁体層を介して設けられた第２の再配線層と、前記第１の再配線層に設けられた第１のアンテナ部と、前記第２の再配線層において、前記第１のアンテナ部と重なる位置に設けられた第２のアンテナ部と、を含む。

本発明によれば、アンテナの利得と、アンテナのサイズとの間のトレードオフの関係を改善することができるアンテナ及び半導体装置が提供される。

本発明の実施形態に係るアンテナの構成の一例を示す平面図である。本発明の実施形態に係るアンテナの構成の一例を示す平面図である。図１Ａにおける２Ａ－２Ａ線に沿った断面図である。図１Ｂにおける２Ｂ－２Ｂ線に沿った断面図である。本発明の実施形態に係るアンテナにおけるＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。図４Ｂに示す放射パターンを取得する際のアンテナの向きを示す図である。本発明の実施形態に係るアンテナの放射パターンの一例を示す図である。一般的なアンテナにおける、アンテナサイズ（最大外形寸法）と相対利得との関係の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図である。図６における７－７線に沿った断面図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図である。図８における９－９線に沿った断面図である。本発明の実施形態に係る半導体装置に接続回路を接続した状態を示す図である。本発明の実施形態に係るアンテナの構成の一例を示す平面図である。図１１における１２－１２線に沿った断面図である。本発明の実施形態に係る第１のアンテナ部の構成の一例を示す平面図である。本発明の実施形態に係る第２のアンテナ部の構成の一例を示す平面図である。本発明の実施形態に係る第１のアンテナ部単体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る第２のアンテナ部単体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る第１のアンテナ部及び第２のアンテナ部を含むアンテナ全体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図である。図１５における１６－１６線に沿った断面図である。本発明の実施形態に係る第１のアンテナ部と第２のアンテナ部とを同一の再配線層に並置した場合の構成の一例を示す図である。本発明の実施形態に係るアンテナの構成の一例を示す平面図である。図１８における１９－１９線に沿った断面図である。本発明の実施形態に係る第１のアンテナ部の構成の一例を示す平面図である。本発明の実施形態に係る第２のアンテナ部の構成の一例を示す平面図である。本発明の実施形態に係る第１のアンテナ部単体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る第２のアンテナ部単体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る第１のアンテナ部及び第２のアンテナ部を含むアンテナ全体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、各図面において、実質的に同一又は等価な構成要素又は部分には同一の参照符号を付している。

［第１の実施形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ１の構成の一例を示す平面図である。図２Ａは、図１Ａにおける２Ａ－２Ａ線に沿った断面図である。

アンテナ１は、第１の導体部１１、第２の導体部１２、及び第３の導体部１３を含んで構成されている。第１の導体部１１、第２の導体部１２、及び第３の導体部１３は、例えば、金、銀、銅及びアルミニウム等の導電体からなる薄膜によって構成されていてもよい。

第１の導体部１１は、信号配線２０ａを介して一対の差動信号のうちの一方が入力される給電点２１ａを有する。同様に、第２の導体部１２は、信号配線２０ｂを介して一対の差動信号のうちの他方が入力される給電点２１ｂを有する。アンテナ１は、第１の信号配線２０ａ及び第２の信号配線２０ｂを介して供給される差動信号を受けて、外部に電波を放射する機能及び外部から到来する電波を受信する機能を有する。図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ１の構成の他の例を示す平面図である。図２Ｂは、図１Ｂにおける２Ｂ－２Ｂ線に沿った断面図である。図１Ｂ及び図２Ｂに示すように、半導体基板２４に形成されたチップ電極２３ａ、２３ｂとアンテナ１とを直接接続し、チップ電極２３ａ、２３ｂとアンテナ１との接続部を、アンテナ１の給電点２１ａ、２１ｂとしてもよい。

第２の導体部１２は、第１の導体部１１との間に間隙３０を隔てて設けられている。第３の導体部１３は、第１の導体部１１と第２の導体部１２とを接続する。すなわち、アンテナ１は、第１の導体部１１、第２の導体部１２及び第３の導体部１３が、一体的に構成された、一体的な形態を有する。

第１の導体部１１と第２の導体部１２の間に設けられた間隙３０は、その幅が、第３の導体部１３から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する。第１の導体部１１、第２の導体部１２、第３の導体部１３を含むアンテナ１全体の外形は、第３の導体部１３を通過する直線Ｓを対称軸とする線対称形状である。

本実施形態において、第１の導体部１１及び第２の導体部１２の外形は、それぞれ、台形であり、図１Ａに示す配置において互いに左右反転の関係にある。第１の導体部１１の辺ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は、それぞれ、第２の導体部１２の辺ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２に対応しており、対応する辺同士が同じ長さである。

辺ｂ１、辺ｄ１、辺ｂ２及び辺ｄ２は、互いに平行であり且つ辺ａ１及び辺ａ２に対して垂直である。辺ａ１、辺ａ２及び第３の導体部１３の辺ｅは、同一直線上に設けられている。辺ｃ１は、辺ｂ１及び辺ｄ１に対して傾斜している。同様に、辺ｃ２は、辺ｂ２及び辺ｄ２に対して傾斜している。辺ｂ１と辺ｃ１のなす角θ１は鋭角とされ、同様に、辺ｂ２と辺ｃ２とのなす角θ２は鋭角とされている。

第３の導体部１３は、辺ｄ１及び辺ｄ２の端部において、第１の導体部１１及び第２の導体部１２にそれぞれ接続されている。第１の導体部１１と第２の導体部１２の間に設けられた間隙３０は、互いに平行な辺ｄ１と辺ｄ２の間に挟まれた第１の部分３０ａと、傾斜した辺ｃ１と辺ｃ２の間に挟まれた第２の部分３０ｂとを含む。

信号配線２０ａ及び２０ｂは、アンテナ１が設けられている層とは異なる層に設けられており、ビア２２ａ及び２２ｂ等の層間接続手段を用いて、アンテナ１に電気的に接続されている。アンテナ１とビア２２ａ及び２２ｂとの各接続部が、アンテナ１の給電点２１ａ、２１ｂとされる。

上記の構成を有するアンテナ１によれば、そのサイズを調整することで、放射周波数を調整することが可能である。すなわち、アンテナ１は、そのサイズによって周波数特性を変更することが可能である。図３は、辺ａ１、辺ａ２及び辺ｅからなる辺の長さＬ１、辺ｂ１及び辺ｂ２の長さＬ２を、それぞれ３ｍｍとしたときのＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。すなわち、図３に示すグラフは、アンテナ１における反射ロスの周波数特性を示している。アンテナ１によれば、Ｌ１及びＬ２を、それぞれ３ｍｍとすることで、１２ＧＨｚ付近の周波数を有する信号伝送に適したアンテナを構成することが可能となる。アンテナ１によれば、Ｌ１及びＬ２をそれぞれ小さくすることで、高効率で放射できる周波数を高周波側にシフトさせることができ、Ｌ１及びＬ２をそれぞれ大きくことで、高効率で放射できる周波数を低周波側にシフトさせることができる。

図４Ｂは、Ｌ１及びＬ２を、それぞれ３ｍｍとし、アンテナ１に１２ＧＨｚの差動信号を入力したときの、図４Ａに示す円周上における、アンテナ１の放射パターンの一例を示す図である。図４Ｂに示すように、アンテナ１は、９０°方向及び２７０°方向の指向性を持ち、絶対利得は、約１ｄＢｉであった。

アンテナは、一般に、そのサイズが小さくなる程、利得が小さくなることが知られている。「小型・薄型アンテナと無線通信システム」（進士正明電子情報通信学会論文誌(B), Vol.71-b,NO.11）によれば、実用化されているアンテナの最大外形寸法Ｌと、当該アンテナの相対利得Ｇ［ｄＢｄ］との間には、下記の（１）式によって示される関係があることが記載されている。なお、λは、信号波長である。
Ｇ＝８ｌｏｇ（２Ｌ／λ）・・・（１）
図５は、上記の（１）式に基づいて作成した、一般的なアンテナにおける、アンテナサイズ（最大外形寸法）と相対利得との関係の一例を示すグラフである。なお、周波数１２ＧＨｚの信号伝送を行う場合を想定し、波長λを０．０２ｍとした。

図５には、本発明の実施例に係るアンテナ１（Ｌ１＝Ｌ２＝３ｍｍ）における相対利得（－１．１５ｄＢｄ）をプロットした。なお、相対利得は、絶対利得から２．１５ｄＢだけ差し引いたものに相当する。（１）式に基づく、一般的なアンテナによれば、アンテナサイズを３ｍｍとした場合の相対利得は、－４．９５ｄＢｄである。一方、本発明の実施形態に係るアンテナ１によれば、アンテナサイズを３ｍｍとした場合の相対利得は、－１．１５ｄＢｄであり、一般的なアンテナと比較して、顕著に高い利得を得ることができた。すなわち、本発明の実施形態に係るアンテナ１によれば、信号波長λの８分の１に相当する３ｍｍというアンテナサイズであっても、８７．２％という高い放射効率を得ることができた。このように、本実施形態に係るアンテナ１によれば、アンテナの利得と、アンテナのサイズとの間のトレードオフの関係を改善することが可能となる。

更に、アンテナ１によれば、給電点２１ａ及び２１ｂの位置を変えることにより、アンテナ１のインピーダンスを変化させることできる。すなわち、給電点２１ａ及び２１ｂの位置の調整により、信号配線２０ａ、２０ｂとの間で、インピーダンスを整合させることが可能となる。

なお、本実施形態では、第１の導体部１１及び第２の導体部１２の外形を、複数の辺を含む多角形形状とする場合を例示したが、この態様に限定されるものではない。第１の導体部１１及び第２の導体部１２の外縁の一部または全部が、曲線状であってもよく、また、蛇行していてもよい。また、第１の導体部１１と第２の導体部１２の間に設けられた間隙３０の幅寸法は、第３の導体部１３から離間する方向に沿って、単調に増加していなくてもよく、段階的に増加していてもよい。

［第２の実施形態］
図６は、上記の第１の実施形態に係るアンテナ１を搭載した、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置１００の構成の一例を示す平面図である。図７は、図６における７－７線に沿った断面図である。

半導体装置１００は、シリコン等の半導体を含んで構成される半導体基板１１０を有する。半導体装置１００は、パッケージの形態が、ＷＬ－ＣＳＰ（Wafer level Chip Size Package）の形態を有する。すなわち、半導体装置１００は、パッケージの平面サイズが、半導体基板１１０の平面サイズと略同じである。半導体装置１００は、再配線１３０が設けられた再配線層Ｗ１と、再配線１３１が設けられた再配線層Ｗ２とを有する。

半導体基板１１０には、信号入出力回路２００が設けられている。信号入出力回路２００によって生成された一対の差動信号は、チップ電極１１３及び信号配線２０ａ、２０ｂを介してアンテナ１に入力され、アンテナ１から放射される。また、外部から到来する電波は、アンテナ１によって受信され、該電波に基づく信号が、信号配線２０ａ、２０ｂを介して信号入出力回路２００に入力される。

半導体基板１１０の表面はＳｉＯ_２等の絶縁体からなる層間絶縁膜１１１で覆われている。層間絶縁膜１１１の表面には、半導体基板１１０に形成された信号入出力回路２００等の機能回路に接続されたチップ電極１１３及びチップ電極１１３の表面を部分的に露出させる開口部を有するパッシベーション膜（保護膜）１１２が設けられている。

パッシベーション膜１１２の表面は、ポリイミドまたはＰＢＯ（ポリベンゾオキサゾール）等の感光性有機系絶縁部材で構成される、厚さ５μｍ程度の絶縁膜１２１で覆われている。絶縁膜１２１には、チップ電極１１３の表面を部分的に露出させる開口部が設けられている。

絶縁膜１２１の表面には、ＵＢＭ（Under Bump Metallurgy）膜１２５を介して厚さ５μｍ程度の再配線１３０が設けられている。再配線１３０によって、信号配線２０ａ、２０ｂが構成されている。すなわち、信号配線２０ａ、２０ｂは、再配線層Ｗ１に設けられている。

ＵＢＭ膜１２５は、例えば、Ｔｉ膜及びＣｕ膜を含む積層膜によって構成されている。Ｔｉ膜は、絶縁膜１２１と再配線１３０との密着性を高めるための密着層として機能する。Ｃｕ膜は、再配線１３０を電解めっき法によって形成するためのシード層として機能する。再配線１３０は、例えばＣｕ等の導電体によって構成され、絶縁膜１２１の開口部において、ＵＢＭ膜１２５を介してチップ電極１１３に接続されている。すなわち、信号入出力回路２００は、チップ電極１１３を介して信号配線２０ａ、２０ｂを構成する再配線１３０に接続されている。

絶縁膜１２１及び再配線１３０の表面は、ポリイミドまたはＰＢＯ等の感光性有機系絶縁部材で構成される、絶縁膜１２２で覆われている。絶縁膜１２２の再配線１３０を覆う部分の厚さは、例えば５μｍ程度である。

絶縁膜１２２の表面には、ＵＢＭ膜１２６を介して厚さ５μｍ程度の再配線１３１が設けられている。再配線１３１によって、アンテナ１（第１の導体部１１、第２の導体部１２、第３の導体部１３（図１Ａ参照））が構成されている。すなわち、アンテナ１は、再配線層Ｗ２に設けられている。アンテナ１と信号配線２０ａとは、ビア２２ａを介して接続されている。アンテナ１とビア２２ａとの接続部が、アンテナ１の給電点２１ａ（図６参照）とされる。図７には図示されていないが、再配線層Ｗ１には、信号配線２０ｂを構成する再配線が設けられ、この再配線も、ビアを介してアンテナ１に接続されている。アンテナ１とこのビア（図示せず）との接続部が、アンテナ１の給電点２１ｂ（図６参照）とされる。

また、再配線層Ｗ１には、チップ電極１１３を介して、所定の機能を有する機能回路（図示）に接続された信号配線２０ｃを構成する再配線１３０が設けられている。更に、再配線層Ｗ２には、ビア２２ｅを介して信号配線２０ｃに接続された、ランド１４０を構成する再配線１３１が設けられている。

ランド１４０には、Ｃｕ等の導電体からなるポスト１４１が接続されている。絶縁膜１２２及び再配線１３１の表面は、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料で構成される、厚さ９０μｍ程度の封止樹脂１６０によって覆われている。ポスト１４１は、封止樹脂１６０の内部に埋め込まれている。封止樹脂１６０の表面から露出したポスト１４１の上端部には、外部接続端子１５０が設けられている。外部接続端子１５０は、例えばＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ半田を含んで構成される半田ボールの形態を有していてもよい。

本実施形態に係る半導体装置１００によれば、信号入出力回路２００とアンテナ１とが、単一の半導体パッケージに収容される。仮に、アンテナ１を外付けにした場合には、アンテナ１と信号入出力回路２００との接続部において信号振幅の減衰が大きくなる。信号振幅の減衰は、１０ＧＨｚを超える高周波域においてより顕著となる。本実施形態に係る半導体装置１００によれば、信号入出力回路２００とアンテナ１とが、単一の半導体パッケージに収容されるので、アンテナ１を外付けにした場合と比較して、信号振幅の減衰を抑制することができる。更に、アンテナ１を外付けにした場合と比較して、半導体装置１００を含む電子機器の小型化を実現することができる。

半導体装置１００内に収容されるアンテナ１は、ミリオーダのサイズで形成されることが想定される。本実施形態に係るアンテナ１によれば、上記したように、アンテナの利得とアンテナのサイズとの間のトレードオフの関係を改善することができるので、アンテナ１は、半導体パッケージに収容可能な超小型アンテナとして好適に用いることができる。

なお、アンテナ１の更なる小型化を図る手法として、封止樹脂１６０の厚さを厚くすることが挙げられる。これにより、パッケージの誘電率を高くすることができ、その結果、アンテナ１から放射される信号の波長を短くすることができる。所望の利得を得るためのアンテナのサイズは、信号の波長に依存するので、信号の波長を短くすることで、アンテナのサイズを小さくすることができる。

［第３の実施形態］
図８は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置１００Ａの構成の一例を示す平面図である。図９は、図８における９－９線に沿った断面図である。半導体装置１００Ａは、信号入出力回路２００とアンテナ１とが非接続とされている点が、上記した第２の実施形態に係る半導体装置１００と異なる。半導体装置１００Ａは、アンテナ１に接続された外部接続端子１５１及び信号入出力回路２００に接続された外部接続端子１５２を有する。外部接続端子１５１は、ポスト１４２を介して、アンテナ１を構成する再配線１３１に接続されている。アンテナ１とポスト１４２との接続部が、アンテナ１の給電点とされる。

アンテナ１と信号入出力回路２００との接続は、例えば、図１０に示すように、半導体装置１００Ａの外部に設けられた接続回路３００を用いて行われる。接続回路３００は、例えば、半導体装置１００Ａが搭載された配線基板（図示せず）上に設けられていてもよい。接続回路３００は、そのインピーダンスを、アンテナ１及び信号入出力回路２００のインピーダンスに整合させるためのインダクタ３０１及びキャパシタ３０２等の受動素子を含んでいてもよい。

このように、信号入出力回路２００及びアンテナ１を半導体装置１００Ａの内部において非接続とすると共に、アンテナ１及び信号入出力回路２００にそれぞれ接続された外部接続端子１５１及び１５２を設けることで、アンテナ１と信号入出力回路２００とを接続する接続回路３００を、半導体装置１００Ａの外部に設けることができる。接続回路３００を、半導体装置１００Ａの外部に設けることで、接続回路３００のインピーダンスの調整を柔軟に行うことが可能となる。

また、本実施形態に係る半導体装置１００Ａによれば、アンテナ１が外部接続端子１５１を有するので、半導体装置１００Ａの外部に設けられた信号入出力回路とアンテナ１とを接続することが可能となる。

［第４の実施形態］
図１１は、本発明の第４の実施形態に係るアンテナ１Ａの構成の一例を示す平面図である。図１２は、図１１における１２－１２線に沿った断面図である。アンテナ１Ａは、第１のアンテナ部５１と、第１のアンテナ部５１に積層された第２のアンテナ部５２とを含んで構成されている。第２のアンテナ部５２は、第１のアンテナ部５１と重なる位置に設けられている。

図１３Ａは、第１のアンテナ部５１の構成の一例を示す平面図である。図１３Ｂは、第２のアンテナ部５２の構成の一例を示す平面図である。第１のアンテナ部５１は、上記した第１の実施形態に係るアンテナ１（図１Ａ、図２Ａ参照）と同様の構成を有する。すなわち、第１のアンテナ部５１は、差動信号の一方が入力される給電点２１ａを有する第１の導体部１１と、差動信号の他方が入力される給電点２１ｂを有し、第２の導体部１２との間に間隙３０を隔てて設けられた第２の導体部１２と、第１の導体部１１と第２の導体部１２とを接続する第３の導体部１３と、を含む。間隙３０は、その幅が、第３の導体部１３から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する。

第２のアンテナ部５２は、第１のアンテナ部５１の外形と類似の外形を有し、且つ第１のアンテナ部５１よりも小さいサイズを有する。なお、「第２のアンテナ部５２が、第１のアンテナ部５１の外形と類似の外形を有する」とは、第２のアンテナ部５２が、第１のアンテナ部５１の外形と相似または相似に近い外形を有し、サイズ以外に両者に顕著な差異がないことを意味する。

第２のアンテナ部５２は、差動信号の一方が入力される給電点２１ｃを有する第４の導体部１４と、差動信号の他方が入力される給電点２１ｄを有し、第４の導体部１４との間に間隙３１を隔てて設けられた第５の導体部１５と、第４の導体部１４と第５の導体部１５とを接続する第６の導体部１６と、を含む。間隙３１は、その幅が、第６の導体部１６から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する。

信号配線２０ａ及び２０ｂは、第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２が設けられている層とは異なる層に設けられており、ビア２２ａ、２２ｂ（図１２参照）等の層間接続手段を用いて、第１のアンテナ部５１に電気的に接続されている。第１のアンテナ部５１とビア２２ａ、２２ｂとの各接続部が第１のアンテナ部５１の給電点２１ａ、２１ｂとされる。第１のアンテナ部５１と第２のアンテナ部５２は、ビア２２ｃ、２２ｄ（図１２参照）等の層間接続手段を介して互いに接続されている。第２のアンテナ部５２とビア２２ｃ、２２ｄとの各接続部が第２のアンテナ部５２の給電点２１ｃ、２１ｄとされる。給電点２１ａと給電点２１ｃの位置関係及び給電点２１ｂと給電点２１ｄの位置関係をずらすことでアンテナ２のインピーダンスを変化させることできる。

本実施形態に係るアンテナ１Ａによれば、第１の実施形態に係るアンテナ１（図１Ａ、図２Ａ参照）と同様、アンテナの利得とアンテナのサイズとの間のトレードオフの関係を改善することが可能となる。

ここで、図１４Ａは、第１のアンテナ部５１単体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。図１４Ｂは、第２のアンテナ部５２単体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。図１４Ｃは、第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２を含むアンテナ１Ａ全体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。

図１４Ａに示すように、第１のアンテナ部５１における高効率で放射できる周波数域はｆ１付近である。第２のアンテナ部５２は、第１のアンテナ部５１の外形と類似の外形を有し、且つ第１のアンテナ部５１よりも小さいサイズを有するので、第２のアンテナ部５２における高効率で放射できる周波数域は、図１４Ｂに示すように、ｆ１よりも僅かに高いｆ２付近となる。従って、第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２を含むアンテナ１Ａ全体における高効率で放射できる周波数域は、図１４Ｃに示すように、ｆ１及びｆ２を含む周波数域となる。すなわち、アンテナ１Ａが、周波数特性が互いに僅かに異なる第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２を含んで構成されることで、第１のアンテナ部５１のみ、または第２のアンテナ部５２のみで構成される場合と比較して、ブロードな周波数特性を得ることができる。

［第５の実施形態］
図１５は、上記の第４の実施形態に係るアンテナ１Ａを搭載した、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置１００Ｂの構成の一例を示す平面図である。図１６は、図１５における１６－１６線に沿った断面図である。

半導体装置１００Ｂは、上記の第２の実施形態に係る半導体装置１００（図７参照）と同様、パッケージの形態が、ＷＬ－ＣＳＰの形態を有する。半導体基板１１０には、信号入出力回路２００が形成されている。半導体装置１００Ｂは、再配線層Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を有する。再配線層Ｗ１には、信号配線２０ａ、２０ｂ及び２０ｃを構成する再配線１３０が設けられている。再配線層Ｗ２には、第１のアンテナ部５１を構成する再配線１３１が設けられている。再配線層Ｗ３には、第２のアンテナ部５２及びランド１４０を構成する再配線１３２が設けられている。

再配線層Ｗ１と再配線層Ｗ２との間には、絶縁膜１２２が設けられ、信号配線２０ａ及び２０ｂと第１のアンテナ部５１とはビア２２ａ、２２ｂによって接続されている。第１のアンテナ部５１とビア２２ａ、２２ｂとの各接続部が、第１のアンテナ部５１の給電点２１ａ、２１ｂとされる。

再配線層Ｗ２と再配線層Ｗ３との間には、絶縁膜１２３が設けられ、第１のアンテナ部５１と第２のアンテナ部５２は、ビア２２ｃ、２２ｄによって接続されている。第２のアンテナ部５２とビア２２ｃ、２２ｄとの各接続部が第２のアンテナ部５２の給電点２１ｃ、２１ｄとされる。また、信号配線２０ｃとランド１４０は、ビア２２ｅによって接続されている。

ランド１４０には、Ｃｕ等の導電体からなるポスト１４１が接続されている。絶縁膜１２３及び再配線１３２の表面は、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料で構成される、厚さ９０μｍ程度の封止樹脂１６０によって覆われている。ポスト１４１は、封止樹脂１６０の内部に埋め込まれている。封止樹脂１６０の表面から露出したポスト１４１の上端部には、外部接続端子１５０が設けられている。外部接続端子１５０は、例えばＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ半田を含んで構成される半田ボールの形態を有していてもよい。

本実施形態に係る半導体装置１００Ｂによれば、信号入出力回路２００とアンテナ１Ａとが、単一の半導体パッケージに収容されるので、アンテナ１Ａを外付けにした場合と比較して、信号振幅の減衰を抑制することができる。更に、アンテナ１Ａを外付けにした場合と比較して、半導体装置１００Ｂを含む電子機器の小型化を実現することができる。

また、本実施形態に係る半導体装置１００Ｂによれば、第１のアンテナ部５１が再配線層Ｗ２に設けられ、第２のアンテナ部５２が再配線層Ｗ３に設けられている。更に、第２のアンテナ部５２が、第１のアンテナ部５１と重なる位置に設けられている。ここで、図１７は、第１のアンテナ部５１と第２のアンテナ部５２とを同一の再配線層に並置した場合の構成の一例を示す図である。この場合、図１７に示すように、信号配線２０ａを、信号配線２０ｂを跨ぐように配置するか、第１のアンテナ部５１に接続される信号配線と、第２のアンテナ部５２に接続される信号配線とを独立して設けることが必要となり、信号配線の配置の自由度が低くなる。

本実施形態に係る半導体装置１００Ｂによれば、第２のアンテナ部５２が、第１のアンテナ部５１が設けられた再配線層Ｗ２とは異なる再配線層Ｗ３おいて、第１のアンテナ部５１と重なる位置に設けられている。従って、第２のアンテナ部５２に接続されるべき信号配線を、第１のアンテナ部５１と第２のアンテナ部５２とを接続するビア２２ｃ、２２ｄ（図１２参照）によって構成することができるので、上記した、第１のアンテナ部５１と第２のアンテナ部５２とを同一の再配線層に並置した場合の問題の発生を回避することができる。

また、第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２を、それぞれ、互いに隣接した再配線層に配置することで、Ｓ１１パラメータの周波数特性において、図１４Ｃに示すような、ブロードな周波数特性を得ることができる。仮に、半導体基板１１０の表面側に設けられた再配線層に第１のアンテナ部５１を配置し、半導体基板１１０の裏面側に設けられた再配線層に第２のアンテナ部５２を配置した場合には、第１のアンテナ部５１と第２のアンテナ部５２との間に半導体基板１１０が介在することに起因して、両者の周波数特性を近接させることが困難となる。その結果、図１４Ｃに示すような、ブロードな周波数特性を得ることが困難となる。本実施形態に係る半導体装置１００Ｂによれば、第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２が、それぞれ、互いに隣接した再配線層に配置されているので、アンテナサイズの調整によって、両者の周波数特性を近接させることができ、Ｓ１１パラメータの周波数特性において、図１４Ｃに示すような、ブロードな周波数特性を得ることができる。

［第６の実施形態］
図１８は、本発明の第６の実施形態に係るアンテナ１Ｂの構成の一例を示す平面図である。図１９は、図１８における１９－１９線に沿った断面図である。アンテナ１Ｂは、第１のアンテナ部５１と、第１のアンテナ部５１に積層された第２のアンテナ部５２とを含んで構成されている。すなわち、第２のアンテナ部５２は、第１のアンテナ部５１と重なる位置に設けられている。

図２０Ａは、第１のアンテナ部５１の構成の一例を示す平面図である。図２０Ｂは、第２のアンテナ部５２の構成の一例を示す平面図である。第１のアンテナ部５１は、上記した第１の実施形態に係るアンテナ１と同様の構成を有する。すなわち、第１のアンテナ部５１は、差動信号の一方が入力される給電点２１ａを有する第１の導体部１１と、差動信号の他方が入力される給電点２１ｂを有し、第２の導体部１２との間に間隙３０を隔てて設けられた第２の導体部１２と、第１の導体部１１と第２の導体部１２とを接続する第３の導体部１３と、を含む。間隙３０は、その幅が、第３の導体部１３から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する。

第２のアンテナ部５２は、第１のアンテナ部５１の外形と非類似の外形を有し、且つ第１のアンテナ部５１よりも小さいサイズを有する。なお、「第２のアンテナ部５２が、第１のアンテナ部５１の外形と非類似の外形を有する」とは、第２のアンテナ部５２の外形が、第１のアンテナ部５２の外形とは顕著に異なっており、両者が合同または相似の関係にないことが一見して認識できることを意味する。

第２のアンテナ部５２は、差動信号の一方が入力される給電点２１ｃを有する第４の導体部１４と、差動信号の他方が入力される給電点２１ｄを有し、第４の導体部１４との間に間隙を隔てて設けられた第５の導体部１５と、を含む。すなわち、第２のアンテナ部５２は、互いに分離した２つの導体部によって構成されている。

信号配線２０ａ及び２０ｂは、第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２が設けられている層とは異なる層に設けられており、ビア２２ａ、２２ｂ等の層間接続手段を用いて、第１のアンテナ部５１に電気的に接続されている。第１のアンテナ部５１とビア２２ａ、２２ｂとの各接続部が第１のアンテナ部５１の給電点２１ａ、２１ｂとされる。第１のアンテナ部５１と第２のアンテナ部５２は、ビア２２ｃ、２２ｄ等の層間接続手段を介して互いに接続されている。第２のアンテナ部５２とビア２２ｃ、２２ｄとの各接続部が第２のアンテナ部５２の給電点２１ｃ、２１ｄとされる。

本実施形態に係るアンテナ１Ｂによれば、第１の実施形態に係るアンテナ１（図１Ａ、図２Ａ参照）と同様、アンテナの利得とアンテナのサイズとの間のトレードオフの関係を改善することが可能となる。

ここで、図２１Ａは、第１のアンテナ部５１単体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。図２１Ｂは、第２のアンテナ部５２単体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。図２１Ｃは、第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２を含むアンテナ１Ｂ全体のＳ１１パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。

図２１Ａに示すように、第１のアンテナ部５１における高効率で放射できる周波数域はｆ１付近である。第２のアンテナ部５２は、第１のアンテナ部５１の外形と非類似の外形を有し、且つ第１のアンテナ部５１よりも小さいサイズを有するので、第２のアンテナ部５２における高効率で放射できる周波数域は、ｆ１よりも顕著に高いｆ３付近となる。従って、第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２を含むアンテナ１Ｂ全体における高効率で放射できる周波数域は、図２１Ｃに示すようにｆ１付近及びｆ３付近を含む。すなわち、アンテナ１Ｂが、周波数特性が互いに顕著に異なる第１のアンテナ部５１及び第２のアンテナ部５２を含んで構成されることで、アンテナ１Ｂをマルチ周波数アンテナとして機能させることが可能となる。

なお、本実施形態に係るアンテナ１Ｂは、上記した第５の実施形態に係る半導体装置１００Ｂ（図１５、図１６）と同様の構成を有する半導体装置に搭載することが可能である。

以上の説明では、本発明の実施形態に係るアンテナ１、１Ａ、１Ｂを、半導体装置の再配線層に設ける場合を例示したが、この態様に限定されるものではない。本発明の実施形態に係るアンテナ１、１Ａ、１Ｂは、例えば、リジット基板、フレキシブル基板、ＢＧＡパッケージ用の配線基板の配線層に設けることも可能である。また、本発明の実施形態に係るアンテナ１、１Ａ、１Ｂを、再配線層に設けられたＵＢＭ膜で構成することも可能である。

１、１Ａ、１Ｂアンテナ
１１第１の導体部
１２第２の導体部
１３第３の導体部
１４第４の導体部
１５第５の導体部
１６第６の導体部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ信号配線
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ給電点
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅビア
３０間隙
３０ａ第１の部分
３０ｂ第２の部分
３１間隙
５１第１のアンテナ部
５２第２のアンテナ部
１００、１００Ａ、１００Ｂ半導体装置
１１０半導体基板
１３０、１３１、１３２再配線
１５０、１５１、１５２外部接続端子
１６０封止樹脂
２００信号入出力回路
３００接続回路
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３再配線層

Claims

一対の差動信号の一方が入力される給電点を有する第１の導体部と、
前記一対の差動信号の他方が入力される給電点を有し、前記第１の導体部との間に間隙を隔てて設けられた第２の導体部と、
前記第１の導体部と前記第２の導体部とを接続する第３の導体部と、
を含み、
前記間隙は、その幅が、前記第３の導体部から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する
アンテナ。
前記第１の導体部、前記第２の導体部及び前記第３の導体部の形状によって定まる外形が線対称である
請求項１に記載のアンテナ。
第１のアンテナ部と、第２のアンテナ部とを含み、
前記第１のアンテナ部は、
一対の差動信号の一方が入力される給電点を有する第１の導体部と、
前記一対の差動信号の他方が入力される給電点を有し、前記第１の導体部との間に間隙を隔てて設けられた第２の導体部と、
前記第１の導体部と前記第２の導体部とを接続する第３の導体部と、
を含み、
前記間隙は、その幅が、前記第３の導体部から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する
アンテナ。
前記第２のアンテナ部は、
前記一対の差動信号の一方が入力される給電点を有する第４の導体部と、
前記一対の差動信号の他方が入力される給電点を有し、前記第４の導体部との間に間隙を隔てて設けられた第５の導体部と、
前記第４の導体部と前記第５の導体部とを接続する第６の導体部と、
を含み、
前記第４の導体部と前記第５の導体部とを隔てる間隙は、その幅が、前記第６の導体部から離間する方向に沿って広くなっている部分を有し、
前記第１のアンテナ部とは異なるサイズを有する
請求項３に記載のアンテナ。
第２のアンテナ部は、前記第１のアンテナ部と類似の外形を有する
請求項３または請求項４に記載のアンテナ。
第２のアンテナ部は、前記第１のアンテナ部と非類似の外形を有する
請求項３に記載のアンテナ。
前記第１のアンテナ部の外形及び前記第２のアンテナ部の外形が、それぞれ、線対称である
請求項３から請求項６のいずれか１項に記載のアンテナ。
前記第２のアンテナ部は、前記第１のアンテナ部と重なる位置に設けられている
請求項３から請求項７のいずれか１項に記載のアンテナ。
前記第１の導体部、前記第２の導体部、及び前記第３の導体部は、同一平面上に設けられている、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のアンテナ。
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられた配線層と、
前記配線層の表面に絶縁体層を介して設けられた再配線層と、
前記再配線層に設けられたアンテナと、を含み、
前記アンテナは、
一対の差動信号の一方が入力される給電点を有する第１の導体部と、
前記一対の差動信号の他方が入力される給電点を有し、前記第１の導体部との間に間隙を隔てて設けられた第２の導体部と、
前記第１の導体部と前記第２の導体部とを接続する第３の導体部と、
を含み、
前記間隙は、その幅が、前記第３の導体部から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する
半導体装置。
前記給電点の各々に接続された外部接続端子を更に含む
請求項１０に記載の半導体装置。
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられた配線層と、
前記配線層の表面に第１の絶縁体層を介して設けられた第１の再配線層と、
前記第１の再配線層の表面に第２の絶縁体層を介して設けられた第２の再配線層と、
前記第１の再配線層に設けられた第１のアンテナ部と、
前記第２の再配線層において、前記第１のアンテナ部と重なる位置に設けられた第２のアンテナ部と、
を含む半導体装置。
前記第１のアンテナ部は、
一対の差動信号の一方が入力される給電点を有する第１の導体部と、
前記一対の差動信号の他方が入力される給電点を有し、前記第１の導体部との間に間隙を隔てて設けられた第２の導体部と、
前記第１の導体部と前記第２の導体部とを接続する第３の導体部と、
を含み、
前記間隙は、その幅が、前記第３の導体部から離間する方向に沿って広くなっている部分を有する
請求項１２に記載の半導体装置。
前記第２のアンテナ部は、
前記一対の差動信号の一方が入力される給電点を有する第４の導体部と、
前記一対の差動信号の他方が入力される給電点を有し、前記第４の導体部との間に間隙を隔てて設けられた第５の導体部と、
前記第４の導体部と前記第５の導体部とを接続する第６の導体部と、
を含み、
前記第４の導体部と前記第５の導体部とを隔てる間隙は、その幅が、前記第６の導体部から離間する方向に沿って広くなっている部分を有し、
前記第１のアンテナ部とは異なるサイズを有する
請求項１３に記載の半導体装置。
第２のアンテナ部は、前記第１のアンテナ部の外形と類似の外形を有する
請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
第２のアンテナ部は、前記第１のアンテナ部の外形と非類似の外形を有する
請求項１２または請求項１３に記載の半導体装置。
前記第１のアンテナ部の外形及び前記第２のアンテナ部の外形が、それぞれ、線対称である
請求項１３から請求項１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第１の導体部、前記第２の導体部、及び前記第３の導体部は、同一平面上に設けられている、
請求項１０または請求項１３に記載の半導体装置。