KR101006808B1 - 무선 ｉｃ 디바이스 - Google Patents

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KR101006808B1
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유야 도카이
노보루 카토
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

무선 IC 칩(1)과, 기능 기판(20)에 의해 전자결합 모듈을 구성하고, 그 전자결합모듈을 방사판(30)에 접착제(40)로 실장한다. 방사판(30)의 기재(31)의 상면에는 장척형상의 2개의 방사전극(32a, 32b)을 형성하고 있다. 기능 기판(20)의 저면부에는 방사전극(32a, 32b)의 내측 단부에 각각 대향하는 용량결합전극(24a, 24b)을 포함하며, 무선 IC 칩(1)과 방사전극(32a, 32b)의 임피던스 정합을 취하는 정합회로(23)를 구성하고 있다. 이 구성에 의해 전체 사이즈를 축소화함과 동시에 설계를 용이하게 하고 또한 저비용화를 도모한다.
무선 IC 칩, 방사판, 기능 기판, 리액턴스, 정합회로, 용량결합, 무선 IC 디바이스

Description

무선 ＩＣ 디바이스 {WIRELESS IC DEVICE}
이 발명은, 전자파에 의해 비접촉으로 데이터 통신을 행하는 RFID(Radio Frequency Identification) 시스템에 적용하는 무선 IC 디바이스에 관한 것이다.
최근, 물품 관리 시스템으로서, 유도 전자계를 발생하는 리더 라이터와 물품에 첨부된 소정의 정보를 기억한 무선 IC 디바이스로 비접촉 통신하여 정보를 전달하는 RFID 시스템이 이용되고 있다.
도 1은 그 특허문헌 1에 나타나 있는 IC 태그용 안테나에 IC 태그 라벨을 장착한 비접촉 IC 태그(RFID 태그)의 예를 나타내는 도면이다.
이 비접촉 IC 태그(T0)는, 유전체 기판(84)의 편면에 좌우 한쌍의 주 안테나 소자(81, 81)와 보조 안테나 소자(82)와 좌우 한쌍의 정합부(83, 83)가 형성되어 이루어진다.
주 안테나 소자(81, 81)는 도체선이 미안다 라인(meander line) 형상으로 형성된 미안다형 안테나로서, 유전체 기판(84)에 좌우 대칭으로 배치되어 있다. 주 안테나 소자(81, 81)는 유전체 기판(84)의 양단 에리어를 점유하고 있으며, 이들 좌우 한쌍의 주 안테나 소자(81, 81) 사이에 보조 안테나 소자(82)가 배치되어 있다.
정합부(83, 83)는 미안다 라인 형상으로 형성된 도체선(인덕터)이다. 정합부(83, 83)의 각 일단부는 각각 주 안테나 소자(81, 81)의 내측 단부에 접속되어 있으며, 이 정합부(83, 83)의 각 타단부에 무선 IC 칩(86)이 탑재되어 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2005-244778호 공보
그런데, 특허문헌 1의 비접촉 IC 태그에는 다음과 같은 문제점이 있다.
(a)정합부가 주 안테나와 동일 기판상에 인접해서 형성되어 있기 때문에, 무선 태그의 사이즈가 커진다.
(b)유전률이 높은 물품에 태그를 붙이면, 물품의 유전률의 영향을 받아 정합회로 부분의 주파수 특성이 변화하여 태그의 주파수 특성이 크게 변화되어 버린다. 또, 태그를 붙이는 물품이나 태그의 표면에 보호막 등을 피복한 경우에도 정합부의 임피던스가 벗어나기(deviate) 때문에, 무선 태그의 사용 상태에 맞춰서 설계할 필요가 있다.
(c)주 안테나 소자의 설계 자유도를 올리기 위해서 보조 안테나를 사용하고 있으므로, 태그의 사이즈가 커진다. 또, 정합 설계가 정합부에서만 행해지지 않으므로, 설계 파라미터가 늘어나서 설계가 복잡화된다.
(d)주 안테나 및 정합부를 배치한 큰 기판의 작은 실장전극에 IC 칩을 실장 할 필요가 있기 때문에 고정밀도의 실장기가 필요해지고, 또한, 실장위치맞춤에 시간이 필요해짐으로써 제작 시간이 길어지므로 태그의 비용이 높아진다.
(e)주 안테나와 IC 칩이 직류적으로 도통하도록 접속되어 있기 때문에, 주 안테나로부터 정전기가 유입한 경우에 무선 IC 칩이 파괴될 우려가 있다.
그래서, 이 발명의 목적은, 전체 사이즈를 축소화함과 함께 설계를 용이하게 하고, 또한 저비용화를 도모한 무선 IC 디바이스를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 이 발명의 무선 IC 디바이스는 다음과 같이 구성한다.
(1)무선 IC 칩과, 방사전극을 가지는 방사판과, 상기 방사전극과 결합하는 외부결합전극, 및 상기 무선 IC 칩과 상기 방사전극 사이의 임피던스 정합을 취하는 정합회로를 가지는 기능 기판을 구비한 무선 IC 디바이스로서,
무선 IC 칩과 기능 기판의 접속부에서 무선 IC 칩측을 본 임피던스의 리액턴스 성분과, 무선 IC 칩과 기능 기판의 접속부에서 방사전극측을 본 임피던스의 리액턴스 성분이 공역 관계가 되도록 기능 기판내의 정합회로를 정한다.
(2)상기 외부결합전극은 상기 방사전극과 전자계 결합하는 것으로 한다.
(3)상기 기능 기판은 전극 패턴을 형성한 유전체층을 적층한 다층 기판으로 구성한다.
(4)상기 방사전극은 장척형상이며, 상기 외부결합전극은, 상기 기능 기판을 구분하는 2개의 영역을 각각 점유하는 제1·제2의 외부결합전극으로 이루어지고, 방사전극의 2개의 단부를 제1·제2의 외부결합전극에 각각 결합시킨다.
(5)방사전극은 양단부가 서로 대향하는 루프형상을 이루며, 그 양단부 중 한쪽 단부에 상기 제1의 외부결합전극을 결합시키고, 다른쪽 단부에 상기 제2의 외부결합전극을 결합시킨다.
(6)상기 방사전극의 2개의 단부 근방끼리를 접속하는 정합용 전극과, 상기 방사전극의 2개의 단부에서 상기 정합용 전극에 접속되는 부분으로 보조 정합회로부를 구성한다.
(7)상기 인덕턴스 소자는 루프 형상을 이루며, 상기 루프 형상의 감김축은 상기 방사전극의 형성 영역과 교차하도록 형성되어 있는 청구항 1~6 중 어느 한 항에 기재된 무선 IC 디바이스.
(8)상기 외부결합전극은 상기 방사전극과 대향해서 당해 방사전극과 용량결합하는 용량결합전극으로 한다.
(9)상기 용량결합전극은 상기 방사판에 대향하는 상기 기능 기판의 면에 형성되고, 상기 방사전극은 상기 기능 기판에 대향하는 면에 형성되어, 상기 용량결합전극과 상기 방사전극이 대향한 상태로 방사판에 기능 기판을 접착한 구조로 한다.
(10)상기 기능 기판의 외부결합전극은 기능 기판의 상기 방사판에 대향하는 면 이외의 면으로까지 연장되어 형성된 것으로 한다.
(11)상기 외부결합전극은 상기 방사전극과 자계 결합하는 루프를 이루는 것으로 한다.
(12)상기 인덕턴스 소자 중 적어도 하나는 2개의 다른 선형상 전극을 각각 인접시킨 2중 나선형상을 이루며, 그들의 일단끼리를 전기적으로 접속한다.
(13)상기 방사전극은 상기 기능 기판의 상기 인덕턴스 소자와 전자계 결합하는 루프를 이루는 것으로 한다.
(14)상기 정합회로는 상기 기능 기판내에 구성된 소자와 상기 기능 기판상에 실장된 소자로 구성한다.
(15)상기 무선 IC 칩, 상기 기능 기판, 또는 상기 방사판 중 적어도 하나를 보호막으로 덮는다.
<발명의 효과>
이 발명에 의하면, 다음과 같은 효과를 가진다.
(1)소형의 기능 기판상에 무선 IC 칩을 탑재하게 되므로 종래의 IC 실장기 등을 사용할 수 있어, 실장 비용을 저감할 수 있다. 또, 사용하는 무선 IC 칩을 입출력 임피던스가 다른 것으로 변경해서 RFID의 주파수 특성이 바뀌어도, 기능 기판내의 정합회로의 설계를 변경하는 것만으로 되어, 설계 비용을 대폭 저감할 수 있다.
(2)무선 IC 칩 및 기능 기판이 방사전극으로부터 직류적으로 절연되므로, 무선 IC 칩 및 기능 기판이 정전 파괴되는 일 없이, 정전기에 대한 내성을 높일 수 있다.
(3)다층 기판내에 인덕턴스 소자 및/또는 커패시턴스 소자를 내장시킴으로써, 인덕턴스 값이나 커패시턴스 값이 안정되고, 보호막이나 부착 물품 등의 외부요인에 의한 임피던스 변화가 작아진다. 그 때문에, 부착하는 물품의 유전률에 따른 설계 변경도 불필요하게 된다.
(4)기능 기판을 구분하는 2개의 영역을 각각 점유하는 제1·제2의 외부결합전극을 형성하고, 장척형상의 방사전극의 2개의 단부가 제1·제2의 외부결합전극에 각각 대향함으로써 방사전극으로의 급전을 용이하게 행할 수 있다.
(5)방사전극은 양단부가 서로 대향하는 루프형상을 이루고, 그 양단부에서 기능 회로의 외부결합전극과 결합함으로써 자계에 의한 통신을 행할 수 있어, 부착 물품의 유전률의 영향을 거의 받는 일이 없어, 더욱 안정된 특성이 얻어진다.
(6)방사전극의 2개의 단부 근방끼리를 접속하는 정합용 전극과, 방사전극의 2개의 단부로부터 정합용 전극에 접속되는 부분으로 보조 정합회로부를 구성함으로써, 기능 기판과 방사전극의 사이에서 이중으로 임피던스 매칭을 행하게 되어, 넓은 주파수 대역에서 정합 상태가 되어 넓은 주파수 대역에서 고이득이 얻어진다.
(7)상기 인덕턴스 소자가 루프 형상을 이루고, 이 루프 형상의 감김축이 상기 방사전극의 형성 영역과 교차하도록 형성되어 있음으로써, 인덕턴스 소자에는, 그 감김축에 평행한 방향에서 방사전극에 대하여 수직 방향으로 자계가 발생한다. 또, 방사전극은 기재상에 형성된 평면전극이므로, 그 전극의 주위에 자계가 발생한다. 그 때문에, 기능 기판에서 발생하는 자계 루프와 방사전극에서 발생하는 자계 루프는 쇄교(interlink)하여, 인덕턴스 소자와 방사전극의 결합을 보다 강하게 할 수 있다.
(8)기능 기판에 형성하는 외부결합전극을 방사전극과 용량결합하는 용량결합전극으로 함으로써, 외부결합전극과 방사전극의 결합을 강하게 할 수 있다. 또, 외부결합전극 및 방사전극의 형상은 단순화할 수 있어, 저비용으로 구성할 수 있다.
(9)방사판에 대향하는 기능 기판의 면에 용량결합전극이 형성되고, 기능 기판에 대향하는 면에 방사전극이 형성되어, 용량결합전극과 방사전극이 대향한 상태로 방사판에 기능 기판이 접착된 구조로 함으로써, 용량결합전극과 방사전극의 갭이 작아져서, 그 갭에 생기는 용량이 커져, 용량결합전극과 방사전극의 결합을 강하게 할 수 있다.
(10)기능 기판의 외부결합전극이 기능 기판의 방사판에 대향하는 면 이외의 면으로까지 연장되어 형성됨으로써, 납땜(solder) 등의 도전성 접합재로 접합했을 경우의 접합 강도를 높여, 내충격성을 높일 수 있다.
(11)외부결합전극이 방사전극과 자계 결합하는 루프를 이루는 것으로 함으로써, 기능 기판 탑재시에 그 방향성을 없앨 수 있다. 또, 기능 기판과 방사판을 접합하는 접합재의 유전률의 영향을 적게 할 수 있다.
(12)상기 인덕턴스 소자 중 적어도 하나는 2개의 다른 선형상 전극을 각각 인접시킨 2중 나선형상으로 함으로써, 선로 길이의 차이에 의해 각각 다른 공진주파수를 가질 수 있어, 무선 IC 디바이스로서의 사용 주파수 대역을 넓게 할 수 있다.
(13)상기 방사전극이 기능 기판의 인덕턴스 소자와 전자계 결합하는 루프를 이룸으로써, 자계 결합을 강하게 할 수 있는 동시에, 짧은 범위내에 필요한 인덕턴스 성분을 확보할 수 있으므로, 전체적으로 소형화할 수 있다. 또, 방사전극의 루프형상부분과 기능 기판측의 루프형상 외부결합전극이 자계 결합하므로, 방사판에 대한 기능 기판의 실장 방향성을 없앨 수 있어 어느 방향으로 실장해도 소정의 특성이 얻어진다
(14)상기 정합회로를 기능 기판내에 구성된 소자와 기능 기판상에 실장된 소자로 구성함으로써, 기능 기판상에 인덕턴스 값이 큰 칩 인덕터나 커패시턴스 값이 큰 칩 커패시터를 실장해서 기능 기판내의 소자값을 작게 함으로써, 기능 기판의 사이즈를 작게 할 수 있다.
(15)무선 IC 칩, 기능 기판, 또는 방사판 중 적어도 하나를 덮는 보호막을 구비함으로써, 내환경성을 향상시킬 수 있고, 환경에 의한 특성 변동도 억제할 수 있다.
도 1은 특허문헌 1에 나타나 있는 무선 IC 디바이스의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 제1실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 단면도 및 주요부의 평면도이다.
도 3은 동 무선 IC 디바이스의 기능 기판을 구성하는 다층 기판의 분해 사시도이다.
도 4는 무선 IC 칩을 탑재한 상태에서의 기능 기판의 투시 사시도이다.
도 5는 동 무선 IC 디바이스의 등가 회로도이다.
도 6은 제2실시형태에 따른 무선 IC 디바이스에서 이용하는 방사판상의 방사전극의 형상을 나타내는 평면도이다.
도 7은 제3실시형태에 따른 무선 IC 디바이스에서 이용하는 방사판상의 방사전극의 형상을 나타내는 평면도이다.
도 8은 제4실시형태에 따른 몇 개의 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이 다.
도 9는 제4실시형태에 따른 또 다른 몇 개의 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다.
도 10은 제5실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다.
도 11은 제6실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다.
도 12는 제6실시형태에 따른 다른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다.
도 13은 제7실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다.
도 14는 제8실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다.
도 15는 동 무선 IC 디바이스의 방사판상의 방사전극의 구성 및 기능 기판측의 루프형상 외부결합전극의 형상을 나타내는 도면이다.
도 16은 동 무선 IC 디바이스의 임피던스 회로도이다.
도 17은 제9실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다.
도 18은 동 무선 IC 디바이스의 임피던스 회로도이다.
도 19는 제10실시형태에 따른 무선 IC 디바이스에서 이용하는 전자결합 모듈의 평면도이다.
(부호의 설명)
1 무선 IC 칩
20 기능 기판
21 다층 기판
21a~21g 유전체층
22 실장전극
23 정합회로
23a~23h 인덕터 전극
24 용량결합전극
30, 130 방사판
31 기재
32 방사전극
34 정합용 전극
35 보조 정합회로부
36 루프형상 방사전극
40 접착제
41 수지
42 도전성 접합재
51 칩 인덕터
120~129, 220~223 기능 기판
224 용량결합전극
225 외부결합전극
226 루프형상 외부결합전극
227, 228 2중 나선 외부결합전극
《제1실시형태》
제1실시형태에 따른 무선 IC 디바이스에 대해서 도 2~도 5를 참조하여 설명한다.
도 2의 (A)는 제1실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도, 도 2의 (B)는 그 주요부의 평면도이다.
도 2의 (A)에 나타내는 바와 같이, 무선 IC 디바이스(300)는 무선 IC 칩(1), 기능 기판(20) 및 방사판(30)에 의해 구성되어 있다. 무선 IC 칩(1)은 RFID 태그로서의 신호 처리를 행하는 회로를 구비한 반도체 칩이다.
방사판(30)은, PET 필름 등을 기재(31)로 해서, 이 기재(31)의 상면에 방사전극(32a, 32b)을 형성한 것이다.
기능 기판(20)은 다층 기판(21)으로 구성하고 있으며, 그 다층 기판(21)의 상면에 무선 IC 칩(1)을 실장하기 위한 실장전극(22a, 22b) 등을 형성하고 있다. 또 다층 기판(21)의 내부에는, 방사전극(32a, 32b)의 사이에서 용량결합하는 용량결합전극(24a, 24b)을 형성하고 있다. 이 용량결합전극(24a, 24b)은 기능 기판(20)의 외부결합전극이다. 또, 이 용량결합전극(24a, 24b)을 포함하여, 무선 IC 칩(1)과 방사판(30)의 방사전극(32a, 32b)의 사이에서 임피던스 정합을 행하는 정합회로(23)를 형성하고 있다.
이 기능 기판(20)은, 용량결합전극(24a, 24b)이 방사전극(32a, 32b)의 내측 단부에 각각 대향하도록 접착제(40)를 통해서 방사판(30)에 탑재되어 있다.
무선 IC 칩(1)의 실장면에는 납땜 혹은 Au 등에 의한 범프를 형성하고 있어, 기능 기판(20)의 실장전극(22a, 22b) 등의 부분에 실장한 상태로 무선 IC 칩(1)과 기능 기판(20)의 사이에 언더필(underfill)이 충전되도록 하고 있다.
도 2의 (B)는 방사판(30)의 상면에 형성된 방사전극(32a, 32b)의 형성 영역부분의 평면도이다. 단, 무선 IC 칩(1) 및 그 실장전극(22a, 22b) 등은 생략하고 있다. 도 2의 (B)에 나타내는 바와 같이 기능 기판(20)의 용량결합전극(24a, 24b)은 기능 기판(20)을 구분하는 2개의 영역을 점유하도록 형성되어 있다. 방사전극(32a, 32b)은 장척형상이며, 2개의 용량결합전극(24a, 24b)이 방사전극(32a, 32b)의 내측 단부에 각각 대향하도록 방사판(30) 상에 기능 기판(20)을 배치하고 있다.
이와 같이 하여 무선 IC 칩은 기능 기판(20)을 통해서 방사전극(32a, 32b)에 급전함으로써, 방사전극(32a, 32b)은 다이폴 안테나로서 작용한다.
상기 무선 IC 칩(1), 기능 기판(20) 및 방사판(30)에 의해 무선 IC 디바이스(300)를 조립하는 순서로서는 몇 가지 있지만, 무선 IC 칩(1)을 기능 기판(20)에 실장한 것을 먼저 전자결합 모듈로서 구성하고, 이 전자결합 모듈을 방사판(30)에 실장하는 방법이 좋다. 비교적 작은 기능 기판(20)에 대한 무선 IC 칩(1)의 실장에는 통상의 반도체 칩의 실장방법을 적용할 수 있다. 또, 전자결합 모듈의 상태이면, 비교적 큰 방사판(30)에 대하여 그것을 접착제(40)를 통해서 용이하게 부착할 수 있다.
도 3은 상기 기능 기판(20)을 구성하는 다층 기판(21)의 분해 사시도이다. 단, 이 예에서는 무선 IC 칩(1)을 포함해서 나타내고 있다. 다층 기판(21)은 유전 체층(21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f, 21g)으로 이루어지고, 유전체층(21a)에는 무선 IC 칩(1)을 실장하기 위한 실장전극(22a, 22b, 22c, 22d)을 형성하고 있다. 유전체층(21b~21f)에는 인덕터 전극(23a~23e)을 형성하고 있다. 또 유전체층(21b~21d)에는 인덕터 전극(23f~23h)을 형성하고 있다. 또 유전체층(21g)에는 용량결합전극(24a, 24b)을 형성하고 있다. 그리고, 각 유전체층의 층간은 도면에 나타내는 바와 같이 비어 홀을 통해서 접속되어 있다.
도 4는 무선 IC 칩(1)을 탑재한 상태에서의 기능 기판(20)의 투시 사시도이다. 기능 기판(20)을 구성하는 다층 기판내에는 상기 인덕터 전극(23a~23e)에 의한 인덕터와 인덕터 전극(23f~23h)에 의한 인덕터를 구성하고 있다.
도 5는 상기 무선 IC 칩, 기능 기판 및 방사판의 등가 회로도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이 기능 기판내의 정합회로(23)는 방사판, 커패시터(C1, C2) 및 인덕터(L1, L2)로 구성되어 있다. 여기서 인덕터 (L1)은 도 3 및 4에 나타낸 인덕터 전극 (23a~23e)에 의한 인덕터, 인덕터 (L2)는 인덕터 전극 (23f~23h)에 의한 인덕터이다. 또 커패시터(C1, C2)는 도 2에 나타낸 용량결합전극(24a, 24b)과 방사전극(32a, 32b)의 사이에 구성되는 커패시터이다.
무선 IC 칩과 기능 기판의 접속부에서 무선 IC 칩측을 본 임피던스는 RIC+jXIC 이다. 또 기능 기판과 방사판의 접속부에서 방사판의 방사전극을 본 임피던스는 Rant+jXant이다. 기능 기판의 정합회로(23)는, 예를 들면 UHF대 등의 주파수 범위 내 혹은 그 근방에서 무선 IC 칩과 기능 기판의 접속부에서 방사판(방사전극) 을 본 임피던스를 R1+jX1로 한 경우에, XIC와 X1이 공역 관계, 즉 X1=-XIC가 되도록 회로 상수를 정하고 있다.
이것에 의해 기능 기판의 정합회로(23)는 무선 IC 칩과 방사판(방사전극)과의 임피던스 매칭(impedance matching)을 행한다. 물론 RIC=R1의 관계가 되면, 즉 RIC+jXIC와 R1+jX1이 복소 공역 관계가 되면 완전히 임피던스 매칭하게 되지만, 실수부를 동등하게 (RIC =R1)로 하는 것은 현실적으로는 곤란하기 때문에, 적어도 리액턴스 성분을 공역 관계로 한다. 이 임피던스 정합에는 실수부보다 허수부 성분의 정합성이 중요하다.
이와 같이 제1실시형태에 의하면, 무선 IC 칩(1)을 기능 기판(20)에 실장해서 이루어지는 전자결합 모듈의 용량결합전극(24a, 24b)을, 방사전극(32a, 32b)을 형성한 방사판(30)에 대하여 이간해서 실장한 구조이므로, 상기 전자결합 모듈과 방사전극(32a, 32b)은 직류적으로 절연 상태이며 ESD(electro-static discharge; 정전기 방전) 특성이 우수하다.
또, 무선 IC 칩(1)과 방사판(30)의 사이에 배치되는, 다층 기판(21)으로 이루어지는 기능 기판(20) 내에 정합회로(23)를 구성했기 때문에, 즉 방사판측에 임피던스 정합회로를 형성할 필요가 없으므로, 방사판(30)으로의 방사전극(32a, 32b)의 형성 면적을 작게 할 수 있다. 그 때문에 전체적으로 소형화할 수 있다.
또, 정합회로(23)를 다층 기판(21)의 내부에 구성했으므로, 이 무선 IC 디바이스(300)를 유전률이 높은 물체에 접착해도 정합회로의 특성변화가 작아, 무선 IC 디바이스의 주파수 특성의 변화가 작다. 그 때문에 접착해야 할 물품마다 무선 IC 디바이스의 설계를 행한다는 것이 필요없게 된다. 또한, 다층 기판을 이용해서 정합회로(23)를 구성했으므로, 일면의 패턴에서는 형성 곤란한 복잡한 정합회로를 구성할 수 있어, 임피던스의 정합성을 높여서 고이득 무선 IC 디바이스를 구성할 수 있다.
《제2실시형태》
도 6은 제2실시형태에 따른 무선 IC 디바이스에 있어서의 방사판 상면의 주요부의 전극 패턴을 나타내는 평면도이다. 방사판의 상면에는 장척형상의 방사전극(32a, 32b)을 형성하는 동시에, 그들의 내측 단부에서 소정거리 떨어진 부분끼리를 접속하는 정합용 전극(34)을 형성하고 있다.
방사전극(32a, 32b)의 내측의 단부 부근에는, 도 2의 (B)에 나타낸 경우와 마찬가지로 기능 기판의 용량결합전극(24a, 24b)이 대향하도록 기능 기판(20)을 실장한다. 또한, 기능 기판의 상면에 탑재하는 무선 IC 칩에 대해서는 도시를 생략하고 있다.
2개의 방사전극(32a, 32b)의 내측의 단부에서 정합용 전극(34)까지의 부분과 정합용 전극(34)에 의해 보조 정합회로부(35)를 구성하고 있다. 이와 같이 2개의 방사전극(32a, 32b)의 소정 부분끼리를 정합용 전극(34)으로 접속함으로써, 무선 IC 칩은 기능 기판(20)을 통해서 다이폴 안테나에 탭(tap) 급전을 행하게 된다. 이 탭 급전을 행하는 부분에서 보조 정합회로부(35)가 기능 기판(20)과 방사전극(32a, 32b)의 사이에서 이중으로 임피던스 매칭을 행하게 되어, 넓은 주파수 대역에서 정 합 상태가 되어 넓은 주파수 대역에서 고이득이 얻어진다. 즉 탭 급전을 행하는 부분에서 보조 정합회로부(35)가 형성되지만, 면적의 형편상, 방사판상에 큰 인덕터는 형성할 수 없다. 또, 커패시터나 배선이 크로스 오버하는 회로를 형성하는 것도 곤란하다. 그러나 기능 기판을 사용하면, 인덕터의 형성이나, 용량 및 크로스 오버 배선 등도 형성할 수 있어, 상술한 대로 넓은 주파수 대역에서 정합 상태가 되어 넓은 주파수 대역에서 고이득이 얻어진다.
《제3실시형태》
도 7은 제3실시형태에 따른 무선 IC 디바이스에 있어서의 방사판 상면의 주요부의 전극 패턴을 나타내는 평면도이다. 방사판의 상면에는 루프형상 방사전극(36)을 형성하고 있다. 이 루프형상 방사전극(36)은 그 양단부를 서로 대향함과 함께 소정의 영역을 주회(周回)하도록 형성되어 있다. 이 루프형상 방사전극(36)의 서로 대향하는 양단부에 기능 기판(20)의 용량결합전극(24a, 24b)이 대향하도록 기능 기판(20)을 실장한다.
기능 기판(20)에 무선 IC 칩을 탑재해서 모듈을 구성하고 있는 점 및 기능 기판(20)의 구성에 대해서는 제1·제2실시형태와 같다.
이와 같이 하여 무선 IC 칩은 기능 기판(20)을 통해서 방사전극(32a, 32b)에 급전을 행함으로써, 방사전극(32a, 32b)은 자계 안테나로서 작용하고, 무선 IC 디바이스의 리더 라이터 안테나와의 사이에서 자계에서의 통신이 가능해진다.
《제4실시형태》
도 8 및 9는 제4실시형태에 따른 몇 가지의 무선 IC 디바이스의 구성을 나타 내는 단면도이다. 이들 도면들에 있어서 방사판(30) 및 무선 IC 칩(1)의 구성에 대해서는 제1~제3실시형태의 경우와 같다. 이 제4실시형태에서는 기능 기판에 구성하는 정합회로의 몇 가지 예에 대해서 나타내는 것이다.
도 8의 (A)의 예에서는, 기능 기판(120)에 인덕터(L1, L2, L3) 및 용량결합전극(24a, 24b)에 의해 정합회로를 구성하고 있다. 도 5에 나타낸 예에서는 실장전극(22b)과 커패시터(C2)의 사이를 스루 접속하고 있었지만, 이 정합회로에 의하면, 그 스루 접속 부분에 인덕터(L3)를 형성하고 있으므로, 인덕터(L1~L3) 각각의 인덕턴스 값을 작게 할 수 있어, 다층 기판내로의 인덕터의 구성이 용이해진다.
도 8의 (B)의 예에서는, 기능 기판(121)에 인덕터(L1, L3) 및 용량결합전극(24a, 24b)에 의해 정합회로를 구성하고 있다. 이 예에서는 용량결합전극(24a-24b) 간의 션트(shunt) 인덕터를 형성하고 있지 않으므로, 미소한 임피던스 변환을 용이하게 행할 수 있다. 즉 상기 션트 인덕터는 그 인덕턴스 값이 작으면 임피던스 정합회로의 임피던스를 크게 바꾸어 버리지만, 이 예에서는 션트 인덕터가 없으므로 그 문제가 생기지 않는다.
도 8의 (C)의 예에서는, 기능 기판(122)에 인덕터(L3) 및 용량결합전극(24a, 24b)에 의해 정합회로를 구성하고 있다. 이 예에서는 단일 인덕터(L3)를 형성하는 것뿐이므로 구성이 용이하다.
도 8의 (D)의 예에서는, 기능 기판(123)에 인덕터(L11, L12, L21, L31, L32) 및 용량결합전극(24a, 24b)에 의해 정합회로를 구성하고 있다. 이 예에서는 인덕터(L12, L32)를 부가하고 있으므로, 그 만큼 방사전극(32a, 32b)의 인덕턴스 값을 작게 할 수 있어, 방사전극의 소형화를 도모할 수 있다.
도 9의 (A)의 예에서는, 기능 기판(124)에 인덕터(L21, L31, L32) 및 용량결합전극(24a, 24b)에 의해 정합회로를 구성하고 있다. 이 예에서는 도 8의 (D)에 나타낸 인덕터(L11, L12)를 생략한 구조이므로 도 8의 (D)에 나타낸 특징을 가지면서 인덕터의 수를 줄인 만큼 용이하게 구성할 수 있게 된다.
도 9의 (B)의 예에서는, 기능 기판(125)에 인덕터(L11, L21, L32) 및 용량결합전극(24a, 24b)에 의해 정합회로를 구성하고 있다. 이 예에서는 도 9의 (A)에 나타낸 인덕터(L31)의 위치를 바꾼 것으로서, 도 9의 (A)와 마찬가지의 효과를 가지면서 다층 기판내에서의 배선이 용이해진다.
도 9의 (C)의 예에서는, 기능 기판(126)에 커패시터(C11, C31), 인덕터(L22, L23) 및 용량결합전극(24a, 24b)에 의해 정합회로를 구성하고 있다. 이 예에서는 직렬로 접속한 커패시터(C11, C31)를 포함하는 정합회로로 함으로써, 임피던스가 용량성의 방사전극(안테나)과, 임피던스가 용량성의 무선 IC 칩(1)의 사이에서 넓은 주파수 범위에 걸쳐 임피던스 매칭을 취할 수 있다.
도 9의 (D)의 예에서는, 기능 기판(127)에 인덕터(L22, L23), 커패시터(C31) 및 용량결합전극(24a, 24b)에 의해 정합회로를 구성하고 있다. 이 예에서는 도 9의 (C)에 나타낸 커패시터(C11, C31)를 하나의 커패시터(C31)로 정리한 것이므로, 도 9의 (C)와 마찬가지의 효과를 가지면서, 다층 기판내에서의 패턴 형성이 용이해진다.
상기 기능 기판(120~127)에 나타낸 정합회로 모두, 무선 IC 칩과 기능 기판 의 접속부에서 무선 IC 칩측을 본 임피던스의 리액턴스 성분과, 무선 IC 칩과 기능 기판의 접속부에서 방사전극측을 본 임피던스의 리액턴스 성분이 공역 관계가 되도록 회로 상수를 정하고 있다. 이와 같이 정합회로는 적어도 하나의 인덕턴스 소자를 포함하며, 필요에 따라서 적어도 하나의 커패시턴스 소자를 형성한다.
《제5실시형태》
도 10은 제5실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 기능 기판(20)의 상면에 무선 IC 칩(1)을 탑재하고, 이 기능 기판(20)의 상면에서 무선 IC 칩(1)의 전체를 수지(41)로 덮는 동시에 그 상면을 평탄하게 하고 있다. 그 밖의 구성은 제1실시형태에서 나타낸 것과 동일하다.
이와 같이 기능 기판(20)에 대하여 무선 IC 칩(1)을 탑재한 전자결합 모듈을 방사판(30)에 실장할 때에 전자결합 모듈의 흡인 척킹이 용이해진다. 또 무선 IC 칩(1)이 수지(41)의 내부에 매설되게 되어, 무선 IC 칩(1)의 내환경성이 높아진다.
또한, 무선 IC 칩(1) 이외에, 기능 기판(20) 또는 방사판(30)에 보호막을 형성해도 된다. 또한, 이들 전체에 보호막을 형성해도 된다. 이것은 다른 실시형태에 대해서도 마찬가지이다.
《제6실시형태》
도 11 및 도 12는 제6실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다.
도 11에 나타내는 예에서는, 기능 기판(128)을 다층 기판(21)으로 구성하는 동시에, 다층 기판(21)의 하면에 노출하도록 용량결합전극(224a, 224b)을 형성하고 있다.
이 용량결합전극(224a, 224b)은 (32a, 32b)의 내측의 단부에 대하여 절연성 접착제(40)를 통해서 근접한 상태로 대향하도록 되어, 그 사이에 큰 커패시턴스를 생기게 할 수 있다.
도 12에 나타내는 예에서는, 기능 기판(129)의 하면에서 측면에 걸쳐 외부결합전극(225a, 225b)을 형성하고 있다. 그리고 방사판(30)의 방사전극(32a, 32b)에 대하여 납땜 등의 도전성 접합재(42)를 통해서 접합하고 있다.
이 구성에 의해 기능 기판(129)의 외부결합전극(225a, 225b)과 방사판(30)의 방사전극(32a, 32b)을 직접 도통시킬 수 있다. 또 납땜 접합 면적을 늘림으로써 기계적인 강도를 늘릴 수 있다.
《제7실시형태》
도 13은 제7실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다. 도 13에 있어서 기능 기판(220)은 다층 기판으로 구성하고, 그 내부에 전극에 의한 인덕터 및 용량결합전극을 구성하는 동시에, 상면에 개별부품인 칩 인덕터(51)를 탑재하고 있다. 이 기능 기판(220)의 내부의 전극에 의한 소자와 외부의 칩 부품에 의한 소자에 의해 정합회로를 구성하고 있다.
이러한 구성에 의해, 기능 기판상에 인덕턴스 값이 큰 칩 인덕터나 커패시턴스 값이 큰 칩 커패시터를 실장해서 기능 기판내의 소자값을 작게 함으로써 기능 기판의 사이즈를 작게 할 수 있다.
《제8실시형태》
제8실시형태에 따른 무선 IC 디바이스에 대해서 도 14~도 16을 참조해서 설명한다.
도 14는 그 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다. 방사판(130)은 기재(31)의 상면에 방사전극(32a, 32b, 32c)을 형성하고 있다. 기능 기판(221)의 내부에는 루프형상 외부결합전극(226)을 구성하고 있으며, 이 루프형상 외부결합전극(226)이 방사전극(32c)과 자계 결합하도록, 기능 기판(221)과 무선 IC 칩(1)으로 이루어지는 전자결합 모듈을 방사판(130)에 실장하고 있다.
도 15는 도 14에 나타낸 방사판(130)의 상면에 형성한 방사전극과 기능 기판(221)에 형성한 루프형상 외부결합전극의 평면도이다. 방사전극(32a, 32b)은 장척형상을 이루며, 이 2개의 방사전극(32a, 32b)끼리를 루프형상의 방사전극(32c)으로 접속하고 있다. 기능 기판측의 루프형상 외부결합전극(226)은 루프형상의 방사전극(32c)과 거의 같은 사이즈로 복수회 감긴 나선형상으로 형성되어 있다.
이와 같이 인덕턴스 소자인 루프형상 외부결합전극(226)은 루프 형상(복수회 주회한 나선형상)을 이루며, 이 루프 형상의 감김축이 방사전극(32c)의 형성 영역과 교차하도록 형성되어 있음으로써, 루프형상 외부결합전극(226)에는 그 감김축에 평행한 방향에서 방사전극에 대하여 수직 방향으로 자계가 발생한다. 또, 방사전극(32c)의 주위(내외)에 자계가 발생한다. 그 때문에, 기능 기판(221)에서 발생하는 자계 루프와 방사전극(32c)에서 발생하는 자계 루프가 쇄교하여, 루프형상 외부결합전극(226)과 방사전극(32c)의 결합을 보다 강하게 할 수 있다.
또한, 도 14 및 도 15에 나타낸 예에서는, 루프형상의 방사전극(32c)을 형성했지만, 루프를 이루지 않고, 예를 들어 다이폴형상의 전극이어도, 상기 루프형상 외부결합전극(226)의 자속이 방사전극의 주위를 통과해서 자계 결합하므로, 루프형상의 방사전극의 경우와 마찬가지로 강하게 결합시킬 수 있다.
또, 도 14 및 15에 나타낸 예에서는, 나선형상의 루프형상 외부결합전극(226)을 형성했지만, 이 결합 전극은 반드시 나선형상일 필요는 없고, 대략 1 주회한 루프형상이어도 된다.
도 16은 상기 무선 IC 칩, 기능 기판, 및 방사판의 임피던스 회로도이다. 도 16의 (A)에 있어서 방사판측의 인덕터(La)는 방사전극(32c) 부분의 인덕터이다. 또 기능 기판측의 인덕터(Lb)는 루프형상 외부결합전극(226)에 의한 인덕터이다. 무선 IC 칩(1)의 한쪽의 단자에는 또한 직렬로 인덕터(Lc)를 접속하고 있다.
도 16의 (A)에 나타낸 자계 결합하는 인덕터 La-Lb간의 상호 인덕턴스를 M으로 나타내면, 도 16의 (B)와 같은 회로로 변형할 수 있다. 이 도 16의 (B)에 나타낸 회로에서 XIC와 X1이 공역 관계가 되도록, 도 16의 (A)의 인덕터(La, Lb, Lc)를 정한다.
이와 같이 하여 방사전극(32c)의 인덕터도 포함시켜서 정합회로로 함으로써, 방사전극(32a, 32b)에 의한 안테나와 무선 IC 칩 사이의 임피던스 매칭을 취할 수 있다.
이 제8실시형태에 의하면, 방사판측의 방사전극(32c) 및 기능 기판측의 루프 형상 외부결합전극(226)이 함께 루프형상이므로, 기능 기판(221)과 무선 IC 칩(1)에 의한 모듈의 방사판(130)에 대한 실장 방향성의 영향이 작다. 즉 어느 방향으로 실장해도 소정의 특성이 얻어진다.
《제9실시형태》
도 17은 제9실시형태에 따른 무선 IC 디바이스의 주요부의 단면도이다. 이 예에서는 기능 기판(222)에, 방사판(130)의 루프형상의 방사전극(32c)과 자계 결합하는 2중 나선 외부결합전극(227)을 구성하고 있다.
이 2중 나선 외부결합전극(227)은 2개의 다른 선형상 전극을 각각 인접시키는 동시에 2중 나선형상을 이루며, 그들의 일단끼리를 전기적으로 접속한 것이다. 방사판(130) 상의 방사전극의 패턴은 도 15에 나타낸 것과 마찬가지이다.
도 18은 도 17에 나타낸 무선 IC 디바이스의 임피던스 회로도이다. 기능 기판내의 인덕터(Lb1, Lb2)는 2중 나선 외부결합전극(227)에 의한 인덕터이다. 또 커패시터(Ca, Cb)는 모두 기능 기판(222)의 다층 기판내에 구성한 커패시터이다. 방사판의 인덕터(La)는 루프형상의 방사전극(32c)에 의한 인덕터이다. 이 인덕터(La)는 2중 나선 외부결합전극에 의한 인덕터(Lb1, Lb2)와 자계 결합한다.
무선 IC 칩과 기능 기판의 접속부에서 무선 IC 칩측을 본 임피던스의 리액턴스 성분(XIC)과 무선 IC 칩과 기능 기판의 접속부에서 방사전극(32a, 32b) 측을 본 임피던스의 리액턴스 성분(X1)이 공역이 되도록 기능 기판내의 정합회로의 회로 요소의 상수를 정하고 있다.
이와 같이 외부결합전극을 2중 나선형상으로 함으로써 방사전극과의 결합도를 높일 수 있고, 또 2중 나선 외부결합전극의 2개 선로의 선로길이의 차이에 따라 각각 다른 공진주파수를 갖게 할 수 있어, 무선 IC 디바이스로서의 사용 주파수 대역을 넓게 할 수 있다.
《제10실시형태》
도 19는 제10실시형태에 따른 무선 IC 디바이스에서 이용하는 기능 기판의 구성을 나타내는 평면도이다. 이 예에서는 기능 기판(223)의 상면에만 전극 패턴을 형성하고 있다. 도면에 나타내는 바와 같이 기능 기판(223)의 상면에 2중 나선 외부결합전극(228)을 형성하는 동시에, 그 내측의 양단부를 무선 IC 칩(1)의 실장전극(22a, 22b)으로서 형성하고 있다. 또 실장전극(22a, 22b)의 근방에 다른 실장전극(22c, 22d)을 형성하고 있다. 이들 실장전극(22a~22d)에 무선 IC 칩(1)을 실장함으로써 전자결합 모듈을 구성한다.
방사판측의 방사전극의 구성은 도 15에 나타낸 바와 마찬가지이며, 도 19에 나타낸 전자결합 모듈을 도 15에 나타낸 바와 같이 루프형상의 방사전극(32c)에 대향하도록 배치한다. 이로 인해 2중 나선 외부결합전극(228)은 루프형상의 방사전극에 전자결합한다. 이와 같이 하여 다층 기판을 이용하는 일 없이 임피던스 정합회로를 구성할 수도 있다.
또한, 이상으로 나타낸 각 실시형태에서는 각종 전형적인 예에 대해서 나타냈지만, 각 실시형태의 구성을 조합하여, 본 발명의 특허청구의 범위의 각 청구항에 기재된 무선 IC 디바이스를 구성할 수도 있다.

Claims (15)

  1. 무선 IC 칩과,
    방사전극을 가지는 방사판과,
    상기 방사전극과 결합하는 외부결합전극, 및 인덕턴스 소자와 커패시턴스 소자 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 무선 IC 칩과 상기 방사전극의 사이의 임피던스 정합을 취하는 정합회로를 가지는 기능 기판을 포함한 무선 IC 디바이스로서,
    상기 무선 IC 칩과 상기 기능 기판의 접속부에서 상기 무선 IC 칩측을 본 임피던스의 리액턴스 성분과, 상기 무선 IC 칩과 상기 기능 기판의 접속부에서 상기 방사전극측을 본 임피던스의 리액턴스 성분이 공역 관계가 되도록 상기 기능 기판내의 상기 정합회로를 정한 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부결합전극은 상기 방사전극과 전자계 결합하는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기능 기판은 전극 패턴을 형성한 유전체층을 적층한 다층 기판으로 구성한 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방사전극은 장척형상이며, 상기 외부결합전극은, 상기 기능 기판을 구분하는 2개의 영역을 각각 점유하는 제1·제2의 외부결합전극으로 이루어지고, 상기 방사전극의 2개의 단부가 상기 제1·제2의 외부결합전극에 각각 결합하는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방사전극은 양단부가 서로 대향하는 루프형상을 이루며, 상기 양단부 중 한쪽 단부에 상기 제1의 외부결합전극이 결합하고, 다른쪽 단부에 상기 제2의 외부결합전극이 결합하는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방사전극의 2개의 단부 근방끼리를 접속하는 정합용 전극과, 상기 방사전극의 2개의 단부에서 상기 정합용 전극에 접속되는 부분으로 보조 정합회로부를 구성하는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인덕턴스 소자는 루프 형상을 이루며, 상기 루프 형상의 감김축은 상기 방사전극의 형성 영역과 교차하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외부결합전극은 상기 방사전극과 대향하여 당해 방사전극과 용량결합하는 용량결합전극인 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 용량결합전극은 상기 방사판에 대향하는 상기 기능 기판의 면에 형성되고, 상기 방사전극은 상기 기능 기판에 대향하는 면에 형성되어, 상기 용량결합전극과 상기 방사전극이 대향한 상태로 상기 방사판에 상기 기능 기판을 접착한 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 기능 기판의 외부결합전극은 상기 기능 기판의 상기 방사판에 대향하는 면 이외의 면으로까지 연장되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외부결합전극은 상기 방사전극과 자계 결합하는 루프를 이루는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인덕턴스 소자 중 적어도 하나는 2개의 다른 선형상 전극을 각각 인접시킨 2중 나선형상을 이루며, 그들의 일단끼리가 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 방사전극은 상기 기능 기판의 상기 인덕턴스 소자와 전자계 결합하는 루프를 이루는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정합회로는 상기 기능 기판내에 구성된 소자와 상기 기능 기판상에 실장된 소자로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 무선 IC 칩, 상기 기능 기판, 또는 상기 방사판 중 적어도 하나를 덮는 보호막을 포함한 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
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