WO2015001820A1 - 可変リアクタンス回路および共振回路の共振周波数設定方法 - Google Patents

可変リアクタンス回路および共振回路の共振周波数設定方法 Download PDF

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WO2015001820A1
WO2015001820A1 PCT/JP2014/057977 JP2014057977W WO2015001820A1 WO 2015001820 A1 WO2015001820 A1 WO 2015001820A1 JP 2014057977 W JP2014057977 W JP 2014057977W WO 2015001820 A1 WO2015001820 A1 WO 2015001820A1
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antifuse
antenna coil
variable reactance
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PCT/JP2014/057977
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加藤登
谷口勝己
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株式会社村田製作所
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    • H03J2200/15Tuning of resonator by means of digitally controlled inductor bank

Definitions

  • the present invention relates to a variable capacitance element, a high-frequency device, and a communication apparatus used in an RFID (Radio Frequency Identification) system and a near field communication (NFC) system.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • NFC near field communication
  • NFC is one of the short-range wireless communication standards using the 13.56 MHz band, and is expected to be installed in various terminals including mobile communication terminals.
  • an RF IC for NFC is built in the terminal body, and the RFIC for NFC is connected to an NFC antenna coil that is also built in the terminal body.
  • the antenna coil is connected to a capacitive element so as to resonate at a communication frequency, and the capacitive element and the antenna coil constitute an antenna circuit.
  • NFC systems have tight frequency tolerances, and communication may become impossible due to a slight shift in frequency due to manufacturing variations of antenna coils and capacitors and unnecessary coupling due to the positional relationship between the antenna coil and surrounding components.
  • Patent Document 1 a method of cutting a pattern between a capacitor and an antenna by arranging a plurality of capacitors in parallel, a method of adjusting with a trimmer capacitor, A method has been proposed in which a switch is arranged in series with each of a plurality of capacitors arranged in parallel, and the frequency is switched by turning the switch on / off.
  • the method of cutting the pattern has a problem that the workability in manufacturing is low and there is a problem that the mechanical strength deteriorates in the vicinity of the part by cutting. Furthermore, when the capacitance value of the added capacitor is small (when used for fine adjustment), there is a problem that the effect of stray capacitance generated at the pattern cutting point cannot be ignored and desired adjustment cannot be performed.
  • the adjustment method using a trimmer capacitor has the advantage that the frequency can be finely adjusted because the capacitance can be continuously changed, but there is a problem that the adjustment range cannot be increased, and the workability in manufacturing is low. There is a problem.
  • An object of the present invention is to provide a variable reactance circuit and a resonance frequency setting method for a resonance circuit, which have high adjustment workability and enable adjustment and fine adjustment over a wide range.
  • variable reactance circuit of the present invention in the variable reactance circuit provided in the LC resonance circuit, a plurality of series circuits of antifuse elements that are irreversibly turned on when a specified voltage is applied and fixed reactance elements are connected in parallel. It is characterized by.
  • the antifuse elements in the plurality of sets of series circuits are preferably provided in one antifuse module having a first end connected to a common external terminal and a second end connected to individual external terminals. .
  • parasitic capacitance and parasitic inductance can be defined, and high-precision adjustment is possible.
  • the antifuse element is an element in which the lower electrode layer and the upper electrode layer are welded at the dielectric breakdown portion due to dielectric breakdown of the insulating layer sandwiched between the lower electrode layer and the upper electrode layer, and the lower electrode It is preferable that the common external terminal is connected to a layer, and the individual external terminals are connected to the upper electrode layer. Thereby, a variable reactance circuit can be provided only by mounting one module component.
  • the LC resonance circuit includes an antenna coil and a capacitor connected in parallel to the antenna coil, and an absolute value of a reactance value of the fixed reactance element connected in series to the antifuse element is an inductance value of the antenna coil, Alternatively, it is preferably smaller than the capacitance value of the capacitor. Thereby, fine adjustment is possible.
  • the LC resonance circuit includes an antenna coil, and an ESD protection element is added between the antenna coil and the ground or between both ends of the antenna coil.
  • the resonance frequency setting method of the resonance circuit of the present invention is a variable reactance circuit (resonance circuit) configured by connecting a plurality of series circuits of antifuse elements that are irreversibly turned on by applying a specified voltage and fixed reactance elements in parallel. Forming a resonance circuit including a frequency adjustment circuit), and applying the specified voltage to the antifuse element in an arbitrary series circuit among a plurality of sets of the series circuits to cause the antifuse element to conduct irreversibly. And setting a resonance frequency of the resonance circuit.
  • the resonance circuit includes, for example, an antenna coil and a capacitor connected in parallel to the antenna coil.
  • the resonance frequency of the LC resonance circuit can be adjusted with high workability, and a wide range of adjustment and fine adjustment are also possible.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a communication apparatus 101 including a variable reactance circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the communication device 101.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a communication apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a communication apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a communication apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a communication apparatus according to the fifth embodiment.
  • FIG. 7A is a perspective view of the antifuse module 12 used in the variable reactance circuit according to the sixth embodiment, and
  • FIG. 7B is an exploded perspective view of the antifuse module 12.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of an antenna circuit using the antifuse module 12.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of an antenna circuit using the antifuse module 12.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of an antenna circuit as a comparative example.
  • FIG. 10A is a cross-sectional view of the main part of the antifuse IC 300
  • FIG. 10B is a plan view of a predetermined layer inside the antifuse IC300.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the operation of the antifuse IC 300.
  • 12A, 12 ⁇ / b> B, and 12 ⁇ / b> C are cross-sectional views at each step in manufacturing the antifuse IC 300.
  • FIGS. 13A, 13B, and 13C are cross-sectional views at each step in manufacturing the antifuse IC 300.
  • FIG. 14A, 14B, and 14C are cross-sectional views at each step in manufacturing the antifuse IC 300.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a communication apparatus 101 including a variable reactance circuit according to the first embodiment.
  • the communication device 101 is an NFC communication device, and includes an antenna coil 10, a capacitor 11, a variable reactance circuit 20, and an RFIC 13.
  • the antenna coil 10, the capacitor 11, and the variable reactance circuit 20 constitute an LC resonance circuit.
  • variable reactance circuit 20 a plurality of series circuits of antifuse elements AF1 to AF6 and capacitors C1 to C6, which are irreversibly turned on when a specified voltage is applied, are connected in parallel.
  • the capacitors C1 to C6 correspond to fixed reactance elements according to the present invention.
  • the antifuse elements AF1 to AF6 have a first end connected to the common terminal Pc and a second end connected to the individual terminals P1 to P6.
  • the antifuse elements AF1 to AF6 are initially in an off state, and transition to an on state depending on settings. That is, by selectively applying a specified voltage between the common terminal Pc and the individual terminals P1 to P6, the antifuse element to which the specified voltage is applied becomes irreversibly conductive. For example, if the antifuse elements AF1 to AF6 are turned on, off, off, off, off in this order, the reactance of the variable reactance circuit 20 becomes the capacitance of the capacitor C1. For example, if the anti-fuse elements AF1 to AF6 are turned on, off, on, off, off, and off in this order, the reactance of the variable reactance circuit 20 becomes a parallel combined capacitance of the capacitors C1 and C3.
  • the resonance frequency of the antenna circuit of the communication apparatus 101 is the resonance frequency of the LC circuit due to the reactance of the antenna coil 10, the capacitor 11, and the variable reactance circuit 20.
  • the resonance frequency of the antenna circuit is finely adjusted by the combination of the capacitors C 1 to C 6 connected in parallel to the capacitor 11.
  • Capacitances of the capacitors C1 to C6 are preferably formed so as to have a power-of-two ratio based on the smallest one of them. With this configuration, a multi-stage composite capacitance can be set with a constant resolution by using a smaller number of capacitors. Further, since the number of capacitors is small, the number of antifuse elements AF1 to AF6 and individual terminals P1 to P6 can be small.
  • FIG. 2 is a plan view of the communication apparatus 101.
  • An antenna coil 10, wiring, and terminals are formed on the insulating circuit board 9 by a conductor pattern.
  • An impedance matching circuit 14 is formed between the RFIC 13 and the variable reactance circuit 20.
  • Capacitor 11, capacitors C1 to C6, antifuse elements AF1 to AF6, and each element of the impedance matching circuit are chip parts.
  • the antifuse element AF1 when the antifuse element AF1 is turned on among the antifuse elements AF1 to AF6, a probe is applied to the common terminal Pc and the individual terminal P1, and a specified voltage is applied therebetween. As a result, the antifuse element AF1 is irreversibly turned on.
  • the antifuse element AF3 when the antifuse element AF3 is turned on, a probe is applied to the common terminal Pc and the individual terminal P3, and a specified voltage is applied between them. As a result, the antifuse element AF3 is irreversibly turned on.
  • the resonance frequency of the antenna circuit is mainly measured by the following two methods.
  • the probe is connected to the network analyzer and the tip of the probe is brought into contact with the connection terminal of the RFIC 13 Then, the impedance (reflection waveform (S11)) is measured.
  • the antenna coil 10 of the communication apparatus shown in FIG. 2 is connected to the coil antenna to which the network analyzer is connected. And the impedance (reflected waveform (S11)) is measured.
  • the resonance frequency of the antenna circuit is obtained, and a predetermined combination of the antifuse elements AF1 to AF6 is determined so that the resonance frequency falls within a predetermined frequency range.
  • a specified voltage is applied during
  • the frequency adjustment may be performed while a person sees the impedance waveform, or may be adjusted at once with a probe. That is, a jig equipped with a probe for measuring the resonance frequency of the antenna circuit and a probe for setting the antifuse elements AF1 to AF6 is prepared, and the resonance frequency of the antenna circuit is automatically measured and adjusted. Also good.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a communication apparatus according to the second embodiment.
  • the signal format of the input / output port of the RFIC 13 is different from the communication device of the first embodiment.
  • the RFIC 13 is an example of inputting and outputting a balanced signal, but in FIG. 3, the RFIC 13 inputs and outputs an unbalanced signal.
  • the present invention can be similarly applied to a variable reactance circuit of an antenna circuit used in an unbalanced type.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a communication apparatus according to the third embodiment. What is different from the communication device of the first embodiment is the circuit configuration of the variable reactance circuit 20.
  • the variable reactance circuit 20 of this embodiment includes a series circuit of antifuse elements AF1, AF2, AF3 and inductors L1, L2, L3, and a series circuit of antifuse elements AF4, AF5, AF6 and capacitors C4, C5, C6. These series circuits are connected in parallel.
  • the inductors L1, L2, L3 and the capacitors C4, C5, C6 correspond to the fixed reactance element according to the present invention.
  • the antifuse elements AF1 to AF6 have a first end connected to the common terminal Pc and a second end connected to the individual terminals P1 to P6. If the antifuse elements AF1 to AF6 are in this order on, off, off, off, off, off, off, the reactance of the variable reactance circuit 20 becomes the inductance of the inductor L1. For example, if the anti-fuse elements AF1 to AF6 are in this order, on, off, on, off, off, off, off, the reactance of the variable reactance circuit 20 is the parallel combined inductance of the inductors L1 and L3. For example, if the antifuse elements AF1 to AF6 are on, off, off, on, off, and off in this order, the reactance of the variable reactance circuit 20 is a parallel combined reactance of the inductor L1 and the capacitor C4.
  • the present invention can be applied to the case where the fixed reactance is not limited to a capacitor but is an inductor. Further, as shown in FIG. 4, a circuit in which a capacitor and an inductor coexist may be used. With this configuration, the adjustable range of the resonance frequency is widened.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a communication apparatus according to the fourth embodiment.
  • the circuit configuration of the variable reactance circuit 20 is different from the circuits shown in FIGS. 1 and 4.
  • variable reactance circuit 20 of the present embodiment a series circuit of the antifuse element AF1 and the capacitor C1 is configured, and an inductor L1 is connected in parallel to the antifuse element AF1.
  • a series circuit of the antifuse element AF6 and the inductor L6 is configured, and a capacitor C6 is connected in parallel to the antifuse element AF6.
  • the other configuration is the same as that shown in FIG.
  • a reactance element may be further connected in parallel to the antifuse element.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a communication apparatus according to the fifth embodiment. The difference from the communication apparatus of the first embodiment is that ESD protection elements 15 are provided at both ends of the antenna coil 10.
  • the ESD protection element 15 protects the RFIC 13 from high voltage such as static electricity entering from the antenna coil 10 or the like.
  • FIG. 7A is a perspective view of the antifuse module 12 used in the variable reactance circuit according to the sixth embodiment
  • FIG. 7B is an exploded perspective view of the antifuse module 12.
  • the antifuse module 12 is a module in which six antifuse elements AF1 to AF6 are mounted on a substrate 121.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of an antenna circuit using the antifuse module 12.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of an antenna circuit as a comparative example. The antenna circuit shown in FIG. 9 is configured without using an antifuse module.
  • a parasitic capacitance Cs and a parasitic inductance Ls as shown in FIG. 9 are generated in the vicinity of the antifuse element, but there are cases where the parasitic capacitance Cs and the parasitic inductance Ls cannot be controlled.
  • the components of the parasitic capacitance Cs and the parasitic inductance Ls can be defined. Therefore, highly accurate adjustment is possible.
  • an example of an integrated circuit (hereinafter referred to as “antifuse IC”) in which a plurality of antifuse elements are configured by a single monolithic IC is shown.
  • FIG. 10A is a cross-sectional view of the main part of the antifuse IC 300
  • FIG. 10B is a plan view of a predetermined layer inside the antifuse IC 300.
  • the antifuse IC 300 includes a lower insulating layer 201, an adhesion layer 202, a lower electrode layer 203, an insulating layer 204, an upper electrode layer 205, and an upper insulating layer on a substrate (wafer) 200.
  • a layer 206 and an inorganic protective layer 207 are formed in this order.
  • An organic protective layer 210 and a solder resist film 220 are coated on the inorganic protective layer 207.
  • the substrate 200 is, for example, a Si substrate.
  • the lower insulating layer 201 is an SiO 2 film, for example, and is provided for the purpose of preventing mutual diffusion between the substrate 200 and the adhesion layer 202.
  • the lower insulating layer 201 is formed by heat-treating the Si substrate 200, for example.
  • the adhesion layer 202 is, for example, a (Ba, Sr) TiO 3 film (hereinafter referred to as “BST film”), and is formed to ensure adhesion between the lower insulating layer 201 and the lower electrode layer 203.
  • BST film a (Ba, Sr) TiO 3 film
  • Each of the lower electrode layer 203 and the upper electrode layer 205 is, for example, a Pt film, and a current flows for a long time when short-circuited.
  • it is a noble metal material that prevents defects such as ball formation due to oxidation.
  • Pt for example, a metal composed of at least one element selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os or an alloy thereof is preferable.
  • the insulating layer 204 is, for example, a BST film.
  • a capacitor portion is constituted by a laminated structure of the insulating layer 204, the lower electrode layer 203, and the upper electrode layer 205.
  • the capacitance of the capacitor portion is preferably 1 nF to 100 nF. When the capacitance is less than 1 nF, it is not preferable because a desired protective function against electrostatic discharge cannot be obtained. Further, when the capacitance is larger than 100 nF, the antifuse element is not preferable because the reaction time from application of voltage to short circuit becomes too long. If the electrostatic capacity of this capacity portion is 4.2 to 15 nF, the withstand voltage in the electrostatic breakdown test of the antifuse element is in the optimum range, and it is more preferable.
  • the relative dielectric constant of the BST film which is the insulating layer 204 is about 400.
  • the dielectric constant of the insulating layer 204 is preferably in the range of 100 to 1000. Within this range, it is possible to design factors that affect the protection function against electrostatic discharge, such as the thickness and area of the insulating layer 204, within a preferable range. Therefore, in addition to the BST film, TiO 2 having a dielectric constant of about 100 and Pb (Zr, Ti) O 3 having a dielectric constant of about 1000 may be used.
  • the inorganic protective layer 207 is a SiNx film formed by CVD, for example.
  • the inorganic protective layer 207 suppresses leakage current when a voltage is applied between the lower electrode layer 203 and the upper electrode layer 205.
  • This inorganic protective layer 207 may be a SiO 2 film.
  • the organic protective layer 210 is, for example, a PBO (polybenzoxazole) film.
  • the organic protective layer 210 is formed so as to cover the entire laminated structure and functions as a passivation film.
  • Contact holes are formed at predetermined positions of the organic protective layer 210, the insulating layer 204, the upper insulating layer 206, and the inorganic protective layer 207, and a base electrode layer 211 and an electrode film 212 are formed on the inner surfaces thereof.
  • a base electrode layer 211 and an electrode film 212 are formed on the upper surface of the organic protective layer 210.
  • a part 203H of the lower electrode layer 203 represents a connection position of the base electrode layer 211 formed in the contact hole.
  • the base electrode layer 211 is, for example, a Cu / Ti / Cu film.
  • the electrode film 212 is, for example, an Au / Ni film.
  • a common terminal Pc and individual terminals P1 to P6 are formed on the upper surface (mounting surface of the antifuse IC) in the drawing of the organic protective layer 210.
  • individual terminals P2 and P5 appear.
  • the upper electrode layer 205 is formed individually for each of the individual terminals P 1 to P 6, and the individual terminals P 2 and P 5 are electrically connected to the respective upper electrode layers 205.
  • the common terminal Pc is electrically connected to the lower electrode layer 203.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the operation of the antifuse IC 300.
  • FIG. 10 (A) it is a figure when the voltage more than a dielectric breakdown voltage is applied between the common terminal Pc and the individual terminal P2, and a dielectric breakdown arises.
  • the insulating layer 204 between the lower electrode layer 203 and the upper electrode layer 205 breaks down, Joule heat is generated. Due to this Joule heat, the lower electrode layer 203 and the upper electrode layer 205 are melted and turned into balls. As this melting proceeds, the spheroidized portion is enlarged and the insulating layer 204 is completely divided by the heat of fusion.
  • the enlarged spheroidized parts are welded and integrated in such a state as to enclose the separated insulating layer 204. And the junction part S is formed and it will be in a conduction
  • FIG. 12A, 12B, 13C, 13A, 13B, and 14C are cross-sectional views at each step in manufacturing the antifuse IC 300.
  • a substrate (Si substrate) 200 is thermally oxidized to form a lower insulating layer (SiO 2 ) 201.
  • the adhesion layer 202 is formed by coating (Ba, Sr) TiO 3 on the surface with an automatic coater and calcining with an RTA (rapid heat treatment furnace).
  • the lower electrode layer 203 is formed by sputtering a Pt film on the surface.
  • (Ba, Sr) TiO 3 is coated with an automatic coater, calcined in an RTA (rapid heat treatment furnace) to form the insulating layer 204, and further, the upper electrode layer 205 is formed by sputtering a Pt film.
  • (Ba, Sr) TiO 3 is coated with an automatic coater and calcined with RTA (rapid heat treatment furnace) to form the upper insulating layer 206.
  • the adhesion layer 202, the lower electrode layer 203, the insulating layer 204, the upper electrode layer 205, and the upper insulating layer 206 are patterned by photolithography a predetermined number of times.
  • an inorganic protective layer 207 is formed on the surface by plasma CVD of SiNx.
  • an organic protective layer 210 is formed by applying a PBO (polybenzoxazole) film by an automatic coater and baking it. Then, the opening H is formed by ICP-RIE method. Further, as shown in FIG. 13C, a base electrode layer 211 is formed by forming a Ti / Cu / Ti film by sputtering.
  • PBO polybenzoxazole
  • an Au / Ni film is formed by plating, and as shown in FIG. 14B, the base electrode layer 211 is patterned by photolithography.
  • solder resist film 220 is provided.
  • the substrate (wafer) is thinned to a predetermined thickness with a grinder and divided into individual pieces with a dicer.
  • the antifuse IC 300 is manufactured by the above procedure.
  • the antifuse IC 300 can be applied as a single component mounted on the antifuse module 12 shown in FIG.
  • the antifuse element is formed of a thin film like the antifuse IC 300, the generation of parasitic components can be further reduced, so that more accurate adjustment is possible.
  • variable reactance circuit may be connected in series with the antenna coil.
  • variable reactance circuit of the present invention is not limited to the RFID reader / writer, and may be configured as an RFID tag.
  • the part that melts at the dielectric breakdown part may be composed of a noble metal such as Pt, and the other part may be composed of a base metal such as Cu.
  • AF1 to AF6 ... antifuse elements C1 to C6 ... capacitors (fixed reactance elements)
  • Cs Parasitic capacitance H: Openings L1 to L3,
  • L6 Inductor (fixed reactance element)
  • Ls Parasitic inductances P1 to P6 ... Individual terminal Pc ... Common terminal S ... Junction 9 ... Insulating circuit board 10 ... Antenna coil 11 ... Capacitor 12 ... Antifuse module 13 ... RFIC 14 ... Impedance matching circuit 15 ... ESD protection element 20 ... Variable reactance circuit 101 ... Communication device 121 ... Module substrate 200 ... Substrate 201 ... Lower insulating layer 202 ... Adhesion layer 203 ...
  • Lower electrode layer 204 ... Insulating layer 205 ... Upper electrode layer 206 ... Upper insulating layer 207 ... Inorganic protective layer 210 ... Organic protective layer 211 ... Base electrode layer 212 ... Electrode film 220 ... Solder resist film 300 ... Antifuse IC

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Abstract

 可変リアクタンス回路(20)は、例えばアンテナコイル(10)およびキャパシタ(11)を含むLC共振回路に備えられる。可変リアクタンス回路(20)は、規定電圧の印加によって非可逆的に導通するアンチヒューズ素子(AF1~AF6)と、固定リアクタンス素子(C1~C6)との直列回路が複数組並列接続されている。この構成により、調整の作業性を高め、広範囲に亘る調整および微調整を可能とする。

Description

可変リアクタンス回路および共振回路の共振周波数設定方法
 本発明はRFID(Radio Frequency Identification)システムや近距離無線通信(NFC:Near Field Communication)システムに用いられる可変容量素子、高周波デバイスおよび通信装置に関するものである。
 NFCは13.56MHz帯を利用した近距離無線通信規格の一つであり、携帯通信端末をはじめ、さまざまな端末への搭載が期待されている。一般的に、NFCを利用した携帯通信端末では、NFC用のRFICが端末本体に内蔵され、このNFC用のRFICは同じく端末本体に内蔵されたNFC用のアンテナコイルに接続される。また、前記アンテナコイルは通信周波数で共振するように容量素子が接続されていて、この容量素子とアンテナコイルとでアンテナ回路が構成されている。
 一方、NFCのシステムは周波数公差が厳しく、アンテナコイルやコンデンサの製造ばらつきやアンテナコイルと周囲部品との位置関係などによる不要結合によって、僅かに周波数がずれるだけで通信できなくなる場合がある。
 NFC用のアンテナコイルの周波数帯域が十分に広い場合は、上記の使用条件の違いによる微調整は不要であるが、最近の端末の小型化にともない十分なアンテナサイズを確保することが難しく、アンテナサイズが小さくなると十分なアンテナ帯域幅を得ることができない。そのため、共振周波数を最適値となるように調整することが必要になる。
 上記問題を解決する手段として、例えば特許文献1に示されているように、コンデンサを複数個並列に並べておいてコンデンサとアンテナとの間のパターンを切断する方法や、トリマコンデンサで調整する方法や、複数個並列に並べたコンデンサのそれぞれに直列にスイッチを配置し、スイッチのOn/Offで周波数を切り替える方法が提案されている。
特開2007-328634公報
 しかし、パターンを切断する方法では製造上の作業性が低いという問題や、切断することによってその箇所付近で機械的強度が劣化する問題がある。さらには、付加されているコンデンサの容量値が小さい場合(微調整用として使用する場合)に、パターン切断箇所に発生する浮遊容量の影響が無視できなくなり、所望の調整ができないという問題がある。
 また、トリマコンデンサを用いて調整する方法では、容量を連続的に可変させることができるため周波数の微調整ができる利点はあるものの、調整範囲を大きくできない問題や、製造上の作業性の低さの問題がある。
 さらに、スイッチを用いて調整する方法では、使用時にスイッチを常に所定状態にしておかねばならず、そのための電力を消費してしまう問題がある。また、スイッチを駆動する電源が無いような製品の場合、そもそもスイッチを使用することができない。
 本発明の目的は、調整の作業性が高く、広範囲に亘る調整および微調整を可能にした、可変リアクタンス回路および共振回路の共振周波数設定方法を提供することにある。
 本発明の可変リアクタンス回路は、LC共振回路に備えられる可変リアクタンス回路において、規定電圧の印加によって非可逆的に導通するアンチヒューズ素子と、固定リアクタンス素子との直列回路が複数組並列接続されたことを特徴とする。
 複数組の前記直列回路におけるアンチヒューズ素子は、第1端が共通の外部端子に接続され、第2端が個別の外部端子に接続された、1つのアンチヒューズモジュールに設けられていることが好ましい。これにより寄生容量や寄生インダクタンスを規定することができ、高精度な調整が可能となる。
 前記アンチヒューズ素子は、下部電極層と上部電極層との間に挟まれた絶縁層の絶縁破壊により、この絶縁破壊部で下部電極層と上部電極層とが溶着する素子であり、前記下部電極層に前記共通の外部端子が接続され、前記上部電極層に前記個別の外部端子が接続された構成であることが好ましい。これにより、1つのモジュール部品を実装するだけで可変リアクタンス回路を設けることができる。
 前記LC共振回路はアンテナコイルおよび、このアンテナコイルに対して並列接続されたキャパシタを含み、前記アンチヒューズ素子に直列接続された前記固定リアクタンス素子のリアクタンス値の絶対値は前記アンテナコイルのインダクタンス値、もしくはコンデンサの容量値よりも小さいことが好ましい。これにより、微調整が可能となる。
 前記LC共振回路はアンテナコイルを含み、前記アンテナコイルとグランドとの間に、または前記アンテナコイルの両端間に、ESD保護素子が付加されていることが好ましい。これにより、静電気等の高い電圧が印加された場合でも、アンチヒューズ素子の絶縁破壊が生じにくく、アンチヒューズ素子の状態を所定状態に安定的に保つことができる。
 本発明の共振回路の共振周波数設定方法は、規定電圧の印加によって非可逆的に導通するアンチヒューズ素子と、固定リアクタンス素子との直列回路が複数組並列接続されて構成された可変リアクタンス回路(共振周波数調整回路)を含む共振回路を構成する工程と、複数組の前記直列回路のうち任意の直列回路における前記アンチヒューズ素子に前記規定電圧を印加してアンチヒューズ素子を非可逆的に導通させることによって、前記共振回路の共振周波数を設定する工程と、を有する。
 前記共振回路は、例えばアンテナコイルおよびそのアンテナコイルに並列接続されたキャパシタを備える。
 本発明によれば、LC共振回路の共振周波数を、高い作業性のもとで調整でき、広範囲に亘る調整および微調整も可能になる。
図1は第1の実施形態に係る可変リアクタンス回路を備えた通信装置101の回路図である。 図2は、通信装置101の平面図である。 図3は第2の実施形態に係る通信装置の回路図である。 図4は第3の実施形態に係る通信装置の回路図である。 図5は第4の実施形態に係る通信装置の回路図である。 図6は第5の実施形態に係る通信装置の回路図である。 図7(A)は第6の実施形態に係る可変リアクタンス回路に用いられるアンチヒューズモジュール12の斜視図、図7(B)はアンチヒューズモジュール12の分解斜視図である。 図8はアンチヒューズモジュール12を用いたアンテナ回路の回路図である。 図9は比較例としてのアンテナ回路の回路図である。 図10(A)はアンチヒューズIC300の主要部の断面図、図10(B)はアンチヒューズIC300の内部の所定層での平面図である。 図11はアンチヒューズIC300の動作について示す断面図である。 図12(A)(B)(C)はアンチヒューズIC300の製造時の各工程での断面図である。 図13(A)(B)(C)はアンチヒューズIC300の製造時の各工程での断面図である。 図14(A)(B)(C)はアンチヒューズIC300の製造時の各工程での断面図である。
 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。各実施形態は例示であり、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が可能であることは言うまでもない。
《第1の実施形態》
 図1は第1の実施形態に係る可変リアクタンス回路を備えた通信装置101の回路図である。この通信装置101は、NFC用の通信装置であり、アンテナコイル10、キャパシタ11、可変リアクタンス回路20およびRFIC13を備えている。アンテナコイル10、キャパシタ11および可変リアクタンス回路20によってLC共振回路が構成されている。
 可変リアクタンス回路20は、規定電圧の印加によって非可逆的に導通するアンチヒューズ素子AF1~AF6と、キャパシタC1~C6との直列回路が複数組並列接続されている。キャパシタC1~C6は本発明に係る固定リアクタンス素子に相当する。
 アンチヒューズ素子AF1~AF6は、第1端が共通端子Pcに接続されていて、第2端が個別端子P1~P6に接続されている。アンチヒューズ素子AF1~AF6は、初期にはオフ状態であり、設定によりオン状態に遷移する。すなわち、共通端子Pcと個別端子P1~P6との間に選択的に規定電圧を印加することによって、その規定電圧が印加されたアンチヒューズ素子が非可逆的に導通状態になる。例えば、アンチヒューズ素子AF1~AF6がこの順に、on,off,off,off,off,off となれば、可変リアクタンス回路20のリアクタンスはキャパシタC1のキャパシタンスとなる。また、例えばアンチヒューズ素子AF1~AF6がこの順に、on,off,on,off,off,off となれば、可変リアクタンス回路20のリアクタンスはキャパシタC1,C3の並列合成キャパシタンスとなる。
 通信装置101のアンテナ回路の共振周波数は、アンテナコイル10、キャパシタ11および可変リアクタンス回路20のリアクタンスによるLC回路の共振周波数である。LC並列共振回路を構成する場合、共振周波数foはfo=1/{2π√(LC)}で定まる。図1に示した例では、キャパシタ11に並列接続されるキャパシタC1~C6の組み合わせによって、アンテナ回路の共振周波数が微調整される。
 キャパシタC1~C6のキャパシタンスは、それらのうち最も小さいものを基準として2の累乗の比率となるように形成されていることが好ましい。その構成により、より少ない数のキャパシタを用いて、分解能一定で多段階の合成キャパシタンスが設定できる。また、キャパシタの数が少ないことにより、アンチヒューズ素子AF1~AF6および個別端子P1~P6の数も少なくて済む。
 図2は、通信装置101の平面図である。絶縁性回路基板9にアンテナコイル10、配線および端子が導体パターンにより形成されている。RFIC13と可変リアクタンス回路20との間にインピーダンス整合回路14が形成されている。キャパシタ11、キャパシタC1~C6、アンチヒューズ素子AF1~AF6およびインピーダンス整合回路の各素子はチップ部品である。
 アンチヒューズ素子AF1~AF6のうち、例えばアンチヒューズ素子AF1をonさせる場合、共通端子Pcと個別端子P1とにプローブを当てて、その間に規定電圧を印加する。これにより、アンチヒューズ素子AF1が非可逆的にon状態となる。同様に、例えばアンチヒューズ素子AF3をonさせる場合、共通端子Pcと個別端子P3とにプローブを当てて、その間に規定電圧を印加する。これにより、アンチヒューズ素子AF3が非可逆的にon状態となる。
 アンテナ回路の共振周波数は主に、次の2通りの方法で測定する。
(1)RFIC13が実装されていない場合、または回路基板上にアンテナ回路の接続端子が設けられている場合は、ネットワークアナライザにプローブを接続し、そのプローブの先端をRFIC13の接続端子に当接させてインピーダンス(反射波形(S11))を測定する。
(2)RFICが実装されている場合、または回路基板上にアンテナ回路の接続端子が設けられていない場合は、ネットワークアナライザが接続されたコイルアンテナに、図2に示した通信装置のアンテナコイル10を近接させて、インピーダンス(反射波形(S11))を測定する。
 上記測定結果を基にアンテナ回路の共振周波数を求め、それが所定の周波数範囲内に入るように、アンチヒューズ素子AF1~AF6のうち所定の組み合わせを決定し、それらの個別端子と共通端子Pcとの間に規定電圧を印加する。
 なお周波数調整は、人がインピーダンス波形を見ながら調整しても良いし、またプローブで一度に調整してもよい。すなわち、アンテナ回路の共振周波数の測定用のプローブと、アンチヒューズ素子AF1~AF6の設定用プローブを備えた治具を用意し、アンテナ回路の共振周波数の測定と調整を自動的に行うようにしてもよい。
《第2の実施形態》
 図3は第2の実施形態に係る通信装置の回路図である。第1の実施形態の通信装置と異なるのは、RFIC13の入出力ポートの信号形式である。第1の実施形態では、RFIC13は平衡信号を入出力する例であったが、図3においてRFIC13は不平衡信号を入出力する。このように不平衡型で用いるアンテナ回路の可変リアクタンス回路にも同様に適用できる。
《第3の実施形態》
 図4は第3の実施形態に係る通信装置の回路図である。第1の実施形態の通信装置と異なるのは、可変リアクタンス回路20の回路構成である。
 本実施形態の可変リアクタンス回路20は、アンチヒューズ素子AF1,AF2,AF3とインダクタL1,L2,L3との直列回路、およびアンチヒューズ素子AF4,AF5,AF6とキャパシタC4,C5,C6との直列回路を備え、これら直列回路は並列接続されている。インダクタL1,L2,L3およびキャパシタC4,C5,C6は本発明に係る固定リアクタンス素子に相当する。
 アンチヒューズ素子AF1~AF6は、第1端が共通端子Pcに接続されていて、第2端が個別端子P1~P6に接続されている。アンチヒューズ素子AF1~AF6がこの順に、on,off,off,off,off,off であれば、可変リアクタンス回路20のリアクタンスはインダクタL1のインダクタンスとなる。また、例えばアンチヒューズ素子AF1~AF6がこの順に、on,off,on,off,off,off であれば、可変リアクタンス回路20のリアクタンスはインダクタL1,L3の並列合成インダクタンスとなる。また、例えばアンチヒューズ素子AF1~AF6がこの順に、on,off,off,on,off,off であれば、可変リアクタンス回路20のリアクタンスはインダクタL1とキャパシタC4の並列合成リアクタンスとなる。
 このように、固定リアクタンスはキャパシタに限らずインダクタである場合にも、本発明は適用できる。また、図4に示したように、キャパシタとインダクタが併存する回路であってもよい。この構成により、共振周波数の調整可能範囲が広くなる。
《第4の実施形態》
 図5は第4の実施形態に係る通信装置の回路図である。図1および図4に示した回路と異なるのは、可変リアクタンス回路20の回路構成である。
 本実施形態の可変リアクタンス回路20において、アンチヒューズ素子AF1とキャパシタC1の直列回路が構成されるとともに、アンチヒューズ素子AF1に対してインダクタL1が並列接続されている。また、アンチヒューズ素子AF6とインダクタL6の直列回路が構成されるとともに、アンチヒューズ素子AF6に対してキャパシタC6が並列接続されている。その他は図4に示した構成と同じである。
 このように、アンチヒューズ素子に対してさらにリアクタンス素子が並列接続されていてもよい。
《第5の実施形態》
 図6は第5の実施形態に係る通信装置の回路図である。第1の実施形態の通信装置と異なるのは、アンテナコイル10の両端にそれぞれESD保護素子15を設けた点である。
この構造により、アンテナコイル10に静電気等の高い電圧が印加された場合でも、アンチヒューズ素子に対して印加される電圧はESD保護素子により抑制される。そのため、アンチヒューズ素子の絶縁破壊が生じにくく、アンチヒューズ素子の状態を所定状態に安定的に保つことができる。なお、アンテナコイルの両端間にESD保護素子が付加されていてもよい。
 また、ESD保護素子15は、アンテナコイル10等から入る静電気等の高電圧からRFIC13を保護する。
《第6の実施形態》
 図7(A)は第6の実施形態に係る可変リアクタンス回路に用いられるアンチヒューズモジュール12の斜視図、図7(B)はアンチヒューズモジュール12の分解斜視図である。このアンチヒューズモジュール12は、基板121上に6つのアンチヒューズ素子AF1~AF6が実装されてモジュール化されたものである。
 図8は上記アンチヒューズモジュール12を用いたアンテナ回路の回路図である。図9は比較例としてのアンテナ回路の回路図である。図9に示すアンテナ回路ではアンチヒューズモジュールを用いないでアンテナ回路を構成している。
 アンチヒューズモジュールを用いない場合、図9に示すような寄生容量Csや寄生インダクタンスLsがアンチヒューズ素子付近に生じるが、これら寄生容量Csや寄生インダクタンスLsを制御することができない場合がある。これに対し、図8に示すように、アンチヒューズモジュール12を用いることによって、寄生容量Csや寄生インダクタンスLsの成分を規定することができる。そのため、高精度な調整が可能となる。
《第7の実施形態》
 第7の実施形態では、複数のアンチヒューズ素子を単一のモノリシックICで構成した集積回路(以下、「アンチヒューズIC」)の例を示す。
 図10(A)はアンチヒューズIC300の主要部の断面図、図10(B)はその内部の所定層での平面図である。このアンチヒューズIC300は、図10(A)に表れているように、基板(ウエハー)200上に下部絶縁層201、密着層202、下部電極層203、絶縁層204、上部電極層205、上部絶縁層206、無機保護層207がこの順に形成されている。無機保護層207の上部には有機保護層210およびソルダーレジスト膜220が被覆されている。
 基板200は例えばSi基板である。下部絶縁層201は例えばSiO2膜であり、基板200と密着層202との相互拡散を防ぐ目的で設けられている。下部絶縁層201は、例えばSi基板200を熱処理することによって形成される。
 密着層202は例えば(Ba,Sr)TiO3膜(以下、「BST膜」)であり、下部絶縁層201と下部電極層203との密着性を確保するために形成される。
 下部電極層203および上部電極層205はそれぞれ例えばPt膜であり、短絡時に長時間電流を流れることになるが、その場合に酸化による玉化等の不具合を防ぐ貴金属材料である。Pt以外には、例えば、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Osからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素で構成される金属またはその合金であることが好ましい。
 絶縁層204は例えばBST膜である。この絶縁層204、下部電極層203および上部電極層205の積層構造によって容量部が構成されている。この容量部の静電容量は1nF~100nFであることが好ましい。静電容量が1nF未満の場合には、望ましい静電気放電に対する保護機能が得られないため、好ましくない。また、静電容量が100nFより大きい場合には、アンチヒューズ素子として、電圧が印加されてから短絡に至るまでの反応時間が長くなり過ぎるため、好ましくない。この容量部の静電容量は、4.2~15nFであれば、アンチヒューズ素子の静電破壊試験における耐電圧が最適な範囲となり、さらに好ましい。
 絶縁層204であるBST膜の比誘電率は400程度である。この絶縁層204の比誘電率は100~1000の範囲内であることが好ましい。この範囲内であれば、絶縁層204の厚さや面積等の、静電気放電に対する保護機能に影響を与える因子を好ましい範囲内で設計することが可能となる。そのため、BST膜以外に、誘電率が100程度であるTiO2、誘電率が1000程度であるPb(Zr,Ti)O3を用いてもよい。
 下部電極層203と上部電極層205との間に印加される電圧が所定値を超えると、絶縁層204の絶縁が破壊され、下部電極層203と上部電極層205とが短絡する。
 無機保護層207は例えばCVDにより形成されたSiNx膜である。無機保護層207は、下部電極層203と上部電極層205との間に電圧が印加された際のリーク電流を抑制する。この無機保護層207はSiO2膜であってもよい。
 有機保護層210は例えばPBO(ポリベンゾオキサゾール)膜である。この有機保護層210は上記積層構造の全体を覆うように形成され、パッシベーション膜として作用する。
 有機保護層210、絶縁層204、上部絶縁層206、無機保護層207の所定位置にはコンタクトホールが形成されていて、その内面に下地電極層211および電極膜212が形成されている。また、有機保護層210の上面に下地電極層211および電極膜212が形成されている。図10(B)において、下部電極層203の一部203Hは、コンタクトホールに形成された下地電極層211の接続位置を表している。
 下地電極層211は例えばCu/Ti/Cu膜である。また、電極膜212は例えばAu/Ni膜である。
 有機保護層210の、図における上面(アンチヒューズICの実装面)には共通端子Pc、個別端子P1~P6が形成されている。図10(A)においては個別端子P2,P5が表れている。上部電極層205は個別端子P1~P6毎に個別に形成されていて、個別端子P2,P5はそれぞれの上部電極層205に導通している。また、共通端子Pcは下部電極層203に導通している。
 図11はアンチヒューズIC300の動作について示す断面図である。図10(A)に示した状態で、共通端子Pcと個別端子P2との間に絶縁破壊電圧以上の電圧が印加され、絶縁破壊が生じる場合の図である。下部電極層203と上部電極層205との間の絶縁層204が絶縁破壊すると、ジュール熱が発生する。このジュール熱により、下部電極層203および上部電極層205が溶融して、玉化する。この溶融が進むと、玉化部が肥大し、絶縁層204は溶融熱により完全に分断される。また、肥大化した玉化部同士が、分断された絶縁層204を巻き込むような状態で溶着して一体化する。そして、接合部Sを形成して導通状態となる。導通状態になると、通電による発熱が抑えられる。これにより、温度が低下し、接合部Sが固化する。
 次に、アンチヒューズIC300の製造方法について示す。図12(A)(B)(C)、図13(A)(B)(C)、図14(A)(B)(C)は、アンチヒューズIC300の製造時の各工程での断面図である。
 先ず、図12(A)に示すように、基板(Si基板)200を熱酸化させて、下部絶縁層(SiO2)201を形成する。その表面に、(Ba,Sr)TiO3を自動コーターでコーティングし、RTA(高速熱処理炉)で仮焼することで密着層202を形成する。その表面にPt膜をスパッタリングすることで下部電極層203を形成する。続いて、(Ba,Sr)TiO3を自動コーターでコーティングし、RTA(高速熱処理炉)で仮焼することで絶縁層204を形成し、さらに、Pt膜をスパッタリングすることで上部電極層205を形成する。さらに、(Ba,Sr)TiO3を自動コーターでコーティングし、RTA(高速熱処理炉)で仮焼することで上部絶縁層206を形成する。
 次に、図12(B)に示すように、密着層202、下部電極層203、絶縁層204、上部電極層205、上部絶縁層206を、所定回数に亘るフォトリソグラフィによりパターンニングする。
 次に、図12(C)に示すように、SiNxのプラズマCVDにより、表面に無機保護層207を形成する。
 その後、図13(A)(B)に示すように、自動コーターによってPBO(ポリベンゾオキサゾール)膜を塗布し、焼成することで有機保護層210を形成する。そして、ICP-RIE法によって開口Hを形成する。更に、図13(C)に示すように、スパッタリングにより、Ti/Cu/Ti膜を成膜することで下地電極層211を形成する。
 続いて、図14(A)に示すように、Au/Ni膜をメッキにより成膜し、図14(B)に示すように、下地電極層211をフォトリソグラフィによりパターンニングする。
 最後に図14(C)に示すように、ソルダーレジスト膜を塗布し、UV露光により硬化させるとともに、共通端子Pcおよび個別端子P2,P5等に開口を形成する。これにより、ソルダーレジスト膜220を設ける。
 その後、基板(ウエハー)をグラインダーで所定厚みに薄化し、ダイサーで個片に分割する。
 以上の手順でアンチヒューズIC300を製造する。このアンチヒューズIC300は、図8に示したアンチヒューズモジュール12部分に実装する単一の部品として適用することができる。
 なお、アンチヒューズIC300のように、アンチヒューズ素子を薄膜で形成した場合、寄生成分の発生をさらに小さくすることができるので、より高精度な調整が可能となる。
《他の実施形態》
 以上、本発明を具体的な実施の形態について説明したが、本発明はこの例に限定されるものではない。
 例えば、可変リアクタンス回路はアンテナコイルに対して直列に接続されていてもよい。
 また、本発明の可変リアクタンス回路は、RFIDのリーダライタに限定されるものではなく、RFIDタグとして構成されていてもよい。
 また、絶縁破壊部で溶融する部分のみPt等の貴金属で構成し、その他の部分をCu等の卑金属で構成してもよい。
AF1~AF6…アンチヒューズ素子
C1~C6…キャパシタ(固定リアクタンス素子)
Cs…寄生容量
H…開口
L1~L3,L6…インダクタ(固定リアクタンス素子)
Ls…寄生インダクタンス
P1~P6…個別端子
Pc…共通端子
S…接合部
9…絶縁性回路基板
10…アンテナコイル
11…キャパシタ
12…アンチヒューズモジュール
13…RFIC
14…インピーダンス整合回路
15…ESD保護素子
20…可変リアクタンス回路
101…通信装置
121…モジュール基板
200…基板
201…下部絶縁層
202…密着層
203…下部電極層
204…絶縁層
205…上部電極層
206…上部絶縁層
207…無機保護層
210…有機保護層
211…下地電極層
212…電極膜
220…ソルダーレジスト膜
300…アンチヒューズIC

Claims (7)

  1.  LC共振回路に備えられる可変リアクタンス回路において、
     規定電圧の印加によって非可逆的に導通するアンチヒューズ素子と、固定リアクタンス素子との直列回路が複数組並列接続されたことを特徴とする、可変リアクタンス回路。
  2.  複数組の前記直列回路におけるアンチヒューズ素子は、第1端が共通の外部端子に接続され、第2端が個別の外部端子に接続された、1つのアンチヒューズモジュールに設けられている、請求項1に記載の可変リアクタンス回路。
  3.  前記アンチヒューズ素子は、下部電極層と上部電極層との間に挟まれた絶縁層の絶縁破壊により、この絶縁破壊部で下部電極層と上部電極層とが溶着する素子であり、前記下部電極層に前記共通の外部端子が接続され、前記上部電極層に前記個別の外部端子が接続された、請求項2に記載の可変リアクタンス回路。
  4.  前記LC共振回路はアンテナコイルおよび、このアンテナコイルに対して並列接続されたキャパシタを含み、前記アンチヒューズ素子に直列接続された前記固定リアクタンス素子のリアクタンス値の絶対値は前記アンテナコイルのインダクタンス値、もしくはコンデンサの容量値よりも小さい請求項1~3のいずれかに記載の可変リアクタンス回路。
  5.  前記LC共振回路はアンテナコイルを含み、前記アンテナコイルとグランドとの間に、または前記アンテナコイルの両端間に、ESD保護素子が付加されている、請求項1~4のいずれかに記載の可変リアクタンス回路。
  6.  規定電圧の印加によって非可逆的に導通するアンチヒューズ素子と、固定リアクタンス素子との直列回路が複数組並列接続されて構成された可変リアクタンス回路を含む共振回路を構成する工程と、
     複数組の前記直列回路のうち任意の直列回路における前記アンチヒューズ素子に前記規定電圧を印加してアンチヒューズ素子を非可逆的に導通させることによって、前記共振回路の共振周波数を設定する工程と、
     を有する共振回路の共振周波数設定方法。
  7.  前記共振回路は、アンテナコイルおよびそのアンテナコイルに並列接続されたキャパシタを備えた、請求項6に記載の共振周波数設定方法。
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