JP4775292B2 - 無線ｉｃデバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線ＩＣデバイス、特に、ＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)システムに用いられる無線ＩＣチップを有する無線ＩＣデバイス及びその製造方法に関する。

近年、物品の管理システムとして、誘導電磁界を発生するリーダライタと物品や容器などに付された所定の情報を記憶したＩＣチップ（ＩＣタグ、無線ＩＣチップとも称する）とを非接触方式で通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが開発されている。ＩＣチップを搭載した無線ＩＣデバイスとしては、従来、特許文献１，２に記載されているように、大面積のフィルム上に放射板（アンテナ）を形成し、該放射板と接触するようにＩＣチップを配置していた。

ところで、前記ＩＣデバイスでは、放射板とＩＣチップとは電気的に導通状態で重ね合わせて配置する必要があり、重ね合わせがずれると信号の送受信に支障を生じるので、重ね合わせに高精度を要求されていた。しかし、ＩＣチップは０．４ｍｍ×０．４ｍｍと非常に小さいため、取扱いが難しく、高精度に位置決めして放射板に実装することは極めて困難で、僅かな位置ずれでも共振周波数特性が変化するといった問題点を有していた。また、放射板が小さいので、送受信時の放射特性が十分ではないという問題点も有していた。
特開２００５−１３６５２８号公報 特開２００５−２４４７７８号公報

そこで、本発明の目的は、電磁結合モジュールと放射板との組立てが容易で、放射特性が良好である、ＲＦＩＤシステムに好適な無線ＩＣデバイス及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る無線ＩＣデバイスは、
無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップに接続され、所定の共振周波数を有する共振回路を含む給電回路基板と、からなる電磁結合モジュールと、
第１主面及び第２主面を有し、該第１主面に前記電磁結合モジュールが搭載されている台紙と、
前記台紙の前記第２主面側に設けられた放射板と、
を備えた無線ＩＣデバイスであって、
前記台紙の前記第１主面又は第２主面に、前記共振回路と結合する金属板が設けられており、該金属板が前記台紙の前記第１主面に設けられている場合は前記台紙を介して、又は、前記金属板が前記台紙の前記第２主面に設けられている場合は絶縁性の接着剤を介して、前記金属板と前記放射板とが容量結合するように、前記台紙が前記放射板に貼着されていること、
を特徴とする。

本発明に係る無線ＩＣデバイスにおいて、無線ＩＣチップと給電回路基板とで電磁結合モジュールが構成される。電磁結合モジュールを台紙に貼着した状態で放射板上に貼着するため、電磁結合モジュールの取扱いが極めて容易である。また、給電回路基板と放射板とが電気的に直接接続することなく、電磁結合モジュールを放射板上に近接して設けても動作する。また、電磁結合モジュールを放射板に対して高い精度で組み合わせる必要はなく、取付け工程が大幅に簡略化される。

また、放射板から放射する送信信号の周波数及び無線ＩＣチップに供給する受信信号の周波数は、給電回路基板における共振回路の共振周波数で実質的に決まり、放射板は種々の形状を採用でき、かつ、安定した周波数特性が得られるので、放射特性が良好である。

本発明に係る無線ＩＣデバイスにおいて、台紙の第１主面又は第２主面に共振回路と結合する金属板が設けられており、この金属板が放射体としても機能する。金属板と給電回路基板とは直接対向していてもよく、あるいは、台紙を介して対向していてもよい。放射板と金属板とが容量結合し、金属板は放射板と一体的にアンテナとして機能する。

本発明に係る無線ＩＣデバイスの製造方法は、
第１主面及び第２主面を有する長尺状の台紙の該第１主面又は該第２主面に所定間隔で金属板を設ける工程と、
無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップに接続され、所定の共振周波数を有する共振回路を含む給電回路基板と、からなる電磁結合モジュールを、前記長尺状の台紙の前記第１主面に所定間隔で前記金属板と前記共振回路とが結合するように貼着する工程と、
前記台紙を一つの電磁結合モジュールを含むブロックごとに切断する工程と、
切断された台紙の前記第２主面を放射板に貼着して前記金属板が前記台紙の前記第１主面に設けられている場合は前記台紙を介して、又は、前記金属板が前記台紙の前記第２主面に設けられている場合は絶縁性の接着剤を介して、前記放射板を前記金属板と容量結合させる工程と、
を備えたことを特徴とする。

なお、前記無線ＩＣチップは、電磁結合モジュールが取り付けられる物品に関する各種情報がメモリされている以外に、情報が書き換え可能であってもよく、ＲＦＩＤシステム以外の情報処理機能を有していてもよい。

本発明によれば、放射板と電磁結合モジュールとの接合に高精度を要求されることなく、組立てが容易である。また、周波数は給電回路基板における共振回路の共振周波数で実質的に決まり、安定した周波数特性が得られる。そして、放射板は種々の形状を採用でき、放射板の形状を大きくすれば大きな利得を得ることができる。

以下、本発明に係る無線ＩＣデバイス及びその製造方法の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施例、図１〜図６参照）
図１に無線ＩＣデバイスの第１実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、無線ＩＣチップ５と、該無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０とからなる電磁結合モジュール１と、台紙２０と、放射板２５とで構成されている。給電回路基板１０は台紙２０の表面に接着剤１８（図２参照）を介して貼着され、台紙２０の裏面は放射板２５上に接着剤１９を介して貼着されている。

台紙２０は、紙製であり、誘電体であることが好ましく、誘電体であれば樹脂フィルムなどであってもよい。放射板２５は、導電材からなる金属薄板や樹脂フィルム上にアルミ箔、銅箔、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇなどの金属めっき膜を設けたものである。接着剤１８，１９は、絶縁性であり、誘電率の高い材料であることが望ましい。

電磁結合モジュール１は、詳しくは図２に示すように、無線ＩＣチップ５と、該無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０とで構成されている。無線ＩＣチップ５は、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、必要な情報がメモリされており、給電回路基板１０に内蔵された共振回路１６と金属バンプ６を介して電気的に接続されている。なお、金属バンプ６の材料としては、Ａｕ、半田などを用いることができる。

共振回路１６は、所定の周波数を有する送信信号を放射板２５に供給するための回路、及び／又は、放射板２５で受けた信号から所定の周波数を有する受信信号を選択し、無線ＩＣチップ５に供給するための回路であり、所定の周波数で共振する。共振回路１６は、図２及び図３に示すように、ヘリカル型のインダクタンス素子Ｌ及びキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２からなる集中定数型のＬＣ直列共振回路にて構成されている。

給電回路基板１０は、詳しくは、図４に示すように、誘電体からなるセラミックシート１１Ａ〜１１Ｇを積層、圧着、焼成したもので、接続用電極１２とビアホール導体１３ａを形成したシート１１Ａ、キャパシタ電極１４ａを形成したシート１１Ｂ、キャパシタ電極１４ｂとビアホール導体１３ｂを形成したシート１１Ｃ、ビアホール導体１３ｃを形成したシート１１Ｄ、導体パターン１５ａとビアホール導体１３ｄを形成したシート１１Ｅ、ビアホール導体１３ｅを形成したシート１１Ｆ（１枚もしくは複数枚）、導体パターン１５ｂを形成したシート１１Ｇからなる。なお、各セラミックシート１１Ａ〜１１Ｇは磁性体のセラミック材料からなるシートであってもよく、給電回路基板１０は従来から用いられているシート積層法、厚膜印刷法などの多層基板の製作工程により容易に得ることができる。

以上のシート１１Ａ〜１１Ｇを積層することにより、ヘリカルの巻回軸が放射板２５と平行なインダクタンス素子Ｌと、該インダクタンス素子Ｌの両端にキャパシタ電極１４ｂが接続され、かつ、キャパシタ電極１４ａがビアホール導体１３ａを介して接続用電極１２に接続されたキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２が形成される。そして、基板側電極パターンである接続用電極１２が金属バンプ６を介して無線ＩＣチップ５の端子（図５参照）と電気的に接続される。

即ち、共振回路を構成する素子のうち、コイル状電極パターンであるインダクタンス素子Ｌから、磁界を介して、放射板２５に送信信号を給電し、また、放射板２５からの受信信号は、磁界を介して、インダクタンス素子Ｌに給電される。そのため、給電回路基板１０において、共振回路１６を構成するインダクタンス素子Ｌ、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２のうち、インダクタンス素子Ｌが放射板２５に近くなるようにレイアウトすることが望ましい。

図５に無線ＩＣチップ５と給電回路基板１０との接続形態を示す。図５（Ａ）は無線ＩＣチップ５の裏面及び給電回路基板１０の表面に、それぞれ、一対のアンテナ（バランス）端子７ａ，１７ａを設けたものである。図５（Ｂ）は他の接続形態を示し、無線ＩＣチップ５の裏面及び給電回路基板１０の表面に、それぞれ、一対のアンテナ（バランス）端子７ａ，１７ａに加えて、グランド端子７ｂ，１７ｂを設けたものである。但し、給電回路基板１０のグランド端子１７ｂは終端しており、給電回路基板１０の他の素子に接続されているわけではない。

図３に電磁結合モジュール１の等価回路を示す。この電磁結合モジュール１は、図示しないリーダライタから放射される高周波信号（例えば、ＵＨＦ周波数帯）を放射板２５で受信し、放射板２５と主として磁気的に結合している共振回路１６（インダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２からなるＬＣ直列共振回路）を共振させ、所定の周波数帯の受信信号のみを無線ＩＣチップ５に供給する。一方、この受信信号から所定のエネルギーを取り出し、このエネルギーを駆動源として無線ＩＣチップ５にメモリされている情報を、共振回路１６にて所定の周波数に整合させた後、インダクタンス素子Ｌから、磁界結合を介して放射板２５に送信信号を伝え、放射板２５からリーダライタに送信、転送する。

ちなみに、無線ＩＣチップ５のサイズは０．４〜０．９ｍｍ×０．４〜０．９ｍｍで厚さは５０〜１００μｍ、給電回路基板１０のサイズは無線ＩＣチップ５のサイズより大きくて３ｍｍ×３ｍｍ程度までで厚さは２００〜５００μｍである。なお、ここに挙げたサイズはあくまで例示である。

なお、共振回路１６と放射板２５との結合は、磁界を介しての結合が主であるが、電界を介しての結合が存在していてもよい。本発明において、「電磁界結合」とは、電界及び／又は磁界を介しての結合を意味する。

前記共振回路１６においては、インダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２で構成された共振回路にて共振周波数特性が決定される。放射板２５から放射される信号の共振周波数は、共振回路１６の自己共振周波数によって実質的に決まる。従って、放射板２５はどのような形状のものであっても使用することができ、電磁結合モジュール１の放射板２５に対する相対的な位置は任意である。従って、電磁結合モジュール１の貼着位置をそれほど高精度に管理する必要はない。

さらに、インダクタンス素子Ｌを構成するコイル状電極パターンは、その巻回軸が放射板２５と平行に形成されているため、中心周波数が変動しないという利点を有している。また、無線ＩＣチップ５の後段に、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２が挿入されているため、この素子Ｃ１，Ｃ２で低周波数のサージをカットすることができ、無線ＩＣチップ５をサージから保護できる。

ところで、共振回路１６は無線ＩＣチップ５のインピーダンスと放射板２５のインピーダンスを整合させるためのマッチング回路を兼ねている。給電回路基板１０は、インダクタンス素子やキャパシタンス素子で構成された、共振回路１６とは別に設けられたマッチング回路を備えていてもよい。共振回路１６にマッチング回路の機能をも付加しようとすると、共振回路１６の設計が複雑になる傾向がある。共振回路１６とは別にマッチング回路を設ければ、共振回路、マッチング回路をそれぞれ独立して設計できる。

以上説明した第１実施例によれば、送受信信号の周波数は、給電回路基板１０の共振回路１６の共振周波数で実質的に決まるため、放射板２５と電磁結合モジュール１との接合に高精度を要求されることなく、組立てが容易である。しかも、電磁結合モジュール１を台紙２０に貼着した状態で放射板２５上に貼着するため、電磁結合モジュール１の取扱いが極めて容易である。また、電磁結合モジュール１と放射板２５とは台紙２０や接着剤１８，１９を介して電磁界結合をしており、放射板２５は任意の形状が採用でき、放射特性が良好で、安定した周波数特性を得ることができる。

ここで、前記第１実施例である無線ＩＣデバイスの製造方法について説明する。まず、図６（Ａ）に示すように、長尺の台紙（テーピング用フィルム）２０を用意し、図６（Ｂ）に示すように、無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０を台紙２０上に所定間隔で貼着する。

次に、台紙２０を一つの電磁結合モジュール１を含むブロックごとに点線ａで切断し、図６（Ｃ）に示す台紙付き電磁結合モジュール１を得る。その後、台紙２０をＲＦＩＤシステムに用いられる物品に設けられている放射板２５上に貼着すれば、無線ＩＣデバイスとして完成する。

（第２実施例、図７及び図８参照）
図７に無線ＩＣデバイスの第２実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、前記第１実施例と同様に無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０からなる電磁結合モジュール１を備えたもので、台紙２０の表面には一対の金属板２６，２６が設けられるとともに、給電回路基板１０が金属板２６，２６を挟んで貼着されている。さらに、台紙２０の裏面が放射板２５上に絶縁性で誘電率の高い接着剤にて貼着される。台紙２０や放射板２５の材料は前記第１実施例と同様であり、それぞれの貼着には絶縁性で誘電率の高い接着剤が用いられている。

本第２実施例では、放射板２５と金属板２６，２６とが容量結合し、金属板２６，２６は放射板２５と一体的に高周波信号のアンテナとして機能する。従って、本第２実施例の作用効果も前記第１実施例と同様である。

ここで、第２実施例である無線ＩＣデバイスの製造方法について説明する。まず、図８（Ａ）に示すように、長尺の台紙（テーピング用フィルム）２０上に金属板２６，２６を所定間隔で設ける。金属板２６，２６は、導電材からなる金属薄膜でもよく、あるいは、アルミ箔、銅箔、Ａｌなどの金属めっき膜であってもよい。

次に、図８（Ｂ）に示すように、無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０を台紙２０の表面であって一対の金属板２６，２６上に跨って貼着する。その後、台紙２０を一つの電磁結合モジュール１を含むブロックごとに点線ａで切断し、図８（Ｃ）に示す無線ＩＣデバイスを得、台紙２０を放射板２５上に貼着する。

なお、本第２実施例において、一つの電磁結合モジュール１に対して金属板２６は必ずしも一対である必要はなく、１枚であってもよい。また、図９に示すように、電磁結合モジュール１を台紙２０の表面に貼着し、金属板２６，２６を台紙２０の裏面に設けてもよい。台紙２０は金属板２６，２６を間に挟んで放射板２５上に絶縁性で誘電率の高い接着剤により貼着される。この場合、金属板２６，２６も放射板２５と同様に給電回路基板１０と台紙２０を介して電磁界結合することになる。

（他の実施例）
なお、本発明に係る無線ＩＣデバイス及びその製造方法は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

特に、各実施例において、給電回路基板の内部構成の細部、放射板の細部形状は任意であり、給電回路基板をフレキシブルな材料で形成してもよい。さらに、無線ＩＣチップを給電回路基板上に接続するのに、金属バンプ以外の処理を用いてもよい。

本発明に係る無線ＩＣデバイスの第１実施例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ−Ｘ断面図である。 電磁結合モジュールを示す断面図である。 電磁結合モジュールの等価回路図である。 給電回路基板を示す分解斜視図である。 （Ａ），（Ｂ）ともに無線ＩＣチップと給電回路基板との接続状態を示す斜視図である。 第１実施例の製造工程を示す説明図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第２実施例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＹ−Ｙ断面図である。 第２実施例の製造工程を示す説明図である。 第２実施例の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１…電磁結合モジュール
５…無線ＩＣチップ
１０…給電回路基板
１６…共振回路
２０…台紙
２５…放射板
２６…金属板
Ｌ…インダクタンス素子

Claims (2)

1. 無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップに接続され、所定の共振周波数を有する共振回路を含む給電回路基板と、からなる電磁結合モジュールと、
   第１主面及び第２主面を有し、該第１主面に前記電磁結合モジュールが搭載されている台紙と、
   前記台紙の前記第２主面側に設けられた放射板と、
   を備えた無線ＩＣデバイスであって、
   前記台紙の前記第１主面又は第２主面に、前記共振回路と結合する金属板が設けられており、該金属板が前記台紙の前記第１主面に設けられている場合は前記台紙を介して、又は、前記金属板が前記台紙の前記第２主面に設けられている場合は絶縁性の接着剤を介して、前記金属板と前記放射板とが容量結合するように、前記台紙が前記放射板に貼着されていること、
   を特徴とする無線ＩＣデバイス。
2. 第１主面及び第２主面を有する長尺状の台紙の該第１主面又は該第２主面に所定間隔で金属板を設ける工程と、
   無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップに接続され、所定の共振周波数を有する共振回路を含む給電回路基板と、からなる電磁結合モジュールを、前記長尺状の台紙の前記第１主面に所定間隔で前記金属板と前記共振回路とが結合するように貼着する工程と、
   前記台紙を一つの電磁結合モジュールを含むブロックごとに切断する工程と、
   切断された台紙の前記第２主面を放射板に貼着して前記金属板が前記台紙の前記第１主面に設けられている場合は前記台紙を介して、又は、前記金属板が前記台紙の前記第２主面に設けられている場合は絶縁性の接着剤を介して、前記放射板を前記金属板と容量結合させる工程と、
   を備えたことを特徴とする無線ＩＣデバイスの製造方法。

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