KR20130105938A

KR20130105938A - 무선 ic 디바이스

Info

Publication number: KR20130105938A
Application number: KR1020137023537A
Authority: KR
Inventors: 유야 도카이
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-09-26
Also published as: JP5354137B1; US8720789B2; CN103430382A; US20130341415A1; WO2013115019A1; JPWO2013115019A1; CN103430382B; EP2688145A1

Abstract

무선 IC 디바이스에 있어서, 넓은 주파수 대역을 소형의 급전 회로기판으로 실현할 수 있다. 무선 IC 소자(50)와, 복수의 기재층을 적층해서 이루어지는 적층체(32)로 이루어지고, 무선 IC 소자(50)에 접속된 급전 회로(33)를 포함하는 급전 회로기판(31)과, 급전 회로(33)에 접속된 방사 소자를 구비한 무선 IC 디바이스이다. 급전 회로(33)는, 무선 IC 소자(50)에 대해 직렬 접속된 제1 코일 소자(L1)와, 무선 IC 소자(50)에 대해 병렬 접속된 제2 코일 소자(L2)를 포함하고 있다. 제1 코일 소자(L1) 및 제2 코일 소자(L2)는, 각 코일 소자(L1, L2)의 권회 축이 거의 같은 축 상에 위치하도록, 또한 각 코일 소자(L1, L2)에 발생하는 자계의 방향이 역방향이 되도록 권회, 배치되어 있다.

Description

무선 IC 디바이스{WIRELESS IC DEVICE}

본 발명은 무선 IC 디바이스, 특히 RFID(Radio Frequency Identification) 시스템에 이용되는 무선 IC 디바이스에 관한 것이다.

최근, 물품의 정보관리 시스템으로서 유도 자계를 발생하는 리더 라이터와, 물품에 부착된 RFID 태그(무선 IC 디바이스라고도 한다)를 전자계를 이용한 비접촉 방식으로 통신하고, 소정의 정보를 전달하는 RFID 시스템이 실용화되고 있다. 이 RFID 태그는 소정의 정보를 기억하고, 소정의 무선신호를 처리하는 무선 IC칩과, 고주파 신호를 송수신하는 안테나(방사 소자)를 구비하고, 관리 대상이 되는 여러 가지 물품(혹은 그 포장재)에 붙여 사용된다.

RFID 시스템으로는, 대표적으로는 13MHz대를 이용한 HF대 RFID 시스템, 900MHz대를 이용한 UHF대 RFID 시스템이 알려져 있다. 특히, UHF대 RFID 시스템은 통신 거리가 비교적 길고(통신 영역이 비교적 넓고), 복수의 태그를 일괄해서 읽고 쓰기 가능하기 때문에 물품관리 시스템으로서 유망시되고 있다.

UHF대 RFID 시스템에 이용되는 무선 IC 디바이스로서, 예를 들면 특허문헌 1, 2에는 무선 IC 소자(무선 IC칩)와 안테나 소자의 사이에 급전 회로기판을 개재시킨 것이 기재되어 있다. 이들의 무선 IC 디바이스에서는 급전 회로기판에 마련한 급전 회로에서 송수신 신호의 주파수가 실질적으로 결정되기 때문에, 안테나 소자(방사판)의 사이즈나 그 주위 면적에 크게 영향받지 않고, 안정된 고주파 특성을 용이하게 실현할 수 있다.

그러나, 상기 무선 IC 디바이스에 있어서, 주파수대역을 광대역화하고자 하면, 급전 회로가 복잡화되고, 몇 가지 코일 소자나 콘덴서 소자를 넣지 않을 수 없어, 이들 소자 간의 아이솔레이션을 확보할 필요가 생기기 때문에, 급전 회로기판이 대형화된다는 문제점을 가지고 있다.

일본국 특허공보 제4069958호 일본국 특허공보 제4561932호

본 발명의 목적은 넓은 주파수대역을 소형의 급전 회로기판으로 실현할 수 있는 무선 IC 디바이스를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 형태인 무선 IC 디바이스는,

무선 IC 소자와,

복수의 기재층을 적층해서 이루어지는 적층체로 이루어지고, 상기 무선 IC 소자에 접속된 급전 회로를 포함하는 급전 회로기판과,

상기 급전 회로에 접속된 방사 소자를 구비한 무선 IC 디바이스로서,

상기 급전 회로는, 상기 무선 IC 소자에 대해 직렬 접속된 제1 코일 소자와, 상기 무선 IC 소자에 대해 병렬 접속된 제2 코일 소자를 포함하고,

상기 제1 코일 소자 및 상기 제2 코일 소자는, 각 코일 소자의 권회(winding) 축이 거의 같은 축 상에 위치하도록, 또한 각 코일 소자에 발생하는 자계의 방향이 역방향이 되도록 권회, 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 무선 IC 디바이스에 있어서, 제1 코일 소자 및 제2 코일 소자가 서로의 권회 축이 거의 같은 축 상에 위치하도록, 또한 각 코일 소자에 발생하는 자계의 방향이 역방향이 되도록 권회, 배치되어 있기 때문에, 각 코일 소자의 결합이 양호하며, 복수의 공진점이 생겨서 넓은 주파수대로 고주파 신호의 송수신이 가능하고, 또한 소자 수가 적기 때문에 급전 회로기판이 소형화되고, 나아가서는 무선 IC 디바이스 자체도 소형화된다.

본 발명에 의하면, 넓은 주파수대역을 소형의 급전 회로기판으로 실현할 수 있다.

도 1은 제1 실시예인 무선 IC 디바이스를 나타내고, (A)는 단면도, (B)는 평면도, (C)는 급전 모듈을 제거한 상태에서의 평면도이다.
도 2는 상기 무선 IC 디바이스를 구성하는 급전 회로기판의 내부 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 상기 무선 IC 디바이스의 등가 회로도이다.
도 4는 상기 급전 회로기판의 적층구조를 분해해서 나타내는 평면도이다.
도 5는 상기 무선 IC 디바이스의 주파수에 대한 통신 거리를 나타내는 그래프이다.
도 6은 제2 실시예인 무선 IC 디바이스를 나타내고, (A)는 평면도, (B)는 급전 모듈을 제거한 상태에서의 평면도이다.
도 7은 제2 실시예인 무선 IC 디바이스의 임피던스 특성을 나타내는 스미스 차트도이다.

이하, 본 발명에 관한 무선 IC 디바이스의 실시예에 대해 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 공통된 부품, 부분은 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략한다.

(제1 실시예, 도 1∼도 5 참조)

제1 실시예인 무선 IC 디바이스(1A)는 UHF대의 통신에 이용되는 것으로, 도 1에 나타내는 바와 같이 가요성을 가지는 직사각형 형상을 이루는 기재 시트(10)와, 상기 기재 시트(10)의 표면에 마련된 방사 소자(20)(두 개의 방사부(21A, 21B)와 각각의 접속부(22A, 22B)로 이루어진다)와, 상기 방사 소자(20)에 접속된 급전 모듈(30)을 구비하고 있으며, 이른바 RFID 태그로서 구성되어 있다.

기재 시트(10)는, 예를 들면 내열성이나 내약품성을 가지는 것이 바람직하고, 폴리이미드나 PET 등의 열가소성 수지재를 알맞게 사용할 수 있다. 방사 소자(20)는, 기재 시트(10) 상에 상기 시트(10)의 거의 전면(全面)에 마련된 은, 구리, 알루미늄 등을 주성분으로 하는 금속막에 의해 가요성을 갖도록 형성되어 있다. 방사 소자(20)는 긴 변 방향의 중앙부분에서 갭을 통해 두 개의 방사부(21A, 21B)로 분할되어 있고, 방사부(21A, 21B)가 대향하는 갭을 향해 접속부(22A, 22B)가 각각 마련되어 있다. 급전 모듈(30)은 이 갭을 걸치도록 땜납 등의 도전성 접합재(39)에 의해 접속부(22A, 22B)에 접합되어 있다. 즉, 방사 소자(20)는 다이폴형(dipole type) 방사 소자로서 기능한다. 또한, 방사 소자(20)는 접속부(22A, 22B)를 제외하고, 도시하지 않은 레지스트층(예를 들면 폴리이미드 수지)에 의해 피복되어 있어도 된다.

급전 모듈(30)은, 급전 회로기판(31)과 무선 IC 소자(무선 IC칩(50))로 구성되어 있다. 무선 IC칩(50)은 메모리 회로, 클록 회로, 로직 회로 등을 구비하고, RF 신호를 처리하는 집적 회로소자이며, 도 2에 나타내는 바와 같이 차동형 입출력 전극(51A, 51B)을 가지고 있다. 무선 IC칩(50)은, 실리콘 등의 반도체 기판을 베이스로 하여 형성되어 있다. 또한, 무선 IC 소자로서는 베어칩 IC이어도 되고, 패키지 IC이어도 된다.

급전 회로기판(31)에는 이하에 설명하는 급전 회로(33)가 내장되어 있고, 방사 소자(20)의 단부, 즉 급전부인 접속부(22A, 22B)와의 결합은 땜납 등의 도전성 접합재(39)에 의해 전기적으로 직접 결합(DC 접속)되어 있다. 상세하게는, 급전 모듈(30)은 급전 회로기판(31) 상에 무선 IC칩(50)을 탑재하면서 무선 IC칩(50)을 수지재(55)로 밀봉한 것이다.

급전 회로기판(31)은 복수의 기재층(도 4 참조)을 적층해서 이루어지는 적층체(32)로 이루어지고, 도 2 및 도 3에 나타내는 급전 회로(33)를 내장하고 있다. 급전 회로(33)는 무선 IC칩(50)에 대해 직렬 접속된 제1 코일 소자(L1)와, 무선 IC칩(50)에 대해 병렬 접속된 제2 코일 소자(L2)를 포함하고 있다. 제1 코일 소자(L1)의 일단은 전극(34A)에 접속되고, 상기 전극(34A)은 무선 IC칩(50)의 입출력 전극(51A)에 땜납 등의 도전성 접합재(52)를 통해 접합되어 있다. 제1 코일 소자(L1)의 타단은 콘덴서 소자(C1)를 통해 입출력 전극(35A)에 접속되고, 상기 입출력 전극(35A)은 상기 방사부(21A)의 접속부(22A)에 도전성 접합재(39)를 통해 접속된다.

제2 코일 소자(L2)의 일단은 상기 제1 코일 소자(L1)의 타단 및 콘덴서 소자(C1)에 접속되어 있다. 제2 코일 소자(L2)의 타단은 전극(34B)에 접속되고, 상기 전극(34B)은 무선 IC칩(50)의 입출력 전극(51B)에 도전성 접합재(52)를 통해 접합되어 있다. 또한, 제2 코일 소자(L2)의 타단은 콘덴서 소자(C2)를 통해 입출력 전극(35B)에 접속되고, 상기 입출력 전극(35B)은 상기 방사부(21B)의 접속부(22B)에 도전성 접합재(39)를 통해 접속된다. 환언하면, 제1 코일 소자(L1)는 차동신호 선로에 대해 직렬적으로 접속되어 있고, 제2 코일 소자(L2)는 차동신호 선로 간에 마련되어 있다.

제1 코일 소자(L1) 및 제2 코일 소자(L2)는 각 코일 소자(L1, L2)의 권회 축이 거의 같은 축 상에 위치하도록, 또한 각 코일 소자(L1, L2)에 발생하는 자계(M1, M2)의 방향이 서로 역방향이 되도록 권회, 배치되어 있다. 상세하게는, 각 코일 소자(L1, L2)는 그 권회 축이 적층체(32)의 적층방향을 따르도록 적층체(32)의 내부에 배치되어 있다. 즉, 도 2에 나타내는 바와 같이 제1 코일 소자(L1)에서 전류(a)로 발생하는 자계(M1)의 방향과 제2 코일 소자(L2)에서 전류(b)로 발생하는 자계(M2)의 방향이 서로 마주 보고 있다. 그리고, 제1 코일 소자(L1) 및 제2 코일 소자(L2)는 부호 M으로 나타내는 바와 같이 자기결합하고, 콘덴서 소자(C1, C2)와 공진회로를 형성하고 있다. 이 공진회로는 무선 IC칩(50)과 방사 소자(20)의 임피던스 정합회로로서도 기능한다.

제1 코일 소자(L1)는 무선 IC칩(50) 측의 직렬 인덕턴스 성분이고, 이 인덕턴스 성분은 주로 임피던스 차트상에서의 허수축 방향으로 임피던스를 이동시키는 기능을 가지고 있다. 한편, 제2 코일 소자(L2)는 방사 소자(20) 측의 직렬 인덕턴스 성분이고, 방사 소자(20)의 두 개의 접속부(22A, 22B)를 걸치도록 마련되며, 주로 어드미턴스 차트상에서의 허수축 상에 임피던스를 이동시키는 기능을 가진다. 이상과 같이, 2종류의 코일 소자에 각각 상기와 같은 역할을 갖게 함으로써, 임피던스를 효율적으로 매칭시킬 수 있다.

여기에서, 급전 회로기판(31)(적층체(32))의 적층구조에 대해 도 4를 참조해서 설명한다. 적층체(32)는 유전체 혹은 자성체로 이루어지는 기재층(41a∼41l)을 적층, 압착, 소성한 것이다. 단, 적층체(32)를 구성하는 기재층은 세라믹에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 액정 폴리머 등과 같은 열경화성 수지나 열가소성 수지와 같은 수지이어도 된다.

기재층(41a∼41l)은 기재층(41a)이 최하층이 되고, 기재층(41l)이 최상층이 되도록 적층된다. 기재층(41a)에는 그 이면에 입출력 전극(35A, 35B)이 형성되고, 또한 비어홀 도체(61a, 61b)가 형성되어 있다. 기재층(41b, 41c, 41d)에는 그 표면에 콘덴서 전극(42A, 42B, 43A, 43B, 44A, 44B)이 형성되고, 또한 비어홀 도체(62a, 62b, 63a, 63b)가 형성되어 있다. 기재층(41e)에는 비어홀 도체(63a, 63b)가 형성되어 있다. 기재층(41f∼41k)에는 그 표면에 도체 선로(45A∼45F)가 형성되고, 또한 비어홀 도체(63a∼63h)가 형성되어 있다. 기재층(41l)에는 그 표면에 입출력 전극(34A, 34B), 실장 전극(34C, 34D)이 형성되고, 또한 비어홀 도체(63g, 63h)가 형성되어 있다.

이상의 기재층(41a∼41l)을 적층함으로써 상기 급전 회로(33)가 구성된다. 즉, 전극(35A, 35B)은 비어홀 도체(61a, 61b)를 통해 각각 콘덴서 전극(42A, 42B)과 접속된다. 콘덴서 전극(42A, 42B)은 비어홀 도체(62a, 62b)를 통해 각각 콘덴서 전극(44A, 44B)과 접속된다. 콘덴서 전극(44A, 44B)은 비어홀 도체(63a, 63b)를 통해 각각 도체 선로(45A)의 일단 및 타단에 접속된다. 콘덴서 전극(43A, 43B)은 비어홀 도체(63a, 63b)를 통해 각각 도체 선로(45A)의 일단 및 타단에 접속된다.

도체 선로(45A)의 일단은 비어홀 도체(63a)를 통해 도체 선로(45B)의 일단에 접속되고, 상기 도체 선로(45B)의 타단은 비어홀 도체(63d)를 통해 도체 선로(45C)의 일단에 접속된다. 도체 선로(45A)의 타단은 비어홀 도체(63c)를 통해 도체 선로(45F)의 일단에 접속되고, 상기 도체 선로(45F)의 타단은 비어홀 도체(63h)를 통해 입출력 전극(34B)에 접속된다. 도체 선로(45C, 45D, 45E)는 각각 비어홀 도체(63e, 63f)를 통해 나선 형상으로 접속된다. 도체 선로(45E)의 타단은 비어홀 도체(63g)를 통해 입출력 전극(34A)에 접속된다.

이상의 접속 양태로, 콘덴서 전극(42A, 43A, 44A)에 의해 콘덴서 소자(C1)가 구성되고, 콘덴서 전극(42B, 43B, 43C)에 의해 콘덴서 소자(C2)가 구성된다. 또, 도체 선로(45C, 45D, 45E)에 의해 제1 코일 소자(L1)가 구성되고, 도체 선로(45A)에 의해 제2 코일 소자(L2)가 구성된다.

무선 IC 디바이스(1A)에 있어서는, 무선 IC칩(50)으로부터 소정의 고주파 신호가 급전 회로(33)를 통해 방사 소자(20)에 전달되면, 그대로 방사 소자(20)로부터 외부로 방사된다. 방사 소자(20)가 외부로부터의 고주파를 수신한 경우도, 마찬가지로 급전 회로(33)를 통해 무선 IC칩(50)에 전력이 공급된다. 이로써, 무선 IC칩(50)과 도시하지 않은 리더 라이터가 교신하게 된다.

무선 IC 디바이스(1A)에 있어서, 제1 코일 소자(L1) 및 제2 코일 소자(L2)가 서로의 권회 축이 거의 같은 축 상에 위치하도록, 또한 각 코일 소자(L1, L2)에 발생하는 자계(M1, M2)의 방향이 역방향이 되도록 권회, 배치되어 있기 때문에, 각 코일 소자(L1, L2)의 결합이 양호하며, 복수의 공진점이 생겨서 넓은 주파수대로 고주파 신호의 송수신이 가능하고, 또한, 소자 수가 적기 때문에 급전 회로기판(31)이 소형화되고, 나아가서는 무선 IC 디바이스(1A) 자체도 소형화된다.

상기 급전 회로기판(31)을 이용한 무선 IC 디바이스(1A)에 있어서, 주파수에 대한 통신 거리를 도 5에 나타낸다. 도 5에 있어서 통신 거리는 최장 거리를 1로 한 비로 나타내고 있다. 실제 거리는 방사 소자(20)의 이득에 따라 달라진다. 또, 방사 소자(20)와 무선 IC칩(50)의 임피던스가 매칭하는 영역이 크게 취해져 있으며, 두 개의 공진점 X, Y(도 5 참조)가 발생한다.

급전 회로(33)에 있어서, 제1 코일 소자(L1)는 임피던스 정합용 인덕턴스 소자로서 주로 기능하고 있고, 제2 코일 소자(L2)는 급전 회로(33)를 구성하는 인덕턴스 소자로서 주로 기능하고 있다. 무선 IC칩(50)의 허부(imaginary part)의 임피던스가 마이너스 방향으로 크고, 방사 소자(20)의 허부의 임피던스가 플러스 방향으로 크기 때문에, 제1 코일 소자(L1)의 인덕턴스 값은 제2 코일 소자(L2)의 인덕턴스 값보다도 큰 것이 바람직하다. 또, 양자의 인덕턴스 값의 비(L1:L2)는 3:1∼4:1인 것이 보다 바람직하다.

(제2 실시예, 도 6 및 도 7 참조)

제2 실시예인 무선 IC 디바이스(1B)는, 도 6에 나타내는 바와 같이 방사 소자(20)의 두 개의 방사부(21A, 21B)를 미앤더 형상으로 한 것이고, 다른 구성은 상기 제1 실시예와 같다. 그 작용 효과도 제1 실시예와 같다.

이 무선 IC 디바이스(1B)의 주파수에 대한 통신 거리는 도 5와 거의 같은 특성을 나타내며, 방사부(21A, 21B)를 미앤더 형상으로 함으로써 이득이 향상되기 때문에 통신 거리는 약간 길어진다. 또한, 임피던스 특성을 도 7에 나타낸다. 도 7에 있어서 A부분이 860MHz에서의 특성, B부분이 960MHz에서의 특성이다. C부분이 고리모양으로 되어 있는 것에서 알 수 있듯이, 방사 소자(20)와 무선 IC칩(50)의 임피던스가 매칭하는 영역이 크게 취해져 있다.

임피던스(허부)로는, 무선 IC칩(50)이 -150∼-250Ω이고, 방사 소자(20)가 50∼400Ω이다.

(다른 실시예)

또한, 본 발명에 관한 무선 IC 디바이스는 상기 실시예에 한정하는 것이 아니라, 그 요지의 범위 내에서 여러 가지로 변경할 수 있다.

특히, 기재 시트나 방사 소자의 재질, 형상이나 사이즈는 용도에 따라 적절히 선택하면 된다. 또, 방사 소자의 형상은 임의이며, 루프 형상이어도 된다.

또, 무선 IC 디바이스는 물품에 부착하는 태그로서 뿐 아니라 리더 라이터로서 사용하는 것도 가능하며, RFID 시스템 이외의 무선통신 시스템에서 이용할 수도 있다. 혹은, 무선 IC칩은 급전 회로기판 상에 실장되는 이외에 다른 기판에 실장되어도 된다.

방사 소자는 전용으로 마련되는 이외에 프린트 배선판에 마련된 그라운드 도체를 이용해서 구성해도 되며, 이 경우 프린트 배선판이 무선 IC 디바이스의 본체가 된다. 또, 급전 회로기판은 무선 IC칩의 재배선층으로서, 이른바 반도체 프로세스에 의해 형성되는 것이어도 된다.

(산업상의 이용 가능성)

이상과 같이, 본 발명은 무선 IC 디바이스에 유용하며, 특히 넓은 주파수대역을 소형의 급전 회로기판으로 실현할 수 있는 점에서 우수하다.

1A, 1B 무선 IC 디바이스
20 방사 소자
30 급전 모듈
31 급전 회로기판
32 적층체
33 급전 회로
41a∼41l 기재층
50 무선 IC칩
L1, L2 코일 소자
C1, C2 콘덴서 소자

Claims

무선 IC 소자와,
복수의 기재층을 적층해서 이루어지는 적층체로 이루어지고, 상기 무선 IC 소자에 접속된 급전 회로를 포함하는 급전 회로기판과,
상기 급전 회로에 접속된 방사 소자를 구비한 무선 IC 디바이스로서,
상기 급전 회로는, 상기 무선 IC 소자에 대해 직렬 접속된 제1 코일 소자와, 상기 무선 IC 소자에 대해 병렬 접속된 제2 코일 소자를 포함하고,
상기 제1 코일 소자 및 상기 제2 코일 소자는, 각 코일 소자의 권회(winding) 축이 거의 같은 축 상에 위치하도록, 또한 각 코일 소자에 발생하는 자계의 방향이 역방향이 되도록 권회, 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 제1 코일 소자 및 상기 제2 코일 소자는, 각 코일 소자의 권회 축이 상기 기재층의 적층방향을 따르도록 상기 적층체의 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 급전 회로는, 상기 제2 코일 소자의 양단부와 상기 방사 소자의 사이에 각각 접속된 제1 콘덴서 소자 및 제2 콘덴서 소자를 포함하고,
상기 제2 코일 소자와 상기 제1 및 제2 콘덴서 소자로 공진회로가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 IC 디바이스.