JP5304956B2 - Rfidチップパッケージ及びrfidタグ - Google Patents

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Description

本発明は、RFIDチップパッケージ、特にRFID(Radio Frequency Identification)システムにおいて、RFIDチップとそのアンテナとの間に介在されるRFIDチップパッケージ及びRFIDタグに関する。
近年、物品の情報管理システムとして、誘導磁界を発生するリーダライタと、物品に付されたRFIDタグとを電磁界を利用した非接触方式で通信し、所定の情報を伝達するRFIDシステムが実用化されている。ここで、RFIDタグは、所定の情報を記憶し、所定のRF信号を処理するRFIDチップと、RF信号の送受信を行うアンテナとで構成されている。
ところで、RFIDシステムにおいては、RF信号が微弱であるため、例えば、特許文献1,2に記載されているように、RFIDチップには多段チャージポンプなどの昇圧回路が備えられており、RFIDチップの入出力インピーダンスは極めて高くなっている。それゆえ、アンテナにおいても、その入出力インピーダンスをRFIDチップの入出力インピーダンスに整合させる必要があり、アンテナの設計が難しく、特に小型化や広帯域化が困難であるという問題点を有していた。
特開2005−202943号公報 特開2009−130896号公報
そこで、本発明の目的は、高いインピーダンス特性を有するRFIDチップを低いインピーダンス特性のアンテナに好適に整合させることができ、アンテナ設計の困難性を解消できる、RFIDチップを含むRFIDチップパッケージ及びRFIDタグを提供することにある。
本発明の第1の形態であるRFIDチップパッケージは、
昇圧回路を備え、UHF帯のRF信号を処理するRFIDチップと、
前記RFIDチップに接続され、少なくとも一つのインダクタンス素子を含む給電回路と、
を備え、
前記RFIDチップは第1入出力端子と第2入出力端子とからなる平衡型の入出力端子を有し、
前記給電回路は、前記第1入出力端子に接続された第1端子と、前記第2入出力端子に接続された第2端子と、アンテナ素子の第1接続部に接続された第3端子と、前記アンテナ素子の第2接続部に接続された第4端子と、をそれぞれ有し、
さらに、前記給電回路は、前記第1端子と前記第2端子との間に接続された第1インダクタンス素子と、前記第3端子と前記第4端子との間に接続された第2インダクタンス素子と、を有し、
前記給電回路の前記第3端子と前記第4端子における入出力インピーダンスのリアクタンス成分がほぼ0Ωであること、
を特徴とする。
本発明の第2の形態であるRFIDタグは、
接続部を有するアンテナ素子と、該接続部に接続されたRFIDチップパッケージとを有するRFIDタグであって、
前記RFIDチップパッケージは、昇圧回路を備え、UHF帯のRF信号を処理するRFIDチップと、該RFIDチップに接続され、少なくとも一つのインダクタンス素子を含む給電回路と、を備え、
前記RFIDチップは第1入出力端子と第2入出力端子とからなる平衡型の入出力端子を有し、
前記給電回路は、前記第1入出力端子に接続された第1端子と、前記第2入出力端子に接続された第2端子と、アンテナ素子の第1接続部に接続された第3端子と、前記アンテナ素子の第2接続部に接続された第4端子と、をそれぞれ有し、
さらに、前記給電回路は、前記第1端子と前記第2端子との間に接続された第1インダクタンス素子と、前記第3端子と前記第4端子との間に接続された第2インダクタンス素子と、を有し、
前記給電回路の前記第3端子と前記第4端子における入出力インピーダンスのリアクタンス成分がほぼ0Ωであること、
を特徴とする。
前記RFIDチップパッケージにおいて、RFIDチップは昇圧回路を備えており、入出力インピーダンスのリアクタンス成分が−200Ω程度になっている。給電回路はこのRFIDチップに接続され、かつ、アンテナが接続されるアンテナ端子の入出力インピーダンスのリアクタンス成分がほぼ0Ωとされている。それゆえ、アンテナをダイポール型やパッチ型など一般的な形で整合をとることが容易になり、アンテナの設計に大きな自由度が生じて広帯域化が容易になる。また、RFIDチップを測定する際の測定系のインピーダンスは一般的に50Ωに設計されているため、RFIDチップの測定も容易になる。
本発明によれば、高いインピーダンス特性を有するRFIDチップを低いインピーダンス特性のアンテナに好適に整合させることができ、アンテナ設計の困難性を解消でき、RFIDチップパッケージが小型化する。
一実施例であるRFIDチップパッケージを示す斜視図である。 第1例である給電回路を示す等価回路図である。 第1例である給電回路を構成する積層体を各基材層ごとに分解して示す平面図である。 第2例である給電回路を示す等価回路図である。 第2例である給電回路を構成する積層体を各基材層ごとに分解して示す平面図である。 第3例である給電回路を示す等価回路図である。 第1例である給電回路のインピーダンス整合特性を示すスミスチャート図である。 RFIDタグの第1実施例を示し、(A)は分解斜視図、(B)は断面図である。 RFIDタグの第2実施例を示す分解斜視図である。
以下、本発明に係るRFIDチップパッケージ及びRFIDタグ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。
(RFIDチップパッケージ、図1参照)
一実施例であるRFIDチップパッケージは、図1に示すように、給電回路を内蔵した積層体からなる給電回路基板10上にRFIDチップ50を搭載したものである。なお、RFIDチップ50は給電回路基板10に内蔵あるいは基板10に形成した凹所(図示せず)に収容されていてもよい。
RFIDチップ50は、例えばUHF帯のRF信号を処理するもので、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いる。また、チャージポンプなどの昇圧回路をも含み、入出力インピーダンスは実部が20Ω、虚部が−200Ω程度である。RFIDチップ50は、その裏面に一対の入出力用端子電極及び一対の実装用端子電極が設けられている。入出力用端子電極は給電回路基板10の上面に設けた給電端子電極20a,20bに、実装用端子電極は給電回路基板10の上面に設けた実装用端子電極20c,20dに、それぞれ、金属バンプなどを介して電気的に接続される。なお、金属バンプの材料としては、Au、はんだなどを用いることができる。
給電回路は、少なくとも一つのインダクタンス素子を含み、好ましくはキャパシタンス素子をも含み、積層体からなる給電回路基板に内蔵されている。そして、アンテナ端子電極の入出力インピーダンスのリアクタンス成分がほぼ0Ωとされている。以下に、給電回路について第1例、第2例、第3例を詳述する。
(給電回路の第1例、図2及び図3参照)
図2に示すように、第1例である給電回路15Aは、RFIDチップ50に接続される二つの給電端子電極20a,20bと、図示しないアンテナに接続されるアンテナ端子電極21a,21bとを備え、インダクタンス素子L1,L2とキャパシタンス素子C1,C2とを有している。インダクタンス素子L1とキャパシタンス素子C1は端子電極20a,21a間に直列に接続されている。インダクタンス素子L2はインダクタンス素子L1とキャパシタンス素子C1との接続点と端子電極20bとキャパシタンス素子C2との接続点に接続されている。キャパシタンス素子C2は端子電極20b,21b間に直列に接続されている。
インダクタンス素子L1,L2は互いに電磁界結合しており、インダクタンス素子L1とキャパシタンス素子C1とは、及び、インダクタンス素子L2とキャパシタンス素子C2とは、それぞれ、電磁界を介して結合しており、それぞれの素子によって共振回路を形成している。また、図3を参照して説明するように、インダクタンス素子L1,L2を形成するそれぞれのコイルパターンも線間容量を持っている。
給電回路15Aは、RFIDチップ50から発信されて端子電極20a,20bから入力された所定の周波数を有する高周波信号を端子電極21a,21bからアンテナに伝達し、かつ、アンテナで受信した高周波信号を前記とは逆方向にRFIDチップ50に供給する。給電回路15Aが所定の共振周波数を有し、端子電極21a,21bの入出力インピーダンスのリアクタンス成分がほぼ0Ωとされている。それゆえ、RFIDチップ50からの実部が20Ω、虚部が−200Ωの入力インピーダンスがほぼ実部が50Ω、虚部が0Ωの出力となるので、アンテナに対するインピーダンスが整合されることになる。また、RFIDチップ50を測定する際の測定系のインピーダンスは一般的に50Ωに設計されているため、RFIDチップ50の測定も容易になる。
次に、給電回路15Aを内蔵した積層体(給電回路基板10)の構造について図3を参照して説明する。積層体は各基材層31a〜31kからなり、基材層31a〜31jは誘電体又は磁性体からなるセラミックシートであり、基材層31kは転写用シートである。図3において、各電極や各導体は各基材層31a〜31k上に形成され、基材層31aを基材層31bの上に重ね、さらに基材層31c,31d…上に重ねるという順序で積層する。最下層に重ねた基材層(転写シート)31kは積層後に剥離することにより、端子電極20a〜20dを積層体の下面に露出させる。
詳しくは、基材層31a上にはアンテナに接続される端子電極21a,21b及びビアホール導体29cが形成され、基材層31b,31c,31d上にはそれぞれ容量電極22a〜22f及びビアホール導体29d,29e,29fが形成されている。基材層31e〜31j上にはループ状導体23a〜23f,24a〜24d及びビアホール導体29a,29b,29gが形成されている。基材層31k上には端子電極20a〜20d及びビアホール導体29hが形成されている。
前記各基材層31a〜31kを積層することにより、図2に示した等価回路が形成される。即ち、容量電極22a,22c,22eにてキャパシタンス素子C1が形成され、容量電極22b,22d,22fにてキャパシタンス素子C2が形成される。また、ループ状導体23a〜23fがビアホール導体29aを介して形成されるコイルパターンにてインダクタンス素子L1が形成され、ループ状導体24a〜24dがビアホール導体29bを介して形成されるコイルパターンにてインダクタンス素子L2が形成される。
以上のごとく、給電回路基板10に内蔵された給電回路15Aのインピーダンス整合特性を、図7のスミスチャートに示す。RFIDチップ50の入出力インピーダンスは実部が20Ω、虚部が−200Ωであり、アンテナ側(変換後)のインピーダンスは実部が50Ω、虚部が0Ωである。
ところで、インダクタンス素子L1,L2は、それぞれを構成するコイルパターンがそれぞれの巻回軸が平行になるように積層体内に隣接して配置されており、それぞれのコイルパターンはある瞬間における磁束の向きが同方向になるように巻回されている(図3の矢印参照)。但し、逆方向になるように巻回されていてもよい。また、各コイルパターンの開口は、通過する磁束がキャパシタンス素子C1,C2に導かれるように容量電極22e,22fで覆われている。即ち、インダクタンス素子L1とキャパシタンス素子C1、及び、インダクタンス素子L2とキャパシタンス素子C2とは、それぞれ、電磁界を介して結合している。また、アンテナ端子電極21a,21bにキャパシタンス素子C1,C2を接続することでESDに強いRFIDチップパッケージを実現できる。
(給電回路の第2例、図4及び図5参照)
図4に示すように、第2例である給電回路15Bは、RFIDチップ50に接続される二つの給電端子電極20a,20bと、図示しないアンテナに接続されるアンテナ端子電極21a,21bとを備え、インダクタンス素子L5,L6,L7を有している。インダクタンス素子L5,L6は端子電極間に直列に接続されている。インダクタンス素子L7はインダクタンス素子L5,L6の接続点と端子電極20b,21bとの間に接続されている。インダクタンス素子L5,L6,L7はそれぞれ互いに電磁界結合している。また、図5を参照して説明するように、インダクタンス素子L5,L6,L7を形成するそれぞれのコイルパターンも線間容量を持っており、共振回路を形成している。
給電回路15Bの機能は第1例である給電回路15Aと基本的には同様であり、RFIDチップ50から発信されて端子電極20a,20bから入力された所定の周波数を有する高周波信号を端子電極21a,21bからアンテナに伝達し、かつ、アンテナで受信した高周波信号を前記とは逆方向にRFIDチップ50に供給する。給電回路15Bが所定の共振周波数を有し、端子電極21a,21bの入出力インピーダンスのリアクタンス成分がほぼ0Ωとされている。それゆえ、RFIDチップ50からの実部が20Ω、虚部が−200Ωの入力インピーダンスがほぼ実部が50Ω、虚部が0Ωの出力となるので、アンテナに対するインピーダンが整合されることになる。
次に、給電回路15Bを内蔵した積層体(給電回路基板10)の構造について図5を参照して説明する。基材層41a〜41oは誘電体又は磁性体からなるセラミックシートであり、基材層41pは転写用シートである。また、各基材層41a〜41pの積層順序も前記第1例と同様であり、最下層に重ねた基材層(転写シート)41pは積層後に剥離することにより、端子電極20a〜20dを積層体の下面に露出させる。
詳しくは、基材層41a上にはアンテナに接続される端子電極21a,21b及びビアホール導体43c,43gが形成され、基材層41b上にはビアホール導体43c,43gが形成されている。基材層41c〜41n上にはそれぞれループ状導体42a〜42l及びビアホール導体43a,43b,43d,43gが形成され、基材層41o上にはビアホール導体43e,43fが形成されている。基材層41p上には端子電極20a〜20d及びビアホール導体43e,43fが形成されている。
前記各基材層41a〜41pを積層することにより、図4に示した等価回路が形成される。即ち、ループ状導体42dの一部とループ状導体42e〜42lがビアホール導体43bを介して形成されるコイルパターンにてインダクタンス素子L5が形成される。ループ状導体42a〜42cとループ状導体42dの一部がビアホール導体43aを介して形成されるコイルパターンにてインダクタンス素子L6が形成される。さらに、基材層41f上に形成されたループ状導体42dの一部がインダクタンス素子L7を形成する。また、図4に示す線路45aはビアホール導体43d,43fによって形成され、線路45bはビアホール導体43gと基材層41fのビアホール導体43dによって形成される。
以上のごとく給電回路基板10に内蔵された給電回路15Bのインピーダンス整合特性は図7のスミスチャートと基本的には同様である。
(給電回路の第3例、図6参照)
図6に示すように、第3例である給電回路15Cは、前記第2例である給電回路15Bからインダクタンス素子L7を省略し、インダクタンス素子L5,L6の接続点と端子電極20b,21bを結ぶ線路45a,45bとを線路45cにて接続したものである。インダクタンス素子L5,L6は互いに電磁界結合しており、それぞれのコイルパターンが線間容量を持って共振回路を形成している。この給電回路15Cの作用、機能は前記第2例である給電回路15Bと基本的に同様である。
ところで、前記インダクタンス素子L5,L6は、ともにRFIDチップとアンテナとのインピーダンスを整合させる機能を有している。特に、インダクタンス素子L5は、RFIDチップ側に直列に挿入されたインダクタンスである。このインダクタンスは、主に、インピーダンスチャート上の虚数軸方向にインピーダンスを動かすという機能を有する。一方、インダクタンス素子L6は、アンテナ側に直列に挿入されたインダクタンスであり、アンテナ側の二つの端子21a,21bを跨るように配置されている。このインダクタンスは、主に、アドミッタンスチャート上の虚数軸上にインピーダンスを動かすという機能を有する。インダクタンス素子L5,L6に前記機能を持たせることにより、インピーダンスを効率よくマッチングさせることができる。
特に、インダクタンス素子L5のインダクタンス値をインダクタンス素子L6のインダクタンス値よりも大きくすることにより、RFIDチップ側のインピーダンス(入出力インピーダンス)が例えば実部が20Ω程度、虚部が−200Ω程度となるような場合であっても、これを比較的簡単な構成で50Ωに近づけることができる。
また、インダクタンス素子L5,L6は互いに電磁界(主に磁界)を介して結合していることが好ましい。これにて、必要なインダクタンス値を小さなパターンで得ることができる。また、インダクタンス素子L5,L6のコイルパターンを各コイルパターンに生じる磁界が同相(各コイルパターンに生じる磁界の向きが同じ)となるように巻回、配置することにより、各コイルの磁界が強め合うことになり、各コイルのサイズが小さくても大きなインダクタンス値を得ることができ、RFIDチップと給電回路基板とによって(アンテナを接続しなくても)数cm以下の近距離での通信が可能になる。
(RFIDタグの第1実施例、図8参照)
第1実施例であるRFIDタグ60Aについて図8を参照して説明する。このRFIDタグ60Aは、基材フィルム61上にダイポール型アンテナとして機能する第1放射素子65及び第2放射素子66を薄膜導体又は厚膜導体として設け、RFIDチップ50を搭載した給電回路基板15を第1放射素子65及び第2放射素子66に接続したものである。具体的には、第1及び第2放射素子65,66の接続部65a,66aに給電回路基板15の裏面に設けたアンテナ端子電極21a,21b(第3端子21a、第4端子21b)が導電性接合材67a,67bを介して接続されている。給電回路基板15の表面に設けた給電端子電極20a,20b(第1端子20a、第2端子20b)は、RFIDチップ50の入出力用端子電極に導電性接合材68a,68bを介して接続されている。
(RFIDタグの第2実施例、図9参照)
第2実施例であるRFIDタグ60Bについて図9を参照して説明する。このRFIDタグ60Bは、基材フィルム61上にループ型アンテナとして機能する放射素子70を薄膜導体又は厚膜導体として設け、RFIDチップ50を搭載した給電回路基板15を放射素子70の接続部70a,70bに接続したものである。給電回路基板15とRFIDチップ50及び接続部70a,70bとの接続関係は前記第1実施例であるRFIDタグ60Aと同様である。
(他の実施例)
なお、本発明に係るRFIDチップパッケージ及びRFIDタグ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できることは勿論である。
以上のように、本発明は、RFIDチップパッケージ及びRFIDタグに有用であり、特に、高いインピーダンス特性を有するRFIDチップを低いインピーダンス特性のアンテナに好適に結合できる点で優れている。
10…給電回路基板
15A,15B,15C…給電回路
31a〜31k,41a〜41p…基材層
20a,20b…給電端子電極
21a,21b…アンテナ端子電極
23a〜23f,24a〜24d…ループ状導体
42a〜42l…ループ状導体
50…RFIDチップ
60A,60B…RFIDタグ
65,66,70…放射素子
L1,L2,L5,L6,L7…インダクタンス素子
C1,C2…キャパシタンス素子

Claims (9)

  1. 昇圧回路を備え、UHF帯のRF信号を処理するRFIDチップと、
    前記RFIDチップに接続され、少なくとも一つのインダクタンス素子を含む給電回路と、
    を備え、
    前記RFIDチップは第1入出力端子と第2入出力端子とからなる平衡型の入出力端子を有し、
    前記給電回路は、前記第1入出力端子に接続された第1端子と、前記第2入出力端子に接続された第2端子と、アンテナ素子の第1接続部に接続された第3端子と、前記アンテナ素子の第2接続部に接続された第4端子と、をそれぞれ有し、
    さらに、前記給電回路は、前記第1端子と前記第2端子との間に接続された第1インダクタンス素子と、前記第3端子と前記第4端子との間に接続された第2インダクタンス素子と、を有し、
    前記給電回路の前記第3端子と前記第4端子における入出力インピーダンスのリアクタンス成分がほぼ0Ωであること、
    を特徴とするRFIDチップパッケージ。
  2. 前記第1インダクタンス素子のインダクタンス値は前記第2インダクタンス素子のインダクタンス値よりも大きいこと、を特徴とする請求項に記載のRFIDチップパッケージ。
  3. 前記第1インダクタンス素子及び前記第2インダクタンス素子は互いに電磁界を介して結合していること、を特徴とする請求項又は請求項に記載のRFIDチップパッケージ。
  4. 前記給電回路は前記第1及び第2インダクタンス素子を有する給電回路基板に配置されており、
    前記RFIDチップは前記給電回路基板に搭載又は内蔵されていること、
    を特徴とする請求項ないし請求項のいずれかに記載のRFIDチップパッケージ。
  5. 前記給電回路基板は複数の基材層を積層してなる積層体として構成され、
    前記第1及び第2インダクタンス素子は前記基材層に設けたループ状導体を巻回してコイルパターンとして構成したものであること、
    を特徴とする請求項に記載のRFIDチップパッケージ。
  6. 前記第1インダクタンス素子は第1のコイルパターン、前記第2インダクタンス素子は第2のコイルパターンにてそれぞれ構成され、
    前記第1及び第2のコイルパターンはそれぞれの巻回軸がほぼ平行になるように前記積層体内に隣接して配置されていること、
    を特徴とする請求項に記載のRFIDチップパッケージ。
  7. 前記第1のコイルパターン及び前記第2のコイルパターンは、各コイルパターンに生じる磁界が同相となるように、それぞれ巻回、配置されていること、を特徴とする請求項に記載のRFIDチップパッケージ。
  8. 前記給電回路は、さらにキャパシタンス素子を有しており、
    前記キャパシタンス素子は前記基材層に互いに対向するように設けた容量電極にて構成されていること、
    を特徴とする請求項ないし請求項のいずれかに記載のRFIDチップパッケージ。
  9. 接続部を有するアンテナ素子と、該接続部に接続されたRFIDチップパッケージとを有するRFIDタグであって、
    前記RFIDチップパッケージは、昇圧回路を備え、UHF帯のRF信号を処理するRFIDチップと、該RFIDチップに接続され、少なくとも一つのインダクタンス素子を含む給電回路と、を備え、
    前記RFIDチップは第1入出力端子と第2入出力端子とからなる平衡型の入出力端子を有し、
    前記給電回路は、前記第1入出力端子に接続された第1端子と、前記第2入出力端子に接続された第2端子と、アンテナ素子の第1接続部に接続された第3端子と、前記アンテナ素子の第2接続部に接続された第4端子と、をそれぞれ有し、
    さらに、前記給電回路は、前記第1端子と前記第2端子との間に接続された第1インダクタンス素子と、前記第3端子と前記第4端子との間に接続された第2インダクタンス素子と、を有し、
    前記給電回路の前記第3端子と前記第4端子における入出力インピーダンスのリアクタンス成分がほぼ0Ωであること、
    を特徴とするRFIDタグ。
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