特許第5835336号(P5835336)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5835336
(24)【登録日】2015年11月13日
(45)【発行日】2015年12月24日
(54)【発明の名称】RFIDタグ及び自動認識システム
(51)【国際特許分類】
   G06K 19/077 20060101AFI20151203BHJP
【FI】
   G06K19/077 264
【請求項の数】10
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2013-533646(P2013-533646)
(86)(22)【出願日】2012年9月7日
(86)【国際出願番号】JP2012072972
(87)【国際公開番号】WO2013039016
(87)【国際公開日】20130321
【審査請求日】2014年3月10日
(31)【優先権主張番号】特願2011-198228(P2011-198228)
(32)【優先日】2011年9月12日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004455
【氏名又は名称】日立化成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100100712
【弁理士】
【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦
(74)【代理人】
【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】遠藤 俊博
(72)【発明者】
【氏名】石坂 裕宣
(72)【発明者】
【氏名】太田 雅彦
(72)【発明者】
【氏名】田崎 耕司
(72)【発明者】
【氏名】細井 博之
【審査官】 和田 財太
(56)【参考文献】
【文献】 特開2011−159324(JP,A)
【文献】 特開2006−024087(JP,A)
【文献】 特開2003−256798(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G06K 19/07 −19/077
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
樹脂製の基材と、この基材上の中央部に配置されたICチップと、このICチップの外周部に配置され、前記ICチップと電気的に接続されて電気的閉回路を形成する単層のアンテナと、前記ICチップ及びアンテナを封止する封止材とを有するRFIDタグであって、
前記アンテナが、前記ICチップの外周部の基材上に凸状に配置され、間隙を有して隣接する構成成分を含む単層のコイルアンテナまたはループアンテナであり、前記アンテナの間隙には前記封止材が配置されており、
前記アンテナのインダクタンスLとICチップの静電容量Cとを含めて形成される電気回路の電磁界シミュレータによる共振周波数fが、ICチップの動作周波数またはその付近であり、
前記間隙を有して隣接するアンテナの構成部分の間に容量成分が生じ、さらに前記アンテナの間隙に配置された前記封止材の比誘電率が寄与することにより、前記間隙を有して隣接するアンテナの構成部分が静電容量を提供し、ICチップとこのICチップに電気的に接続された前記ICチップの外周部に配置されるアンテナとを有する構成全体の実質的な静電容量を、前記ICチップ単体の静電容量よりも増加させ、
前記ICチップの動作周波数が、13.56MHz〜2.45GHz、または0.86〜0.96GHzであり、
前記RFIDタグのサイズが、縦4mm以下×横4mm以下×高さ0.4mm以下、または縦2.5mm以下×横2.5mm以下×高さ0.3mm以下、または縦1.7mm以下×横1.7mm以下×高さ0.3mm以下であるRFIDタグ。
【請求項2】
請求項1において、
ICチップの動作周波数が0.86〜0.96GHzであり、アンテナのインダクタンスLとICチップの静電容量Cとを含めて形成される電気回路の電磁界シミュレータによる共振周波数f0が、0.2〜2GHzであるか、
または、ICチップの動作周波数が13.56MHzであり、前記電磁界シミュレータによる共振周波数f0が13.56〜29MHzであるか、
または、ICチップの動作周波数が2.45GHzであり、前記電磁界シミュレータによる共振周波数f0が2〜2.45GHzであるRFIDタグ。
【請求項3】
請求項1または2において、
アンテナが樹脂製の基材に貼り合わされた金属箔をエッチングすることにより、間隙を有して隣接する構成成分を含むように形成され、前記アンテナの間隙に封止材が配置されるRFIDタグ。
【請求項4】
請求項1から3の何れかにおいて、アンテナがこのアンテナを間に挟んで位置する2箇所のアンテナ端部を有し、このアンテナ端部の間に位置するアンテナを前記ワイヤボンディングのワイヤで跨いで、ICチップが、前記アンテナの端部と、ワイヤボンディング接続で、直接接続されているRFIDタグ。
【請求項5】
請求項1から4の何れかにおいて、アンテナの導線幅/導線間距離が、0.2mm/0.2mm〜0.05mm/0.05mmであるRFIDタグ。
【請求項6】
請求項1から5の何れかにおいて、封止材の比誘電率が2.6以上であるRFIDタグ。
【請求項7】
請求項1から6の何れかにおいて、基材の比誘電率が3.5以上であるRFIDタグ。
【請求項8】
請求項1から7の何れかにおいて、基材にポリイミドまたはガラスエポキシを用い、かつエポキシと炭素とシリカを主成分とした封止材を用いるRFIDタグ。
【請求項9】
請求項1から8の何れかにおいて、基材の片面のみにアンテナが形成されており、前記アンテナとICチップとワイヤボンディングのワイヤとを、封止材を用いて一括して封止することで、前記アンテナ、ICチップ、およびワイヤが、前記封止材の表面に露出していないRFIDタグ。
【請求項10】
請求項1から9の何れかのRFIDタグと、リーダまたはリーダライタとを有する自動認識システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、汎用のリーダやリーダライタと共に用いて非接触で情報の送受信を行うことができるRFID(Radio Frequency Identification)タグ及びこれを用いた自動認識システムに関する。
【背景技術】
【0002】
製品の情報や識別、管理、偽造防止の目的で、商品、包装、カード、書類等にはICチップを搭載した非接触式RFIDタグ(以下、単に「RFIDタグ」という。)が多数利用されている。ICチップには商品の名称、価格等の情報が書き込まれており、管理、販売、使用する際には、リーダやリーダライタ(以下、リーダとリーダライタを合わせて「リーダ等」ということがある。)によって、これらのICチップの情報を無線で読み取り、利用できる。製造日や製造所、残金等の情報を、後でリーダライタによって書き込むことができるものもある。このようにしてRFIDタグは商品管理の利便性向上や安全性の向上、また人為的ミスをなくす等大きなメリットをもたらしている。
【0003】
RFIDタグは、商品に取り付けたりカードに内蔵したりするという性格上、小型薄型化の要求も強い。特に、従来はロット番号を刻印・記入して管理したりあるいは管理そのものができていなかったものへの利用として近年着目されている。具体的には眼鏡や時計あるいは医療用サンプルや半導体等(以下、このような複雑な形状を有したり、サイズが縦:数cm×横:数cm×高さ:数cm(数cmとは、2〜3cmを表す。以下、同様。)程度以下の小さい物品を「小型多品種品」という。)の管理であり、商品(サンプル)の製造所、作業者、製造日、使用材料、寸法、特性、在庫数管理等に役立ち、管理作業者の手間を減らしてかつミスを防ぐことができる。これらのような利便性のある管理システム実現のためには、RFIDタグの小型化・薄型化が必要不可欠となる。
【0004】
比較的小型で薄型のRFIDタグとしては、図1に示すように、フィルム基材1上にアンテナ20を形成し、ICチップ30を搭載したRFIDタグ80が開示されている(特許文献1、2)。また、より小型のRFIDとして、基板上にアンテナパターンとICチップを取り付けた後、封止してパッケージ化したもの(特許文献3)や、より薄く平坦にするために、基板を設けずに、独立したアンテナパターン上にICチップを取付けた後、封止してパッケージ化したもの(特許文献4)が開示されている。さらに、図2に示すように、ICチップサイズまで小型化したRFIDタグとして、ICチップ30上に直接アンテナ20を形成したもの(オンチップアンテナ)が開示されている(特許文献5、6)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2006−221211号公報
【特許文献2】特開2011−103060号公報
【特許文献3】特開2010−152449号公報
【特許文献4】特開2001−052137号公報
【特許文献5】国際公開第2005/024949号
【特許文献6】特開2007−189499号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1、2のRFIDタグは、比較的小型で薄型であり、汎用のリーダ等でも200mm以上の通信距離を有する。しかし、フィルム基材に設けるアンテナとして、縦または横が、数cm程度の大きさが必要なため、RFIDタグを取付ける対象が、上述した小型多品種品である場合には対応できず、対象となる製品や取付けについての制約が大きい。
【0007】
特許文献3、4のRFIDタグは、数mm角(縦:数mm×横:数mmを表す。また、数mmとは、2〜3mmを表す、以下、同様。)程度と小型であり、小型多品種品にも対応できる。しかし、引用文献3のRFIDタグは、アンテナを多層に設けるため、アンテナを設ける基材も多層構造が必要となり、コストがかかる上、全体の厚みも増す問題がある。引用文献4のRFIDタグは、基材で支持されない単体のアンテナを、多数個繋げたリードフレーム状の部材を用いるので、封止後に個々のパッケージに切断すると、アンテナの切断面がパッケージの外部に露出し、環境劣化等による通信特性や信頼性への影響が懸念される。しかも、引用文献3、4のような、数mm角程度サイズのRFIDタグは、一般に、通信距離が1〜2mm以下程度であり、実用的には十分とは言えない。リーダ等の側で対応することで、通信距離を伸ばすことは可能であるが、専用のリーダ等が必要になり、汎用のリーダ等が使えないため、使い勝手が悪い問題がある。
【0008】
特許文献5、6のRFIDは、サイズはICチップと同等(数100μm角程度)であり、小型多品種品に十分対応できる。しかし、通信距離が1mm以下または接触レベルと短く、実際に使用する現場においては、作業の効率や自由度が低い問題がある。一方、通信距離を長くしようとすると、ICチップ自体のサイズを拡大する必要があるため、コスト高になる問題があった。
【0009】
サイズが10数mm角程度以下で、かつ通信距離が、数mm(2〜3mm)程度以上であるようなRFIDタグであれば、小型多品種品を始めとして、適用範囲は大幅に拡大し、また汎用のリーダ等でも対応可能であるため、産業上利用価値が非常に高い。しかしながら、上述したように、サイズが数mm角オーダー以下のRFIDは、通信距離が短く、実用上は、使い勝手の悪いものであった。また、適用製品が、半導体パッケージ等の電子部品や射出成形品等の場合、リフローや成形時の加熱、あるいは使用時の発熱に晒されるため、250〜300℃で数秒程度の耐熱性を要するが、このような耐熱性は考慮されていない問題がある。
【0010】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型(1.7〜13mm角)であっても、通信距離を確保可能で、耐熱性や耐環境性を有し、しかも従来のオンチップアンテナやパッケージ化したものに比べて、コストを低減可能なRFIDタグ及びこれを用いた自動認識システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、以下のものに関する。
【0012】
1. 樹脂製の基材と、この基材上の中央部に配置されたICチップと、このICチップの外周部に配置され、前記ICチップと接続されて電気的閉回路を形成する単層のアンテナと、前記ICチップ及びアンテナを封止する封止材とを有するRFIDタグであって、前記アンテナが、コイルアンテナまたはループアンテナであり、前記アンテナのインダクタンスLとICチップの静電容量Cとを含めて形成される電気回路の共振周波数fが、ICチップの動作周波数またはその付近であり、前記ICチップの動作周波数が、13.56MHz〜2.45GHz、または0.86〜0.96GHzであり、前記RFIDタグのサイズが、縦13mm以下×横13mm以下×高さ1.0mm以下、または縦4mm以下×横4mm以下×高さ0.4mm以下、または縦2.5mm以下×横2.5mm以下×高さ0.3mm以下、または縦1.7mm以下×横1.7mm以下×高さ0.3mm以下であるRFIDタグ。
【0013】
2. 項1において、ICチップの動作周波数が0.86〜0.96GHzであり、アンテナのインダクタンスLとICチップの静電容量Cとを含めて形成される電気回路の共振周波数fが、0.2〜2GHzであるか、または、ICチップの動作周波数が13.56MHzであり、前記共振周波数fが13.56〜29MHzであるか、または、ICチップの動作周波数が2.45GHzであり、前記共振周波数fが2〜2.45GHzであるRFIDタグ。
【0014】
3. 項1または2において、間隙を有して隣接するアンテナの構成部分が静電容量を提供し、ICチップとこの外周部に配置されるアンテナとを有する構成全体の実質的な静電容量を、前記ICチップ単体の静電容量よりも増加させるRFIDタグ。
【0015】
4. 項1から3の何れかにおいて、ICチップが、アンテナの端部と、ワイヤボンディング接続またはフリップチップ接続で、直接接続されているRFIDタグ。
【0016】
5. 項1から4の何れかにおいて、アンテナの導線幅/導線間距離が、0.2mm/0.2mm〜0.05mm/0.05mmであるRFIDタグ。
【0017】
6. 項1から5の何れかにおいて、封止材の比誘電率が2.6以上であるRFIDタグ。
【0018】
7. 項1から6の何れかにおいて、基材の比誘電率が3.5以上であるRFIDタグ。
【0019】
8. 項1から7の何れかにおいて、基材にポリイミドまたはガラスエポキシを用い、かつエポキシと炭素とシリカを主成分とした封止材を用いるRFIDタグ。
【0020】
9. 項1から8の何れかにおいて、基材の片面のみにアンテナが形成されており、前記アンテナとICチップとワイヤボンディングのワイヤとを、封止材を用いて一括して封止することで、前記アンテナ、ICチップ、およびワイヤが、前記封止材の表面に露出していないRFIDタグ。
【0021】
10. 項1から9の何れかのRFIDタグと、リーダまたはリーダライタとを有する自動認識システム。
【発明の効果】
【0022】
本発明は、小型(1.7〜13mm角)であっても、通信距離を確保可能で、耐熱性や耐環境性を有し、しかも従来のオンチップアンテナやパッケージ化したものに比べて、コストを低減可能なRFIDタグ及びこれを用いた自動認識システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
図1】従来のRFIDタグの概略図である。
図2】従来のRFIDタグの概略図である。
図3】本実施形態のRFIDタグのアンテナの形状を示す図である。
図4】本実施形態のRFIDタグの概略図である。
図5】ICチップを接続したコイルアンテナの電気的等価回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
本発明における基材は、アンテナやICチップを支持するものである。基材としては、樹脂製のものを使用する。樹脂製の基材としては、リフローや成形時の加熱、あるいは使用時の発熱に晒される時に必要な、250〜300℃で数秒程度の耐熱性と機械的強度を有し、熱膨張係数が小さい材料が好適であり、このようなものとして、ガラスエポキシ、フェノール、ポリイミド等が利用できる。アンテナを低コストでばらつきなく形成するためには、基材の片面に金属箔が貼り合わされた金属箔付き基材を用いて、エッチングによりアンテナを形成することが効果的である。さらにRFIDタグの薄型化のためには10〜50μm程度の薄い基材を用いることが有効である。前記条件を満たす基材として、ポリイミド基材の片面に銅箔が貼り合わされた銅箔付きポリイミド基材(例えば日立化成工業株式会社製 製品名:MCF−5000I、ポリイミド厚み25μm、銅箔厚み18μm)が利用できる。なお、比誘電率は、紙フェノールが4.6〜7.0程度、ガラスエポキシが4.4〜5.2程度、ポリイミドが3.5程度であり、これらの基材は全て利用できるが、比誘電率が高ければ、インダクタンスが増加するため、アンテナを小型化できる。なお、比誘電率は、紙フェノールやガラスエポキシより小さいが、基材が薄く形成可能で、耐熱性があり、物理的強度が強く、アンテナの形成性も良好な点で、銅箔付きポリイミド基材を用いるのが望ましい。
【0025】
本発明のアンテナは、リーダ等と電磁結合して電力を受け取り、ICチップに伝えて、ICチップを動作させるものである。アンテナは単層でよく、多層化する必要がないので、基材の片面に金属層として銅箔を貼り合せた、銅箔付きポリイミド基材の銅箔を用いて形成すると、低コストでばらつきなく形成することができる点で望ましい。
【0026】
図3に示すように、樹脂製の基材1上の中央部にICチップ30を配置し、このICチップ30の外周部の基材1の片面にアンテナ20を配置する。アンテナ20は、基材1の外周部の長さのとれる領域に配置されるので、アンテナ形状の自由度が拡大し、アンテナ20のインダクタンスLとICチップ30の静電容量Cとを含めて形成される電気回路(以下、「LC共振回路」ということがある。ここで、Lはインダクタンス、Cは静電容量を示す。)の共振周波数の調整が容易となる。また、アンテナ20は、ICチップ30の外周部に設けられるので、コイルアンテナの場合、コイルの直径が大きくなり、インダクタンスが増加して、通信距離の確保と小型化に有利となる。また、アンテナ20は、ICチップ30と接続されて電気的閉回路を形成し、開放端を有しないようにする。ICチップ30と接続されて電気的閉回路を形成し、開放端を有しないアンテナの具体例としては、図3(4)のループアンテナBや図3(5)のコイルアンテナが挙げられ、これにより、RFIDタグのサイズが小型でも、LC回路としてアンテナ20を容易に設計でき、かつ小面積で効率的にインダクタンスを得ることができるため、通信距離を確保するのが有利となる。
【0027】
アンテナの形状の代表的な例を、図3(1)〜(5)に示す。アンテナ20の形状は、アンテナ20のインダクタンスとICチップ30の静電容量とを含めて形成される電気回路(LC共振回路)の共振周波数が、ICチップ30の動作周波数またはその付近となるように設計する。アンテナ20の形状としては、メアンダラインアンテナ(図3(2))、ループアンテナ(図3(1)、(4))、コイルアンテナ(図3(5))、渦アンテナ(図3(3))等のアンテナとして広く用いられているものが利用できる。これらの中でも、ICチップ30と接続されて電気的閉回路を形成するコイルアンテナ(図3(5))やループアンテナB(図3(4))は、電気回路をLC共振回路として容易に設計することができ、かつ小面積で効率的にインダクタンスを得ることができるため、小型化することが可能となる点で望ましく、特にコイルアンテナ(図3(5))が望ましい。アンテナ20の設計手法については後述する。またコイルアンテナの場合、巻線コイルを接着剤等で搭載することも可能だが、巻線コイルよりもエッチングで作製するコイルのがインダクタンス等の性能が安定しており、また、導線幅/導線間距離が、0.2mm/0.2mm〜0.05mm/0.05mm程度の微細な配線を形成することができるため小型化に有利であり、量産性にも優れているため、エッチング製法のほうが産業上有効である。また、このようなアンテナ20の形状をとり、さらに基材1と封止材10の比誘電率が寄与することにより、間隙を有して隣接する構成部分を含むアンテナ20は、隣接する構成部分が容量的に結合し、これらの間に静電容量を提供する。これにより、ICチップ30とこの外周部に配置されるアンテナとを有する構成全体の実質的な静電容量である実効静電容量は、ICチップ30単体の静電容量よりも著しく増加することになる。ここで、実質的な静電容量とは、ICチップ30の外周部にアンテナを配置した構成におけるICチップ30が提供する静電容量である。
【0028】
また、図3には、ICチップ30及びワイヤボンディングしたワイヤ40も図示している。銅箔付きポリイミドの銅箔をエッチングしてアンテナ20を形成するとき、ICチップ30を搭載する部分の銅箔も残しておき、ダイパッド(図示しない。)を形成しておくことで、ICチップ30のワイヤボンディング等の接続の際に剛性を保ち歩留まりが向上する。
【0029】
ICチップ30を搭載する部分の銅箔の上にダイボンドフィルム(図示しない。)を配置し、その上にICチップ30を固定する。ICチップ30は読み取り専用のものでもよいが、情報を書き込めるもののほうが、作業履歴等を随時書き込めるため好適である。その後、ワイヤボンディングによってICチップ30とアンテナ20を直接接続する。図3(5)のコイルアンテナ20では、2箇所のアンテナ端部が、アンテナ20を間に挟んで位置するが、この間に位置するアンテナ20を、ワイヤボンディングのワイヤ40で跨いで、アンテナ端部とICチップ30とを直接接続することによって、ジャンパー線を設けたり、多層化してスルーホールを介して接続する必要がないため、低コスト化を図ることができる。
【0030】
ほとんど全てのアンテナは配線場所を調整することでフリップチップ接続により、アンテナとICチップとを直接接続することも可能である。両面銅箔基材等を用いて多層配線すれば全てのアンテナにおいてフリップチップ接続ができるが、量産性減少、コスト上昇及び配線が封止後に表面に露出してしまう等の理由から片面銅箔基材を用いることが望ましい。
【0031】
両面銅箔基材等を用いて多層配線することで、特にコイルアンテナではコイルの直径を小さくすることができるためRFIDタグの縦および横の寸法を減らし、小型化を実現できる。但し、この場合は、高さの寸法が若干増加する。また、デメリットとしては量産性減少、コスト上昇及び配線が封止後に表面に露出してしまう等があるため、やはり片面銅箔基材を用いて、単層のコイルアンテナを形成することが望ましい。
【0032】
図4は、封止後のRFIDタグ80を示す断面図である。基材1上にてダイパッド90上に搭載されたICチップ30、アンテナ20、ワイヤ40を、封止材10を用いて一括して封止することで、それらを保護する。基材1として薄いものを用い、アンテナ20を基材の片面のみに単層で設けているので、封止後の厚みは、例えば0.2〜1.0mm程度にすることができる。封止後、ICチップ30やアンテナ20やワイヤ40等の金属配線部分は全て封入されるため、封止材10の外部からは、まったく触れられない構造となり、環境劣化の観点からも偽造防止の観点からも安全性・信頼性が向上する。
【0033】
封止材としては、通常半導体で使用されている封止材を使用することができ、比誘電率は2.6〜4.5程度である。RDIDタグ自体の性能を高めるためには、封止材の比誘電率は低いほうが好ましいが、比誘電率が高ければインダクタンスが増加するためアンテナを小型化することができる。
【0034】
このようにして作製されたRFIDタグは、基材が耐熱性180℃以上、封止材が耐熱性150℃以上であり、ワイヤボンディングを使用しているため、従来のPET等にアンテナを形成しているRFIDタグに比べて耐熱性が高く、高温でも正常に動作する。このため、適用製品が、半導体パッケージ等の電子部品や射出成形品等の場合、リフローや成形時の加熱、あるいは使用時の発熱に晒されるので、250〜300℃で数秒程度の耐熱性を要するが、このような用途にも対応可能である。
【0035】
以下、アンテナの設計手法について説明する。アンテナの設計は、アンテナ線の形状、線の太さ、線の長さ、等によって決まる共振周波数を指標とする。この共振周波数を、使用するICチップの動作周波数に近づけることによって、リーダライタからの電力をアンテナが受け取り、ICチップに伝えて、ICチップが動作する。
【0036】
共振周波数をアンテナの図面から解析的に導出することは一般的に難しい。実際にはアンテナを試作して実験的に測定する方法が採られることが多い。しかし、本発明のRFIDタグは小型なので、アンテナの試作を手作業で正確に行うことは不可能であり、一方でエッチングマスク作製からエッチングまで行ってアンテナを作製するのは時間もコストもかかってしまう。このため、本発明では、電磁界シミュレータ(アンシス・ジャパン株式会社製シミュレータソフト 製品名:HFSS)を用いてアンテナ設計を行なうが、これにより、時間およびコストを削減することができる。電磁界シミュレータに、アンテナの形状、材質、およびICチップの静電容量等を入力することにより、シミュレーション結果から共振周波数を得る。そして、電磁界シミュレータにより求められる、アンテナのインダクタンスLとICチップの静電容量Cとを含めて形成される電気回路の共振周波数fが、ICチップの動作周波数またはその付近であるように、アンテナを設計する。なお、この場合の共振周波数とは、アンテナの両端にICチップを接続した場合の電気的閉回路のインピーダンスの虚数部がゼロとなる周波数のことである。
【0037】
設計の原理を理解しやすいのはコイルアンテナの両端にICチップを接続した場合の電気的閉回路を考えることであり、単純なLC共振回路と見立てることができる。図3(5)のコイルアンテナの電気的等価回路を、図5に示す。この場合の共振周波数fは、コイルアンテナの等価回路であるコイル50のインダクタンスL、ICチップ30の等価回路であるコンデンサ60の静電容量Cを用いて、次式で表される。
【0038】
[式] (2πf=1/(L・C)
Cは使用するICチップ30の選定によって変えられ、Lはコイルアンテナの形状(特にコイルアンテナの直径と巻数)によって調整することができ、その結果、目的の共振周波数fを実現することができる。特にLの調整は有効で、コイルアンテナの直径を大きくしたり、巻数を増やすことでLが増加し、その結果fは減少する。
【0039】
上記式において、ICチップ30の静電容量Cとしては、ICチップ30の外周部にアンテナ20(コイル50)を配置した構成における実効静電容量が適用される。本実施の形態では、間隙を有して隣接するアンテナ20の構成部分の間に容量成分が生じ、さらに基材1と封止材10の比誘電率が寄与することにより、これらの間に静電容量を提供する。これにより、ICチップ30とこの外周部に配置されるアンテナとを有する構成全体の実質的な静電容量である実効静電容量は、ICチップ30単体の静電容量よりも著しく増加している。したがって、上記式から明らかなように、所望の共振周波数fは、より小さなインダクタンスLによって実現できるようになる。このことによって、直径と巻数を低減するなどしてコイルの寸法を小型化し、ひいてはRFIDタグ全体を小型化することが可能になる。
【0040】
RFIDタグ(ICチップ)の共振周波数(動作周波数)は、電波法上特に商業的に利用価値が高い13.56MHz〜2.45GHzの範囲とすることが好ましい。UHF帯(Ultra High Frequency Band)の動作周波数0.86〜0.96GHz付近のRFIDの場合、電波の波長は30cm程度であるが、一方で、UHF帯用のICチップの大きさは、通常0.6mm角以下であるため、オンチップアンテナ方式では、ICチップが正常に動作するようなアンテナを、ICチップ上に形成することは困難である。また、数mm角程度サイズのRFIDタグにおいても、従来の設計手法を用いたアンテナでは、数mm程度の通信距離しか得られなかった。しかし、上記の電磁界シミュレータを用いた設計手法による本発明のRFIDタグによれば、従来の数cm角のアンテナを用いずとも、数mm角の単層のアンテナでも、RFIDタグが動作するための通信距離を大幅に拡大できるという優れた特長がある。また、大きさが数mm角で、導線幅/導線間幅が数10μm〜数100μmのアンテナでよいため、銅箔等の金属層をエッチングすること等により容易に形成できる。さらに、単層のアンテナでよいため、多層化する必要がないので、基材の片面に金属層として銅箔を貼り合せた、銅箔付きポリイミド基材の銅箔を用いて形成することができる。このため、低コストの汎用の材料を用い、汎用のプロセスで形成することができる。
【0041】
本発明のRFIDタグは、半導体装置内等に埋め込んで使用することができる。また、両面テープ等でラベルのように商品やサンプルに貼り付けて管理等に利用することができ、商品を販売する際等に容易に取り外すことも可能である。さらに、本発明のRFIDタグと、リーダ等とを組み合わせることにより、眼鏡や時計あるいは医療用サンプルや半導体等のような小型多品種品であっても、通信距離が長く、作業性のよい自動認識システムを構成することができる。この場合、本発明のRFIDタグであれば、通信距離が長いので、汎用のリーダ等と組み合わせて自動認識システムを構成することも可能である。
【実施例】
【0042】
(実施例1)
樹脂基材として、ポリイミド基材の片面に銅箔を貼り合せた、銅箔付きポリイミド基材(日立化成工業株式会社製 MCF−5000I、ポリイミド厚み25μm、銅箔厚み18μm)を準備した。この銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(5)に示すようなコイルアンテナを、4mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.05mm/0.05mm、0.1mm/0.1mm、0.2mm/0.2mmで形成した。また、同時にICチップを搭載するダイパッド(図示しない。)を形成した。
【0043】
次に、ICチップとして、大きさが0.5mm×0.5mm×0.1mm程度、静電容量が0.77pF、動作周波数が0.86〜0.96GHz付近のものを用いた。このICチップを、ダイパッド上に、ダイボンディング材を用いて搭載し、ワイヤボンディングにより、アンテナとICチップとを直接接続した。次に、基材の片面上のアンテナとICチップ、ワイヤボンディングのワイヤを含めて、封止材で封止した。最後に、必要なサイズにダイシング加工し、RFIDタグを作製した。
【0044】
(実施例2)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(4)に示すようなループアンテナBを、4mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.05mm/0.05mm、0.1mm/0.1mm、0.2mm/0.2mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0045】
(比較例1)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(2)に示すようなメアンダラインアンテナを、4mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.05mm/0.05mm、0.1mm/0.1mm、0.2mm/0.2mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0046】
(比較例2)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(1)に示すようなループアンテナAを、4mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.05mm/0.05mm、0.1mm/0.1mm、0.2mm/0.2mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0047】
(比較例3)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(3)に示すような渦アンテナを、4mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.05mm/0.05mm、0.1mm/0.1mm、0.2mm/0.2mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0048】
(実施例3)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(5)に示すようなコイルアンテナを、2.5mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.1mm/0.1mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0049】
(実施例4)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(4)に示すようなループアンテナBを、2.5mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.05mm/0.05mm、0.1mm/0.1mm、0.2mm/0.2mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0050】
(比較例4)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(2)に示すようなメアンダラインアンテナを、2.5mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.05mm/0.05mm、0.1mm/0.1mm、0.2mm/0.2mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0051】
(比較例5)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(1)に示すようなループアンテナAを、2.5mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.05mm/0.05mm、0.1mm/0.1mm、0.2mm/0.2mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0052】
(比較例6)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(3)に示すような渦アンテナを、2.5mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.05mm/0.05mm、0.1mm/0.1mm、0.2mm/0.2mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0053】
(実施例5)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(5)に示すようなコイルアンテナを、1.7mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.1mm/0.1mmで形成した。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0054】
(実施例6)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(5)に示すようなコイルアンテナを、9mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.1mm/0.1mmで形成した。また、ICチップとして、大きさが0.5mm×0.5mm×0.1mm程度、静電容量が17pF、動作周波数が13.56GHz付近のものを用いた。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0055】
(実施例7)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(5)に示すようなコイルアンテナを、13mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.1mm/0.1mmで形成した。それ以外は、実施例6と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0056】
(実施例8)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(5)に示すようなコイルアンテナを、2.5mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.2mm/0.2mmで形成した。また、ICチップとして、大きさが0.5mm×0.5mm×0.1mm程度、静電容量が0.7pF、動作周波数が2.45GHz付近のものを用いた。それ以外は、実施例1と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0057】
(実施例9)
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3(5)に示すようなコイルアンテナを、2.5mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.1mm/0.1mmで形成した。それ以外は、実施例8と同様にしてRFIDタグを作製した。
【0058】
以下、読取り評価の方法と実験結果について説明する。リーダライタはLS産電株式会社製 製品名:UI−9061(出力1W)を用いた。リーダライタの読取り部を中心として、周囲25cm四方に障害物がない状態で、RFIDタグ80の読取り評価を行った。リーダライタでRFIDを読取れる時の、リーダライタ読取り部からRFIDタグ80までの最大距離を測定した。
【0059】
実施例1〜5及び比較例1〜6についての、シミュレーション結果および読み取り評価の結果を、表1に示す。使用したICチップの大きさは0.5mm×0.5mm×0.1mm程度、静電容量は0.77pF、動作周波数は0.86〜0.96GHz付近である。 この表1から、ICチップと接続されて電気的閉回路を形成する、コイルアンテナ及びループアンテナBでは、電磁界シミュレータによる共振周波数が、0.2〜2GHzであり、概ね、他のアンテナに比べて、ICチップの動作周波数0.9GHz程度に近い。また、読み取り距離も、電気的閉回路を形成しない、メアンダラインアンテナ、ループアンテナA、渦アンテナに比べて、読取り良好な結果となっている。また、電磁界シミュレータによる共振周波数が、0.5〜1.5GHzとなった、実施例1a、1b、2a、2b、3b、4c、5bでは、5mm以上の通信距離が得られた。特に、ICチップの動作周波数0.9GHz程度に近い、共振周波数1〜1.1GHzとなった、実施例1a、2b、3bでは、20mmを超える通信距離が得られた。
【0060】
【表1】
※ 表1中の「読取り距離」欄の「×」は、RFIDタグをリーダライタに接触させても、読取りできなかったことを表す。
【0061】
エッチングによってアンテナを形成するにあたり、導線幅および導線間距離は太いほうが歩留まりよく安定して量産することが可能である。そこで、プロセス上の制約から導線幅/導線間距離が決められた場合、10mm程度の読み取り距離を確保しつつ、どれだけ小型化できるかを考察した。その結果、導線幅/導線間距離が0.2mm/0.2mmの場合は、RFIDタグのサイズを4mm角程度まで小さくできることが判明した。また導線幅/導線間距離が0.1mm/0.1mmの場合は、RFIDタグのサイズを2.5mm角程度まで小さくできることが判明した。また導線幅/導線間距離が0.05mm/0.05mmの場合はRFIDタグのサイズを1.7mm角程度まで小さくできることが判明した。
【0062】
実施例6及び7のシミュレーション結果および読み取り評価結果を、表2に示す。使用したICチップの大きさは0.5mm×0.5mm×0.1mm程度、静電容量17pF動作周波数13.56MHzである。電磁界シミュレータによる共振周波数が29MHzとなった実施例6では、12mmの通信距離が得られ、特に、電磁界シミュレータによる共振周波数が14MHzとなった実施例7では、110mmの通信距離が得られた。また、HF帯(High Frequency Band)の動作周波数13.56MHzにおいては、周波数がUHF帯よりも低くなるが、コイルアンテナのインダクタンスを大きくすることにより、導線幅/導線間距離が0.1mm/0.1mmの場合は、RFIDタグのサイズを13mm角程度まで小さくできることが判明した。
【0063】
【表2】
【0064】
実施例8及び9のシミュレーション結果および読み取り評価結果を、表3に示す。使用したICチップの大きさは0.5mm×0.5mm×0.1mm程度、静電容量0.7pF、動作周波数2.45GHzである。電磁界シミュレータによる共振周波数が2GHzとなった実施例8及び電磁界シミュレータによる共振周波数が2.1GHzとなった実施例9では、4mmの通信距離が得られた。また、導線幅/導線間距離が0.1mm/0.1mmの場合はRFIDタグのサイズを1.7mm角程度まで小さくできることが判明した。
【0065】
【表3】
【産業上の利用可能性】
【0066】
本発明のRFIDタグは、商品、包装、カード、書類、眼鏡、時計(特に腕時計等小型のもの)、半導体、医療用途(患者から採取したサンプル等)等の製品の管理、識別、情報提示、情報記録、偽造防止の目的として使用することができる。
【符号の説明】
【0067】
1 基材
10 封止材
20 アンテナ
30 ICチップ
40 ワイヤボンディングのワイヤ
50 コイル(アンテナ)
60 コンデンサ(ICチップ)
70 シミュレーション時に入力するポート
80 RFIDタグ
90 ダイパッド
図1
図2
図3
図4
図5