(57)【要約】【課題】ワイヤ・ボンドを放射素子として使用して構築するアンテナおよび一体型アンテナ・パッケージ装置および方法を提供すること。【解決手段】基板またはチップに取り付けられた放射素子としての１つまたは複数のワイヤを使用して構築されるアンテナが設けられ、ワイヤ・ボンディング方法を使用して、ワイヤに関するループ・プロファイルを取り付け、形成することができる。アンテナをＩＣチップ（例えばＩＣトランシーバ、受信機、送信機など）と共に一体的にパッケージ化して、一体型ワイヤレスまたはＲＦ（無線周波数）通信システムを構築することができる。例えば、例示的アンテナ・デバイス（２０）は、金属パッド（２３）および（２４）に接続され支持される第１ワイヤ素子（２２）と、金属パッド（２６）および（２７）に接続され支持される第２ワイヤ素子（２５）とを備えるダイポール・アンテナを有する基板（２１）を備える。金属パッド（２３）および（２６）は、例えばＲＦ回路に接続される一体型アンテナ・フィード・ネットワークに対する接触パッドである。金属パッド（２４）および（２７）は、それぞれのワイヤ素子（２２）および（２５）の端部（フィードされない）を取り付け、支持する終端パッドである。任意選択の金属遮蔽素子（２８）および（２９）が、電磁場が基板（２１）を貫くのを防止し、それによって損失を低減し、アンテナ効率を向上させるために、基板／チップ（２１）上のワイヤ素子（２２）および（２５）下に形成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
放射素子としての少なくとも１つのワイヤを有するアンテナであって、前記少なくとも１つのワイヤが前記基板の表面に取り付けられるアンテナと
を備えるアンテナ・デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つのワイヤを封入する、前記基板の前記表面上に形成された誘電体材料をさらに備える請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記基板およびアンテナの上に形成されたカバーをさらに備える請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記アンテナがモノポール・アンテナを含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記アンテナがダイポール・アンテナを含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記アンテナがループ・アンテナを含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記アンテナがエンド・ファイア・アンテナを含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記アンテナがアンテナ・アレイを含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記少なくとも１つのワイヤが、前記基板の前記表面の上にループ部分を有し、前記ワイヤの少なくとも一端が、前記基板の前記表面に結合される請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記基板の前記表面上の、前記ワイヤの前記ループ部分の少なくとも一部の下に形成された金属遮蔽をさらに備える請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記基板が、前記アンテナに接続されたフィード・ネットワークをさらに有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記フィード・ネットワークがインピーダンス整合ネットワークを含む請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記フィード・ネットワークが、前記少なくとも１つのワイヤをＩＣチップの集積回路に接続する請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記集積回路が、受信機、送信機、またはトランシーバ回路を含む請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
ＩＣ（集積回路）チップと、
放射素子としての少なくとも１つのワイヤを有するアンテナであって、前記少なくとも１つのワイヤが前記ＩＣチップの表面に取り付けられるアンテナと
を備える一体型通信デバイス。
【請求項１６】
前記ＩＣチップおよびアンテナを封入するカバーをさらに備える請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記ＩＣチップが、トランシーバ、受信機、または送信機を含む集積回路を備える請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ＩＣチップが、少なくとも１つのワイヤを前記集積回路に接続するアンテナ・フィード・ネットワークを含む請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのワイヤがワイヤ・ボンドである請求項１５に記載のデバイス。
【請求項２０】
キャリア基板と、
前記キャリア基板に取り付けられたＩＣチップと、
放射素子として少なくとも１つのワイヤを有するアンテナであって、前記少なくとも１つのワイヤが前記ＩＣチップの能動面に結合されるアンテナと、
前記ＩＣチップおよびアンテナを封入するパッケージ・カバーと
を備えるＩＣ（集積回路）パッケージ装置。
【請求項２１】
前記アンテナがモノポール・アンテナを含む請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記アンテナがダイポール・アンテナを含む請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記アンテナがループ・アンテナを含む請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
前記アンテナがエンド・ファイア・アンテナを含む請求項２０に記載の装置。
【請求項２５】
前記アンテナがアンテナ・アレイを含む請求項２０に記載の装置。
【請求項２６】
前記ＩＣチップが、トランシーバ、受信機、または送信機を含む集積回路を備える請求項２０に記載の装置。
【請求項２７】
前記ＩＣチップが、前記少なくとも１つのワイヤをワイヤ・ボンドで前記集積回路に接続するアンテナ・フィード・ネットワークを備える請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記少なくとも１つのワイヤがワイヤ・ボンドである請求項２０に記載の装置。
【請求項２９】
前記ワイヤ・ボンドが、前記キャリア基板に結合された１つの端部を有する請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記ワイヤ・ボンドが、前記キャリア基板のリード・フレームに接続される請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記ＩＣチップの前記能動面上の、前記少なくとも１つのワイヤの少なくとも一部の下に形成された金属遮蔽をさらに備える請求項２０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、１つまたは複数のワイヤを基板またはチップに取り付けられた放射素子として使用するアンテナ・デバイスを構築する装置（apparatus）および方法に関し、ワイヤ・ボンディング方法を使用して、ワイヤのためのループ・プロファイルを取り付け、形成することができる。さらに、本発明は、放射ワイヤ素子で形成されたアンテナをＩＣ（集積回路）チップと一体的にパッケージングすることにより、完全に一体化されたワイヤレスまたはＲＦ（無線周波数）通信システムを構築する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤレスＰＡＮ（パーソナル・エリア・ネットワーク）、ワイヤレスＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）、ワイヤレスＷＡＮ（広域ネットワーク）、セルラ・ネットワーク、あるいはほぼ任意の無線ネットワークまたはシステムなどのワイヤレスネットワーク内のデバイス間のワイヤレス接続性および通信を実現するために、所望の信号をネットワークの他の要素に効率的に放射（送信）し、またはネットワークの他の要素から受信するためのアンテナを受信機および送信機（またはトランシーバ）に装備することが必要である。
【０００３】
ミリメートル波無線通信システムなどの従来型無線通信システムでは、離散的構成要素が、プリント回路基板、パッケージ、または基板上に封入（encapsulate）され、または個々に低い一体化レベルで取り付けられる。ミリメートル波応用例では、これらの無線通信システムは一般に、費用がかかり、かつ大きい導波路、パッケージ・レベルまたはボード・レベルのマイクロストリップ構造、ならびに半導体チップと送信機または受信機アンテナを相互接続するワイヤ・ボンドを使用して構築される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
１つまたは複数のワイヤ（またはワイヤ・ボンド）を放射素子として使用するアンテナおよび一体型アンテナ・パッケージ装置および方法を提供すること。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示的実施形態は、１つまたは複数のワイヤを基板またはチップに取り付けられた放射素子として使用してアンテナ・デバイスを構築する装置および方法を含む。１つの例示的実施形態では、基板またはチップにワイヤを取り付け、ワイヤのためのループ・プロファイルを形成するためにワイヤ・ボンディング方法が使用される。モノポール・アンテナ、ダイポール・アンテナ、折返しダイポール・アンテナ、ループ・アンテナ、またはエンド・ファイア・アンテナ（end-fire antenna array）、あるいはその他のタイプのアンテナ・アレイを含む様々なタイプのアンテナを形成するために、１つまたは複数のワイヤ（またはワイヤ・ボンド）を放射素子として使用して、本発明の例示的実施形態によるアンテナを構築することができる。
【０００６】
本発明の例示的実施形態は、放射ワイヤ素子で形成された１つまたは複数のアンテナをＩＣ（集積回路）チップと共にパッケージングすることにより、完全に一体化されたワイヤレスまたはＲＦ（無線周波数）通信システムを構築する装置および方法をさらに含む。実際に、放射ワイヤまたはワイヤ・ボンド素子で形成されたアンテナを、オンチップＲＦ（無線周波数）またはマイクロ波集積回路（例えば受信機、送信機、トランシーバなど）に直接取り付け、プラスチック／誘電体封止材（encapsulant）内にパッケージ化して、完全に一体化されたＲＦまたはワイヤレス通信デバイスを構築することができる。
【０００７】
本発明の上記およびその他の例示的実施形態、態様、目的、特徴、および利点を、添付の図面と共に読むべきである以下の例示的実施形態の詳細な説明で述べ、または本発明の上記およびその他の例示的実施形態、態様、目的、特徴、および利点は、以下の例示的実施形態の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本明細書で説明する本発明の例示的実施形態は、基板または半導体チップの表面に取り付けられた放射素子として１つまたは複数のワイヤ素子を使用してアンテナを構築する装置および方法を含む。本発明の一実施形態では、ワイヤは、ワイヤを基板またはチップに取り付け、所望のワイヤ・ループ・プロファイルを形成するためにワイヤ・ボンド方法を使用して形成されるワイヤ・ボンドを含む。ワイヤ・ボンド放射素子で形成される本発明の例示的実施形態によるアンテナ・デバイスは、例えばワイヤ寸法、精度、および運動輪郭（motion contour）に関して現在の（または将来の）ボンディング技術で実現可能であり、現在の（または将来の）ボンディング技術と整合性のあるワイヤ・ループ・プロファイルを使用する。さらに、ワイヤ・ボンディング方法を使用して放射素子としてワイヤを形成することにより、本発明によるアンテナ・デバイスの大量製造について正確な配置および再現性が可能となる。本発明の例示的実施形態によるワイヤ・ボンディング方法、およびアンテナ・デバイスを構築するためにそのような方法を使用することについての簡潔な説明をこれから与える。
【０００９】
一般には、ワイヤ・ボンディングは、チップ−基板相互接続を形成して電力および信号分配のための電気的経路を与えるために半導体製造で一般的に使用される方法である。当技術分野で周知のように、ワイヤ・ボンディングは一般に、非常に細い直径のワイヤを使用して、ダイ（die）上のパッドをリード・フレーム（または基板）に接続するものである。一般には、「ボール・ボンディング」技法および「ウェッジ・ボンディング（wedgebonding）」方法として知られる、実装することのできるいくつかのワイヤ・ボンディング方法が存在する。両者のタイプのワイヤ・ボンディング方法についての基本的ステップは、（ｉ）（通常はチップ上に）第１ボンドを形成すること、（ｉｉ）ワイヤ・ループを形成すること、および（ｉｉｉ）（通常は基板上に）第２ボンドを形成することを含む。
【００１０】
ボール・ボンディング技法とウェッジ・ボンディング技法の間には様々な違いがある。１つの違いは、「ボール・ボンディング」では、各ボンド・サイクルの最初にフリー・エア・ボール（free air ball）が形成され、ボールをパッドにボンディングすることによって第１ボンドが達成されるのに対して、「ウェッジ・ボンディング」では、力および超音波エネルギーを使用してデバイスにワイヤがボンディングされる。ボール・ボンディングでは、少なくとも９９．９９％の純度を有する金（Ａｕ）ワイヤで形成されたボンド・ワイヤが一般に使用される。あるいは、ワイヤ・ボンド・デバイスに何らかの修正を行うことにより、銅（Ｃｕ）ワイヤをボール・ボンディングすることもできる。そのような場合、フリー・エア・ボール形成中のＣｕ酸化を防止するためにガス環境が形成される。ＡｕボンディングとＣｕボンディングはどちらも高い温度で実施され、「サーモソニック・ボンディング（thermosonic bounding）」と呼ばれるプロセスである。熱および超音波エネルギーを使用するからである。ウェッジ・ボンディングでは、高い温度でＡｕワイヤを使用して、または室温でアルミニウム（Ａｌ）ワイヤを使用してワイヤ・ボンドを形成することができる。
【００１１】
ボール・ボンディングとウェッジ・ボンディングの別の違いは、ワイヤ・ルーピングに関するものである。ワイヤ・ボンドのループとは、ワイヤ・ボンドの各端部の取付け地点間のワイヤの曲線または弧を指す。具体的には、ボール・ボンディングは、第１ボンドから第２ボンドにワイヤをルーピングする方向に関して制限を課さず、これにより、ボール・ボンディング・ルーピングが極めて柔軟性のあるものとなる。一方、従来のウェッジ・ボンディング・デバイスでは、ボンドをワイヤ方向に対して平行に配置することだけが可能である。ボール・ボンディングとウェッジ・ボンディングの別の違いは、ボール・ボンディングを使用するボンディングの速度を最速のウェッジ・ボンダの速度の２倍超にできることである。
【００１２】
本発明によれば、応用例またはアンテナ設計に応じて、ボール・ボンディング方法またはウェッジ・ボンディング方法を使用して、基板またはチップ上にワイヤ・ボンドを放射素子として形成することができる。速度が速く、コストが低く、ルーピング能力がより柔軟であることにより、ボール・ボンディングは今日最も一般的に使用される相互接続である。しかし、ファイン・ピッチ応用例では、ボール・ボンディングまたはウェッジ・ボンディングを選択するとき、小型で信頼性の高いボンドを達成し、ループを維持し、ボンドを正確に配置することを含むいくつかの要素を考慮すべきである。
【００１３】
以下の表１に、現在存在するワイヤ・ボンディング・ツール（例えばワイヤ・ボンダ）を使用して達成することのできる、ファイン・ピッチ・ワイヤ・ボンディング応用例についての典型的な仕様を列挙する。
【００１４】
【表１】
2008509597.tif 000003
【００１５】
図１に、本発明の例示的実施形態による、表Ｉに列挙する仕様に従ってファイン・ピッチ・ワイヤ・ボンディング方法を使用して設計することのできる放射素子としてのワイヤを有するアンテナの略図を示す。より具体的には、図１は、ボール・ボンド（ball bond）（１３）および（１４）にそれぞれ接続される第１および第２の４分の１波長ワイヤ素子（１１）および（１２）を含む半波長ダイポール素子を有するダイポール・アンテナ（１０）の略図を示す。図１では、ボール・ボンドがフィード・ネットワーク（feednetwork）（例えば差動フィード・ネットワーク）のパッド接続にボンディングされ、ワイヤ（１１）および（１２）の他端が（例えば図２、３、および４を参照しながら以下で説明する）基板またはチップに接続されると仮定する。
【００１６】
図１に示すように、ファイン・ピッチ・ボールおよびワイヤ・ボンディングのためのワイヤ・ボンディング・ツールは、ボンド・ピッチ（ＢＰ）（例えばチップ上のワイヤ・ボンド間の間隔）３５〜４５ミクロン（およびボール・ボンディングについて最小３５ミクロンのボール・ボンド・ピッチ（ＢＰ））、最小ワイヤ直径１５〜２５．４ミクロン、２．４ｍｍ未満の高精度ワイヤ・スパンについて±１ワイヤ直径のワイヤ・スウェイ（wire sway）、３σ標準偏差配置精度（ＰＡ）±５ミクロン、最大ワイヤ・ボンド長（ＬＷ）７．６ｍｍ、最小ワイヤ・ループ高（ＬＨ）１００ミクロン、および最小ボール直径（ＢＤ）４３ミクロンを形成することができる。以下で説明するように、これらのワイヤ・ボンド仕様は、ミリメートル波応用例向けの放射素子としてのワイヤ・ボンドを有するアンテナ・デバイスを構築するのに適している。
【００１７】
さらに、ワイヤ・ループ・プロファイルを画定するために、現在のワイヤ・ボンディング・ツールは、いくつかのワイヤ・ループ、例えばＪワイヤ・ループ（J-wire loop）、ＲＦループ、スピンダ・ループ・プロファイル（spinderloop profile）などをプログラムすることを可能にする。利用可能なループ・プロファイルのほとんどは、ワイヤ・ボンディング・ツール・チップの可能な運動輪郭に適用される実験的統計的方法で導出される。通常、周知かつ一般的に使用される形状／輪郭／ループ・プロファイルは、ワイヤをネッキングする（neck）ことなく、可能な最短のワイヤ・ボンドまたは最短のボンディング・ピッチあるいはその両方を実現するための特定のパッケージ・タイプまたはチップ取付け技法に関係する。
【００１８】
ワイヤ・ボンドを形成するように組み合わされる複数の組の対応するリンク機構／ばね対（linkage/springpair）としてワイヤ・ボンドをモデリングすることによってボンディング・ワイヤ・プロファイル制限を解析することができ、ボンディング・ワイヤの弾塑性変形をシミュレートする２つのリンク機構の曲げ角度によってばねの弾性および可塑性の係数が求められる。これらの研究を用いて、チップ−基板相互接続にとって望ましくないが、本発明の例示的実施形態によるアンテナ用の放射素子としては適しており、効果的である様々なワイヤ・ループ・プロファイルが存在することを示すことができる。輪郭運動プロセスを利用して自動化ファイン・ピッチ・ワイヤ・ボンディング・ツールの機能に準拠するワイヤ・ループ・プロファイルを達成するのに、手動ワイヤ・ボンダを使用することができる。本明細書で説明する本発明の例示的実施形態は、実現可能であり、ワイヤの寸法、精度、および運動輪郭に関するワイヤ・ボンディング技術の制限と整合するワイヤ・ループ・プロファイルを使用する。
【００１９】
図２および３は、本発明の例示的実施形態によるアンテナ・デバイスを示す略図である。より具体的には、図２および３は、放射素子としてのワイヤ・ボンドで形成されたダイポール・アンテナを備える例示的実施形態アンテナ・デバイス（２０）を示し、図２は、アンテナ・デバイス（２０）の概略上面図を示し、図３は、線２Ｂ−２Ｂに沿って切り取られた図２のアンテナ・デバイス（２０）の概略断面図である。例示のために、ダイポール・アンテナ・デバイスと、そのようなデバイスの半導体ＩＣパッケージへの一体化を具体的に参照しながら本発明の例示的実施形態を説明する。本発明は何らかの特定のアンテナ・タイプまたは動作周波数に限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明は、例えばワイヤ・ボンディング方法で形成された放射素子としてのワイヤを使用して設計することのできる、所与の応用例または動作周波数あるいはその両方に適したどんなアンテナ・タイプにもより一般的に適用可能である。
【００２０】
ここで図２および３を参照すると、例示的アンテナ・デバイス（２０）は、図１の例示的フレームワーク（構成）に基づくダイポール・アンテナ構造を有する基板（２１）（またはチップ（ダイ））を備える。より具体的には、ダイポール・アンテナは、金属パッド（２３）および（２４）に接続され、支持される第１ワイヤ素子（２２）と、金属パッド（２６）および（２７）に接続され、支持される第２ワイヤ素子（２５）とを備える。第１および第２ワイヤ素子（２２）および（２５）は、それぞれ第１および第２の４分の１波長（１／４波長）ワイヤ素子である。図２および３の例示的実施形態では、金属パッド（２３）および（２６）は、ＲＦ回路に接続される一体型アンテナ・フィード・ネットワークに対する接触パッドである。金属パッド（２４）および（２７）は、それぞれのワイヤ素子（２２）および（２５）の端部（フィードされない）を取り付け、支持する終端パッドである。各ワイヤは、それが接続され、支持される始点および終点を有する。例示的アンテナ・デバイス（２０）は、基板／チップ（２１）上のそれぞれのワイヤ素子（２２）および（２５）下に形成された任意選択の金属遮蔽素子（２８）および（２９）をさらに備える。金属遮蔽素子（２８）および（２９）は、電磁場が基板（２１）を貫くのを防止し、それによって損失を低減し、アンテナ効率を向上させるために、基板（２１）とワイヤ（２２）および（２５）の間に含まれていてよい。接触パッド（２３）、（２４）、（２６）、および（２７）、ならびに遮蔽素子（２８）および（２９）を、基板／チップ（２１）の上部金属層の一部として形成することができる。
【００２１】
アンテナ実装に応じて、基板／チップ（２１）は、例えば、融解石英（ＳｉＯ２）、アルミナ、ポリスチレン、セラミック、テフロン（登録商標）・ベースの基板、ＦＲ４などの誘電体／絶縁材料、あるいは高抵抗率シリコンまたはＧａＡｓなどの半導体材料を含む任意の適切な材料を含むことができる。
【００２２】
さらに、例示的アンテナ・デバイス（２０）は、図２および３にファントム（phantom）（点線）で示される環境保護用のアンテナ封入（カプセル封じ）層（３０）を含む。応用例に応じて、封入層（３０）は、アンテナおよび基板／チップを封入するパッケージ・カバー（プラスチック・カバー）でよい。具体的には、例えば、基板／チップ（２１）を、それに接続されるアンテナと共にチップ・パッケージ内部にパッケージングするために、低コスト・プラスチック・パッケージ内にチップおよびアンテナを封入することができる。他の実施形態では、基板／チップ（２１）の上に誘電体材料の層を形成することができ、それによってアンテナ・ワイヤ素子がそのような層内に埋め込まれる。
【００２３】
本発明の例示的実施形態によれば、ワイヤ素子（２２）および（２５）が基板／チップ（２１）に取り付けられ、大量製造のための正確な配置および再現性を可能にするワイヤ・ボンディング・マシンを使用して、そのようなワイヤ素子のループ・プロファイルが形成される。この点で、周知の技法を使用して、本発明の例示的実施形態によるループ・プロファイルをワイヤ・ボンダに対してプログラムし、所与のアンテナ・タイプについて最適な／所望の放射効率を実現することができる。
【００２４】
図２および３に、例示的ダイポール・アンテナ・デバイス（２０）に関する様々なパラメータまたは寸法あるいはその両方を示す。これらは、例えば応用例、アンテナ・タイプ、または動作周波数、あるいはそれらの組合せに応じて変化する可能性がある。具体的には、基板／チップ（２１）が、面積寸法（ＣＸ）および（ＣＹ）ならびに厚さ（ＣＺ）を有するほぼ正方形として示されている。さらに、封止材／カバー（３０）が、寸法（ＰＸ）、（ＰＹ）、および（ＰＺ）を有するものとして示されている。ワイヤ素子（２２）および（２５）が、ワイヤ直径（ＤＷ）、横方向スパン（Ｓ）、およびピッチ（Ｐ）で分離されるフィード・ポイントをそれぞれ有するものとして示されている。金属接触パッド（２３）、（２４）、（２６）、および（２７）が幅（ＷＣ）を有するものとして示されており、金属遮蔽（２８）および（２９）が幅（ＷＳ）を有するものとして示されている。終端パッド（２４）および（２７）が、基板／チップ（２１）を横切る横方向延長部分（Ｌ）で分離されるものとして示されている。フィード・パッド（２３）および（２６）がギャップ（ＧＦ）で分離されるものとして示されており、金属遮蔽および接触パッドが、ギャップ（Ｇ）で分離されるものとして示されている。さらに、ワイヤ素子（２２）および（２５）が、それぞれの金属遮蔽（２８）および（２９）を覆うループ高（ＬＨ）を有するものと示されている。
【００２５】
以下の表２に、本発明の例示的実施形態による、図２および３のフレームワーク（構成）に基づく６０ＧＨｚダイポール・アンテナ設計に関する上記のパラメータ／寸法についての例示的値を列挙する。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
図２および３に示すフレームワークと、表ＩＩに列挙するパラメータ値を有する例示的ダイポール・アンテナ実施形態では、１００μｍのループ高（ＬＨ）が、列挙される寸法を有するチップおよびパッケージと共に実装するのに適している。
【００２８】
ＲＦまたはワイヤレス通信チップを構築するのに、本発明の例示的実施形態によるアンテナをＩＣチップと共に比較的小さいパッケージとして一体的にパッケージングできることを理解されたい。例えば、図４は、本発明の例示的実施形態による、アンテナおよびＩＣチップを一体的にパッケージングする装置（４０）の概略斜視図である。具体的には、図４は、低コストＱＦＮ（Quad Flat Nonleaded）パッケージ構造を使用してＩＣチップと共にパッケージングされる、図２および３の例示的実施形態を参照しながら上記で議論したのと同様のフレームワークを有する完全に一体化されたオンチップ・ダイポール・アンテナを示す。
【００２９】
具体的には、図４を参照すると、装置（４０）は、リードレス（セラミック）チップ・キャリア（４２）に取り付けられたＩＣチップ（４１）表面と、低コスト・プラスチック材料で形成することのできる、ＩＣパッケージを封入するファントム（点線）で示されるパッケージ封入部（package encapsulation）（４３）（パッケージ・カバー）とを備える。チップ・キャリア（４２）は、キャリア基板（４２）の４つのすべての辺上に形成された複数のパッド（４４）を有するリード・フレームを有する。チップ（４１）（またはダイ）は、チップ（４１）の能動面（activesurface）の周囲に分布する複数のボンド・パッド（４５）（または金属領域）を有する。ボンド・パッド（４５）は、ＩＣチップ（４１）とパッケージ接点（４４）との間の電気的接続（例えばグランド、電源、Ｉ／Ｏなど）を行うために、ワイヤ・ボンディングで形成されたワイヤ（４６）でリード・フレームのパッド（４４）に接続される。チップ・キャリア（４２）は、ダイ（４１）が取り付けられるダイ・パドル（４７）をさらに有する。
【００３０】
さらに、装置（４０）は、図２および３を参照しながら上記で議論したダイポール・アンテナと同様のフレームワークを有するダイポール・アンテナを備える。具体的には、図４の例示的ダイポール・アンテナは、金属パッド（４９）および（５０）に接続され支持される第１ワイヤ素子（４８）と、金属パッド（５２）および（５３）に接続され支持される第２ワイヤ素子（５１）とを有する。第１および第２ワイヤ素子（４８）および（５１）は、それぞれ第１および第２の４分の１波長ワイヤ素子である。金属パッド（４９）および（５２）は、ＲＦ回路に接続される一体型アンテナ・フィード・ネットワークに対する接触パッドである。金属パッド（５０）および（５３）は、それぞれワイヤ素子（４８）および（５１）の（フィードされない）部分を取り付け、支持する終端パッドである。
【００３１】
接触パッド（４９）および（５２）は、チップ（４１）の集積回路に接続される一体型アンテナ・フィード・ネットワーク（差動フィード（differential feed））へのダイポール・アンテナの接続を可能にする。フィード・ネットワーク・フレームワークは、例えば、所与の応用例に対して望ましいインピーダンス、またはアンテナが接続されるデバイスのタイプ、あるいはその両方に応じて変化する。例えば、アンテナが送信機システムに接続される場合、フィード・ネットワークは、電力増幅器に対する適切な接続およびインピーダンス整合を実現するように設計される。別の例では、アンテナが受信機システムに接続される場合、フィード・ネットワークは、ＬＮＡ（低ノイズ増幅器）に対する適切な接続およびインピーダンス整合を実現するように設計される。
【００３２】
例示的装置（４０）は、基板損失およびその誘電率に応じて、電磁場が基板（４１）を貫くのを防止するために、チップ（４１）上のワイヤ素子（４８）および（５１）下に形成された金属遮蔽素子をさらに備えることができる。グランド遮蔽のサイズは、アンテナの放射効率に影響を及ぼす可能性があり、全体のチップ幾何形状によって制限される。
【００３３】
図４の例示的実施形態は、完全に一体化されたオンチップ・アンテナの１つの例示的実施形態に過ぎないこと、および本明細書の教示に基づいて他のフレームワークを当業者は容易に思い描けることを理解されたい。例えば、ダイポール・アンテナ以外のアンテナ構造をワイヤ・ボンドで形成し、上述と同様にパッケージ化することができる。実際、以下で説明する図９〜１２は、本発明の例示的実施形態によるワイヤ・ボンドを使用して構築することのできる様々なアンテナの略図を示す。さらに、図４では図示するアンテナは１つであるが、２つのアンテナを用いて、本発明の他の例示的実施形態によるＩＣパッケージを構築することができ、例えば、一方のアンテナは送信用の一体化送信機回路に接続され、他方のアンテナは受信用の一体化受信機回路に接続される。さらに、図４では、チップ（４１）の表面上に位置するワイヤ終端接点（５０）および（５３）を示すが、より広いワイヤ・スパンを考慮する場合、パッケージ・リード・パッド（４４）上に配置されたワイヤ終端でアンテナを形成することができる。実際、１つまたは複数のリード・ワイヤをアンテナの放射素子として使用することもできる。
【００３４】
本発明によるワイヤ・ボンドを放射素子として使用するアンテナ設計の電気的特性および特徴を求めるために、ＲＦ、ワイヤレス、パッケージング、およびオプトエレクトロニック設計用の市販の周知のＩＥ３Ｄ  ＥＭシミュレーション・ソフトウェア・ツールであるＥＭ（電磁）シミュレーション・ソフトウェアを使用して、６０ＧＨｚダイポール・アンテナ設計についてコンピュータ・シミュレーションを実施した。具体的には、ワイヤ素子（６１）および（６２）、接触パッド（６３）、（６４）、（６５）、および（６６）、ならびに金属遮蔽（６７）および（６８）を有する、図５に示す空気（真空）環境内のモデル差動フィード・ダイポール・アンテナ（６０）についてシミュレーションを実施した。モデル・ダイポール・アンテナ（６０）について、上記の表ＩＩで述べたワイヤ、パッド、および遮蔽パラメータ、例えばループ高１００ミクロン、ループ・スパン（Ｓ）１０１２．５ミクロン、および遮蔽の幅３００ミクロンなどを指定した。
【００３５】
図６に、図５の空気中のモデル・ダイポール・アンテナ（６０）のシミュレートした反射減衰量のグラフを示す。具体的には、図６は、モデル６０ＧＨｚダイポール・アンテナについての、シミュレートした入力インピーダンス整合パラメータ（Ｓ１１）のｄＢ単位のグラフを示す。図６は、例示的ダイポール・アンテナ実施形態が６０ＧＨｚ周波数帯で約６ＧＨｚの帯域幅を与えることを示し、帯域幅は、７５オーム・フィード・ケーブルに対してＳ１１が約−１０ｄＢ以上であると測定された周波数範囲に基づいて定義される。さらに、図７は、図５のモデル・ダイポール・アンテナのシミュレートしたアンテナおよび放射効率のグラフを示す。上述のように、基板損失およびその誘電率に応じて、電磁場が基板に達するのを防止するためにグランド遮蔽を使用することができ、そのようなグランド遮蔽のサイズが放射効率に影響を及ぼす。
【００３６】
図８に、図５のモデル６０ＧＨｚダイポール・アンテナのシミュレートした仰角放射パターン（elevation radiation pattern）の（極座標グラフ（polar graph）を使用した）グラフを示す。図８に示す仰角放射パターンは、図５に示すデカルト座標系を仮定し、ｚ軸はアンテナ遮蔽およびパッドの平面に対して垂直な方向に延び、ｘ軸は、アンテナの平面に沿って、ダイポール・アンテナの軸に沿う方向に縦方向に延び、ｙ軸は、ダイポール・アンテナの軸に垂直な方向に縦方向に延びる。図８は、一般にダイポール・アンテナに関して典型的な、ＺＹ平面（φ＝９０度）、およびＺＸ平面（φ＝０度）で定義される垂直平面内で得られた仰角放射パターンを示す。
【００３７】
さらに、ワイヤの延長による周波数シフトに関する上限を予測するために、典型的なワイヤ・ボンダの３σ配置精度の影響をシミュレートした。そのような公差による周波数のシフトは１％未満であることをシミュレーションは示している。
【００３８】
例えば図１、２、３、および４を参照しながら上記で議論した例示的実施形態は本発明によるアンテナおよびＩＣパッケージの例示的実施形態に過ぎないこと、ならびに本発明の装置および方法を使用してＩＣチップと共に構築およびパッケージ化することのできる他のアンテナ・タイプを当業者は容易に思い浮かべられることを理解されたい。例えば、本明細書で説明する例示的ダイポール・アンテナに加えて、例えばモノポール、折り返し（folded）ダイポール、ループ、エンド・ファイア・アンテナ・アレイ構造などの他のアンテナを、本発明によるワイヤ素子を使用して構築することができる。アンテナのタイプに応じて、中間接続（接触パッド）を設けて曲折ワイヤ構造オンチップ（meanderwire structure on-chip）を形成することができる。
【００３９】
例えば、図９〜１２は、本発明の例示的実施形態による、ワイヤ・ボンドを使用して構築することのできるアンテナを示す略図である。図９〜１２に示す例示的アンテナ・フレームワークを、例えば図４を参照しながら上記で議論したＩＣチップと共にパッケージ化することができる。具体的には、図９は、対応するパッド（７２〜７７）に接続される、ループとして配置された複数の別々のワイヤ・ボンド素子（７１ａ〜７１ｅ）と共に形成されるループ・アンテナ（７０）の略図を示す。図９の例示的実施形態では、パッド（７２）および（７７）が、フィード・ネットワークへのフィード・ポイント（例えば差動フィード）であると仮定される。さらに、パッド（７３〜７６）が様々なワイヤ・ボンド素子に対する接続ポイントであることが示されており、それによって曲折ワイヤ構造が可能となる。
【００４０】
さらに、図１０は、３つのワイヤ・ボンド（８１ａ、８１ｂ、８１ｃ）およびパッド（８２〜８５）を使用して形成される折返しダイポール・アンテナ（８０）の略図を示す。図１０の例示的実施形態では、ワイヤ・ボンド素子（８１ａ）および（８１ｂ）は、第１（フィード）の半波長ダイポール素子を有する４分の１波長素子であり、ワイヤ・ボンド素子（８１ｃ）は第２の半波長ダイポール素子を有する。第１および第２半波長素子は、互いにほぼ平行に配設され、ギャップで分離される。素子（８１ａ）および（８１ｂ）の端部は、接触パッド（８４）および（８５）で第２ダイポール素子（８１ｃ）の端部に接続（短絡）される。
【００４１】
次に、図１１は、本発明の例示的実施形態によるモノポール・アンテナ（９０）の略図を示す。モノポール・アンテナ（９０）は、パッド（９２）および（９３）に取り付けられた１つのワイヤ・ボンド（９１）を使用して形成される。
【００４２】
さらに、図１２は、本発明の例示的実施形態によるエンド・ファイア・アンテナ（１００）の略図を示す。例示的アンテナ（１００）は、パッド（１０５〜１１２）にそれぞれ接続された複数の平行半波長素子（１０１〜１０４）を有する。エンド・ファイア・アレイ構造と同じく、１８０度位相のずれた電流を素子（１０１〜１０４）に給電することができる。
【００４３】
本発明の実施形態によるアンテナおよび一体型アンテナ・パッケージに関連する様々な利点を当業者は容易に理解されよう。例えば、本発明の例示的実施形態によるアンテナ・デバイスは、例えばＲＦおよびマイクロ波周波数で動作することができ、同時に、高利得／指向性／放射効率、広帯域幅、半球または全方向放射パターン、インピーダンスなどのアンテナ性能特性を実現して、アンテナが例えば音声通信、データ通信、またはレーダー応用例に適したものとなる。
【００４４】
さらに、本発明による例示的アンテナ設計は、大量アンテナ製造能力を可能にする。さらに、本発明の例示的実施形態による一体型ＩＣパッケージは、アンテナをトランシーバ・チップなどのＩＣチップと共に一体的にパッケージ化することを可能にし、それにより、トランシーバとアンテナの間の損失が非常に低い、コンパクトな設計が得られる。実際、そのようなＩＣパッケージ設計は、高周波数入出力信号を有するトランシーバ・チップの使用をやめる（go off）必要をなくし、それによって低損失設計が得られる。
【００４５】
別の利点は、そのようなアンテナを有するワイヤ・ボンド・アンテナ設計およびＩＣパッケージが、ポイントツーポイント・システムまたはレーダー・システムなどの指向性アンテナ応用例のための集束アンテナの中心に配置するのに非常に適した放射パターンを提供することである。実際、本発明によるアンテナおよび一体型アンテナ・パッケージは、一体型フェーズド・アレイ・アンテナ・システム、パーソナル・エリア・ネットワーク、レーダー・フィード、冗長度による高信頼性、ポイントツーポイント・システムなどの多数の応用例を可能にする。さらに、本発明による一体型アンテナ／ＩＣチップ・パッケージの使用により、かなりのスペース、サイズ、コスト、および重量が節約され、このことは、ほぼ任意の商用または軍事応用例にとって貴重である。
【００４６】
さらに、本発明の他の例示的実施形態では、ビーム形成またはビームステアリング・アンテナ応用例向けにアンテナに所望の指向性を与えるために、基板上に形成された２つ以上のアンテナの配列を有するアンテナを構築することができる。一般には、フェーズド・アレイ・アンテナを使用して指向性アンテナ・ビーム・パターンを得ることができ、各ワイヤ・ボンド・アンテナに対する入力信号位相が、指向性アンテナ・パターンを電子的に走査し、または所望の方向に向けるように制御される。
【００４７】
例示のために添付の図面を参照しながら本明細書で例示的実施形態を説明したが、本発明はそうした厳密な実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく本明細書で様々な他の変更および修正を与えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の例示的実施形態による、ファイン・ピッチ・ワイヤ・ボンディング方法に関する仕様に従って設計することのできる放射素子としてのワイヤを有するアンテナを示す略図である。
【図２】本発明の例示的実施形態によるアンテナの概略平面図である。
【図３】線２Ｂ−２Ｂに沿って切り取られた図２に示す例示的アンテナの概略断面図である。
【図４】本発明の例示的実施形態による、アンテナおよびＩＣ（集積回路）チップを一体的にパッケージングする装置の概略斜視図である。
【図５】本発明の例示的実施形態によるダイポール・アンテナのコンピュータ・モデルを示す図である。
【図６】図５のモデル・ダイポール・アンテナのシミュレートした反射減衰量を示すグラフである。
【図７】図５のモデル・ダイポール・アンテナのシミュレートしたアンテナおよび放射効率を示すグラフである。
【図８】図５のモデル・ダイポール・アンテナのシミュレートした放射パターンを示すグラフである。
【図９】本発明の例示的実施形態による、ワイヤ・ボンドを使用して形成することのできるタイプのアンテナの略図である。
【図１０】本発明の例示的実施形態による、ワイヤ・ボンドを使用して形成することのできるタイプのアンテナの略図である。
【図１１】本発明の例示的実施形態による、ワイヤ・ボンドを使用して形成することのできるタイプのアンテナの略図である。
【図１２】本発明の例示的実施形態による、ワイヤ・ボンドを使用して形成することのできるタイプのアンテナの略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年2月7日(2008.2.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
放射素子としての少なくとも１つのワイヤを有するアンテナであって、前記少なくとも１つのワイヤが前記基板の表面に取り付けられるアンテナと、
前記基板の表面の上で前記少なくとも１つのワイヤの少なくとも一部分の下に形成される金属遮蔽と
を備えるアンテナ・デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つのワイヤを封入する、前記基板の前記表面上に形成された誘電体材料をさらに備える請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記基板およびアンテナの上に形成されたカバーをさらに備える請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記アンテナがモノポール・アンテナ、ダイポール・アンテナ、ループ・アンテナ、およびエンド・ファイア（end-fire）アンテナを含む群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記アンテナがアンテナ・アレイを含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記少なくとも１つのワイヤが、前記基板の前記表面の上にループ部分を有し、前記ワイヤの少なくとも一端が、前記基板の前記表面に結合される請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記基板の前記表面上の、前記ワイヤの前記ループ部分の少なくとも一部の下に形成された金属遮蔽をさらに備える請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記基板が、前記アンテナに接続されたフィード・ネットワークをさらに有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記フィード・ネットワークがインピーダンス整合ネットワークを含む請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記フィード・ネットワークが、前記少なくとも１つのワイヤをＩＣチップの集積回路に接続する請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記集積回路が、受信機、送信機、またはトランシーバ回路を含む請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
ＩＣ（集積回路）チップと、
放射素子としての少なくとも１つのワイヤを有するアンテナであって、前記少なくとも１つのワイヤが前記ＩＣチップの表面に取り付けられるアンテナと、
前記ＩＣチップの前記表面の上で前記少なくとも１つのワイヤの少なくとも一部分の下に形成される金属遮蔽と
を備える一体型通信デバイス。
【請求項１３】
前記ＩＣチップおよび前記アンテナを封入するカバーをさらに備える請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記ＩＣチップが、トランシーバ、受信機、または送信機を含む集積回路を備える請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記ＩＣチップが、少なくとも１つのワイヤを前記集積回路に接続するアンテナ・フィード・ネットワークを含む請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのワイヤがワイヤ・ボンドである請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１７】
キャリア基板と、
前記キャリア基板に取り付けられたＩＣチップと、
放射素子として少なくとも１つのワイヤを有するアンテナであって、前記少なくとも１つのワイヤが前記ＩＣチップの能動面に結合されるアンテナと、
前記ＩＣチップの前記能動面の上で前記少なくとも１つのワイヤの少なくとも一部分の下に形成される金属遮蔽と、
前記ＩＣチップおよびアンテナを封入するパッケージ・カバーと
を備えるＩＣ（集積回路）パッケージ装置。
【請求項１８】
前記ＩＣチップが、トランシーバ、受信機、または送信機を含む集積回路を備える請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記ＩＣチップが、前記少なくとも１つのワイヤをワイヤ・ボンドで前記集積回路に接続するアンテナ・フィード・ネットワークを備える請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのワイヤがワイヤ・ボンドであり、前記ワイヤ・ボンドが、前記キャリア基板に結合された１つの端部を有する請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのワイヤがワイヤ・ボンドであり、前記ワイヤ・ボンドが、前記キャリア基板のリード・フレームに接続される請求項１７に記載の装置。
【国際調査報告】
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