CN106796924B - 高频模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高了散热性的高频模块(1)，其包括电介质多层基板(2)，该电介质多层基板(2)具有接地层(2a),将具有发热部的高频电子元器件(3)与所述接地层(2a)接触来进行安装；以及截止块(5)，该截止块(5)由立壁部(5b)以及将其覆盖的盖部(5a)构成，在内部收纳所述高频电子元器件(3)，并且设置有在所述高频电子元器件(3)所使用的高频信号的频率具有截止特性的空洞部(5c)，所述截止块(5)的立壁部(5b)采用与所述电介质多层基板(2)的接地层(2a)相接触的结构。

Description

高频模块
技术领域
本发明涉及具有对微波等高频信号进行放大的高频集成电路的高频模块。
背景技术
微波波段通信用的通信设备、雷达装置、电力传输装置等中使用用于对微波信号进行放大的高频模块。高频模块具备FET(Field Effect Transistor：场效应晶体管)或MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit：单片微波集成电路)等高频集成电路。高频集成电路因其功耗等而发热，因此高频模块具备用于对高频集成电路进行冷却的散热器等。然而，在安装面积受到限制、安装有高频集成电路的电介质多层基板的背面形成有天线元件等的情况下，无法采取从高频集成电路的粘接面直接向散热器进行散热的方法，需要采取其他冷却方法。
例如，日本专利特开平9-102579号公报(参照专利文献1)公开了如下高频模块，即，在以封装金属盖板来构成外部壳体的高频模块中，使内装金属盖板的侧面内接于封装金属盖板的内侧而设置。专利文献1中所公开的高频模块在封装金属盖板的内部具有电介质基板、高频集成电路以及窗部。电介质多层基板收纳于内装金属盖板的内侧。高频集成电路搭载于内装金属盖板的外侧。窗部贯通内装金属盖板而设置，是供布线通过的开口，该布线将高频集成电路连接到电介质多层基板。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平9-102579号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1中所记载的高频模块通过将搭载高频集成电路的内装金属盖板内接于封装金属盖板，从而将由高频集成电路产生的热量传递至封装金属盖板，并将由高频集成电路产生的热量释放至外部。因此，这样的高频模块中，需要对搭载了高频集成电路的这部分内装金属盖板进行加工，高频模块的结构变得复杂。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种不增加元器件数量、以简单的结构将由高频集成电路产生的热量高效率地向外部释放、冷却性能优异的高频模块。
解决技术问题的技术方案
本发明所涉及的高频模块，包括：电介质多层基板，该电介质多层基板具有接地层，将作为发热元件的的高频集成电路与所述接地层接触来进行安装；以及截止块(cutoff block)，该截止块由与所述电介质多层基板的接地层相接触的立壁部以及将其覆盖的盖部构成，在内部收纳所述高频集成电路，并且设置有在所述高频集成电路所使用的高频信号的频率具有截止特性的空洞部，对通过所述接地层而进行传热的由所述高频集成电路所产生的热量进行散热，所述高频集成电路以及所述截止块安装于所述电介质多层基板的一个面，该高频模块具有天线元件，该天线元件设置于所述电介质多层基板的另一个面并由平面天线构成，该平面天线经由所述电介质多层基板对因通电而发热的所述高频集成电路所产生的热量进行散热。
发明效果
根据本发明，通过将由高频集成电路所产生的热量经由电介质多层基板的接地层传递至使截止特性提高的截止块并进行散热，从而能实现一种散热性得以提高而不会使元器件数量增加的高频模块。
附图说明
[图1]是本发明实施方式1所涉及的高频模块的剖视图。
[图2]是示出本发明实施方式1所涉及的高频模块的散热路径的剖视图。
[图3]是示出本发明实施方式1所涉及的高频模块的散热路径的俯视透视图。
[图4]是本发明实施方式2所涉及的高频模块的剖视图。
[图5]是本发明实施方式3所涉及的高频模块的剖视图。
[图6]是本发明实施方式4所涉及的高频模块的剖视图。
[图7]是本发明实施方式5所涉及的高频模块的剖视图。
[图8]是本发明实施方式6所涉及的高频模块的剖视图。
[图9]是示出本发明实施方式6所涉及的高频模块的散热路径的剖视图。
具体实施方式
本申请的附图中X方向、Y方向以及Z方向分别示出了高频模块1的长边方向、短边方向以及厚度方向。图1及图2以及图4～图9示出了在高频模块1的XZ平面中包含形成有固定螺钉6的部位的位置的剖视图。另外，关于图7，详细而言，是在高频模块1的XZ平面中包含形成有固定螺钉6以及螺钉18的部位的位置的剖视图。图3示出了高频模块在XY平面中的俯视透视图。具体而言，是对截止块5进行透视而示出高频模块1的内部的俯视透视图。
实施方式1.
以下，参照附图对本发明实施方式1所涉及的高频模块进行说明。图1是示出本发明实施方式1所涉及的高频模块的剖视图。高频模块1在电介质多层基板2上搭载有任意数量的高频集成电路3(FET：Field Effect Transistor场效应晶体管，MMIC：MonolithicMicrowave Integrated Circuit单片微波集成电路)以及输入连接器4。输入信号以及控制信号经由输入连接器4输入至高频模块1。电介质多层基板2的背面形成有天线元件7。天线元件7将由高频集成电路3放大后的微波等高频信号向空间进行辐射。为了对由天线元件7所辐射的高频信号的功率(高频功率)进行评价，在天线元件7的输入端子的正前方配置有带切换开关的同轴连接器8。
在电介质多层基板2上，以抑制由空间谐振而导致的高频集成电路3的起振或电磁屏蔽为目的，利用螺钉6等容易装卸的固定方法安装有设计为最佳空间距离以确保空间隔离度、抑制谐振的截止块5。截止块5由金属等热阻较小、具有导电性的材料形成。截止块5由盖部5a和与该盖部形成为一体的多个立壁部5b构成。截止块5将高频集成电路3收纳在由盖部5a以及立壁部5b所形成的截止块5的内部，并固定于电介质多层基板2。对于截止块5的立壁部5b的与盖部5a侧相反侧的端部，其与设置于电介质多层基板2上的接地图案(接地层)2a相接触。由高频集成电路3所产生的热量被传递至电介质多层基板2的接地图案(接地层)2a。传递至接地图案(接地层)2a的热量被传递至截止块5，热量从截止块5被释放至高频模块1的外部。
空间(空洞部)5c是通过由盖部5a以及立壁部5b所形成的截止块5的内部与电介质多层基板2所形成的空间。截止块5与接地图案(接地层)2a相连接(接地)，在所使用的高频信号的频率或规定的频率，空间(空洞部)5c设计为最佳空间距离，使得高频信号的谐振被抑制。即，截止块5的盖部5a的内表面与电介质基板2之间的间隔，以及截止块5的相对的立壁部5b之间的间隔设定为产生由高频集成电路放大的高频信号3的截止频率。
截止频率由截止块5的相对的立壁部5b之间的间隔所决定，若相对的立壁部5b之间的间隔为W，则截止频率的波长λc以λc＝2W来表示。
式中，截止频率fc＝c/λc，c＝光速。
将由金属所包围的密闭空间的空间隔离度的量简单地表现为如下方程式。
[数学式1]
式中，α：单位长度的空间隔离度的量“dB/mm”，λc：截止频率的波长“mm”，λ：由高频集成电路3所放大的频率的波长“mm”。
通过将截止块5的相对的立壁部5b之间的间隔设为小于由高频集成电路3放大的频率f的波长λ，从而改善高频模块1的截止块5的内部的空间隔离度的量。
对于由截止块5的盖部5a的内表面与电介质基板2之间的间隔所规定的截止频率的波长λc，也与由截止块5的相对的立壁部5b之间的间隔所规定的截止频率的波长λc相同。具体而言，截止块5的盖部5a的内表面与电介质基板2的接地图案(接地层)2a之间的间隔设为W，则截止频率的波长λc以λc＝2W来表示。
在天线元件7的输入端子的正前方设置有带切换开关的同轴连接器8，使得能够实施对高频模块1单体的特性评价。在带切换开关的同轴连接器8中，在同轴电缆连接时高频信号不输入至天线元件而从向测试端口进行输出，因而能对高频模块1单体进行特性评价。通常运用时，不连接同轴电缆，从而将高频信号输入至天线元件7。在带切换开关的同轴连接器8自身的损耗对高频模块1的特性造成影响的情况下，也可采用在特性评价后拆下带切换开关的同轴连接器8、利用金带等使其短路而抑制损耗的方法。
图2是示出本发明实施方式1所涉及的高频模块的散热路径的剖视图，图3是示出本发明实施方式1所涉及的高频模块的散热路径的鸟瞰图。在图2以及图3中，空心箭头示出了热量的传递路径。在图2以及图3中，高频集成电路3接触并安装于电介质多层基板2的接地图案(接地层)2a，因此由高频集成电路3所产生的热量通过散热路径9a被传递至接地图案(接地层)2a。传递至接地图案(接地层)2a的由高频集成电路3所产生的热量通过散热路径9b传递至接地图案(接地层)2a内，从接地图案(接地层)2a与截止块5的接触部被传递至截止块5。传递至截止块5的由高频集成电路3所产生的热量通过散热路径9c传递至截止块5内，从截止块5的表面被散热至空间中。由此，使由高频集成电路3所产生的热量通过电介质多层基板2的接地图案(接地层)2a传递至截止块5，并向空间进行散热，从而能得到一种提高了高频信号的空间隔离度与散热这两种功能的高频模块1。
图2所示的截面中，高频集成电路3所接触的接地图案(接地层)2a被切断，成为接地图案(接地层)2a与截止块5不进行直接接触的图。然而，实际的结构如图3所示，接地图案(接地层)2a在电介质多层基板2中绕过高频集成电路3而与截止块5相接触。由此，由高频集成电路3所产生的热量经由接地图案(接地层)2a被传递至截止块5。
为了提高高频模块1的散热效果，有将接地图案(接地层)2a的金属膜厚进行加厚的方法。此外，通过在高频集成电路3等发热元件附件设置多个接地通孔，通过增加散热路径从而使向外部进行散射的散热面积增大，从而能提高散热效率。可以不仅传热至作为金属层的接地图案(接地层)2a，还经由电介质多层基板的电介质层传热至形成于背面的天线元件7，因而，可以使用天线元件7作为散热器来提高散热效果。
实施方式2.
利用附图，对本发明实施方式2所涉及的高频模块进行说明。图4是示出本发明实施方式2所涉及的高频模块的剖视图。对图4中与图1～图3相同或者同等的结构要素标注相同的标号，并省略其说明。本发明实施方式2在本发明实施方式1的电介质多层基板2内嵌入了铝芯材等金属芯材12。金属芯材12通过接地通孔2d与接地图案(接地层)2a进行电连接且进行热连接。
高频集成电路3接触并安装于露出电介质多层基板2的金属芯材12。由高频集成电路3所产生的热量被传递至金属芯材12，金属芯材12通过由导电性材料所形成的接地通孔2d与接地图案(接地层)2a进行电连接且进行热连接，因此热量被传递至接地图案(接地层)2a。此外，金属芯材12通过由导电性材料所形成的接地通孔2d与接地图案(接地层)2a进行电连接且进行热连接，因此与接地图案(接地层)2a为相同电位并接地。对于热量传递至接地图案(接地层)2a后的从截止块5开始的散热路径，与本发明实施方式1相同。
金属芯材12形成有螺纹牙，从而能不从天线元件7一侧安装截止块的固定螺钉6以安装截止块5，而从截止块5一侧对螺钉进行安装。固定螺钉6沿Z方向插入。因此，传递至金属芯材12的由高频集成电路3所产生的热量会从金属芯材12直接被传递至截止块5，因此与经由导体图案(接地层)2a的热量传递路径相比热阻降低，散热效率得以提高。
通过在从与金属芯材12相反侧的截止块5的表面(XY平面上的面)起直到金属芯材12形成螺纹牙，能够使得金属制的固定螺钉6不露出至天线元件7一侧。由此，高频模块1没有用于安装截止块5而设置的天线元件7一侧的金属制的固定螺钉6，因此能够减小给天线元件7的辐射特性带来的影响。换言之，可以说高频模块1的固定螺钉6的安装布局的自由度得以提高。
实施方式3.
利用附图，对本发明的实施方式3所涉及的高频模块进行说明。图5是示出本发明实施方式3所涉及的高频模块的剖视图。对图5中与图1～图3相同或者同等的结构要素标注相同的标号，并省略其说明。本发明实施方式3是在本发明实施方式1的截止块5上形成有散热片13的高频模块1。
通过在截止块5上形成散热片13，从而能使其与大气的热交换面积增大，高频模块1的散热效率得以提高。
本发明实施方式3中，将安装了控制用IC16以及控制用贴片元件17的控制电路15载置于截止块5并安装。
在电介质多层基板2的背面形成有天线元件7的构成中，作为有源相控阵天线，在连结有多个高频模块1的情况下，天线元件7的天线间距被高频模块1的面积所限制。本发明的实施方式3中，以对高频性能造成的影响相对较小的控制基板作为其它基板而进行制作，在由电缆等连接高频基板与控制基板的情况下，能够对高频模块1的面积进行削减。在形成有连结多个高频模块1的有源相控阵天线的情况下，能够减小天线间距的距离的限制，且减小的程度与所削减的面积相当。
实施方式4.
利用附图，对本发明的实施方式4所涉及的高频模块进行说明。图6是示出本发明实施方式4所涉及的高频模块的剖视图。对图6中与图1～图3相同或者同等的结构要素标注相同的标号，并省略其说明。本发明实施方式4是在本发明实施方式1的截止块5中形成有水冷用热管14的高频模块1。
通过在截止块5中形成水冷用热管14，从而强制地对截止块5进行冷却，因此能使热交换效率增大，高频模块1的散热效率得以提高。
实施方式5.
利用附图，对本发明的实施方式5所涉及的高频模块进行说明。图7是示出本发明实施方式5所涉及的高频模块的剖视图。对图7中与图1～图3相同或者同等的结构要素标注相同的标号，并省略其说明。本发明实施方式5是采用将本发明实施方式1中的高频集成电路3的组件以上下颠倒的方式安装后的结构、使截止块5与高频集成电路3直接接触的高频模块1。为了使导热量增大，需要改善高频集成电路3的组件与截止块5的接触性。对高频集成电路3的组件实施螺纹加工处理，将截止块5安装于电介质多层基板2。由此，安装后，使用螺钉18，提高高频集成电路3的组件与截止块5的接触性。具体而言，使用从截止块5一侧通过的螺钉18，使其与设置于高频集成电路3的组件的螺纹加工部嵌合，向截止块5一侧拉引从而提高接触性。螺钉18在Z方向上插入。
在希望使来自高频集成电路3的热量从电介质多层基板2一侧进行散热的情况下，也可经由散热片材19等像本发明实施方式1那样通过电介质多层基板2进行散热。
通过采用上述构成，主要散热路径不通过电介质多层基板2，因此能在不受电介质多层基板2的温度条件限制的情况下进行安装。此外，截止块5一般使用金属等热传导良好的材料，因此能够提高高频模块1的散热效率。
此外，对高频集成电路3的引线端面3a进行焊接连接。使高频集成电路3与截止块5接触，因此若利用螺钉18将高频集成电路3向截止块5一侧拉引，则有可能产生在引线端面3a发生应力集中而产生裂纹等可靠性问题。通过将引线结构设为弯曲结构，则能在不受到因焊接裂纹等对可靠性造成影响的情况下进行安装。
实施方式6.
利用附图，对本发明的实施方式6所涉及的高频模块进行说明。图8是示出本发明实施方式6所涉及的高频模块的剖视图。对图8中与图1～图3相同或者同等的结构要素标注相同的标号，并省略其说明。本发明实施方式6是在本发明实施方式1的基础上，将天线元件7也作为散热路径的高频模块1。
在天线元件7为微带线路天线、倒F型天线等平面天线的情况下，在天线元件7内的电场强度分布中存在电场强度为零电位的零点。即使将该零点利用导体强制地与接地图案(接地层)机械连接，也不会影响天线元件7的电学特性。即，通过将天线元件7的零点利用导体与接地图案(接地层)连接，从而能在不影响天线元件7的电学特性的情况下对由高频集成电路3所产生的热量进行散热。具体而言，传递至接地图案(接地层)的由高频集成电路3所产生的热量会从接地图案(接地层)经由天线元件7的零点，被传递至设置于电介质多层基板2的背面并向外部空间露出的天线元件7。传递后的热量从天线元件7的表面散热至外部空间。
在图8中，天线元件7为微带线路天线，天线元件7的供电线7a与高频集成电路3的引线经由设置于电介质多层基板2的表面的信号图案2b相连接。
在微带线路天线中，天线元件7的中央部为零点。天线元件7的中央部的零点利用接地线7b与形成于电介质多层基板2内层的内层接地图案(接地层)2c相连接。内层接地图案(接地层)2c通过由导体材料所形成的接地通孔2d，与设置于高频集成电路3所接触的电介质多层基板2的表面的接地图案(接地层)2a相连接。
图9是示出本发明实施方式6所涉及的高频模块的散热路径的剖视图。在图9中，空心箭头示出了热量的传递路径。在图9中，高频集成电路3接触并安装于电介质多层基板2的接地图案(接地层)2a，因此由高频集成电路3所产生的热量通过散热路径9a被传递至接地图案(接地层)2a。传递至接地图案(接地层)2a的由高频集成电路3所产生的热量通过散热路径9b传递至接地图案(接地层)2a内，从接地图案(接地层)2a与截止块5的接触部被传递至截止块5。传递至截止块5的由高频集成电路及3所产生的热量通过散热路径9c传递至截止块5内，从截止块5的表面被散热至空间中。
在图9所示的剖视图中，高频集成电路3所接触的接地图案(接地层)2a被切断，接地图案(接地层)2a与截止块5不进行直接接触。然而，实际的构造如图3所示，接地图案(接地层)2a在电介质多层基板2之中绕过高频集成电路3而与截止块5相接触。由此，由高频集成电路3所产生的热量经由接地图案(接地层)2a被传递至截止块5。
在图9中，高频集成电路3接触并安装于电介质多层基板2的接地图案(接地层)2a，因此由高频集成电路3所产生的热量通过散热路径9a被传递至接地图案(接地层)2a。传递至接地图案(接地层)2a的由高频集成电路3所产生的热量通过接地通孔2d被传递至内层接地图案(接地层)2c。传递至内层接地图案(接地层)2c的由高频集成电路3所产生的热量通过散热路径9b传递至内层接地图案(接地层)2c内，并被传递至接地线7b。传递至接地线7b的由高频集成电路3所产生的热量通过散热路径9d传递至接地线7b内，并被传递至天线元件7，从天线元件7的表面被散热至空间中。
由此，高频模块1使由高频集成电路3所产生的热量经由电介质多层基板2的接地图案(接地层)2a传递至截止块5以及天线元件7，并散热至空间中。由此，能得到一种提高了高频信号的空间隔离度与散热这两种功能的高频模块1。
本发明实施方式1至6所说明的高频模块1的结构在分别单独实施的基础上，也可将各自的实施方式进行组合。
标号说明
1高频模块，2电介质多层基板，2a接地图案(接地层)，2b信号图案，2c内层接地图案(接地层)，2d接地通孔，3高频集成电路，3a引线端面，4输入连接器，5截止块，5a盖部，5b立壁部，5c空间(空洞部)，6固定螺钉，7天线元件，7a供电线，7b接地线，8带切换开关的同轴连接器，9a、9b、9c、9d散热路径，12金属芯材，13散热片，14水冷用热管，15控制电路，16控制用IC，17控制用贴片元件，18螺钉，19散热片材。

Claims (7)

1.一种高频模块，其特征在于，包括：
电介质多层基板，该电介质多层基板具有接地层，将作为发热元件的高频集成电路与所述接地层接触来进行安装；以及
截止块，该截止块由与所述电介质多层基板的接地层相接触的立壁部以及将其覆盖的盖部构成，在内部收纳所述高频集成电路，并且设置有在所述高频集成电路所使用的高频信号的频率具有截止特性的空洞部，对通过所述接地层而进行传热的由所述高频集成电路所产生的热量进行散热，
所述高频集成电路以及所述截止块安装于所述电介质多层基板的一个面，
具有天线元件，该天线元件设置于所述电介质多层基板的另一个面并由平面天线构成，该平面天线经由所述电介质多层基板对因通电而发热的所述高频集成电路所产生的热量进行散热，
所述天线元件的电场强度的零点与所述接地层相连接。
2.一种高频模块，其特征在于，包括：
电介质多层基板，该电介质多层基板具有接地层，将作为发热元件的高频集成电路与所述接地层接触来进行安装；以及
截止块，该截止块由与所述电介质多层基板的接地层相接触的立壁部以及将其覆盖的盖部构成，在内部收纳所述高频集成电路，设置有在所述高频集成电路所使用的高频信号的频率具有截止特性的空洞部，
所述高频集成电路以及所述截止块安装于所述电介质多层基板的一个面，在所述电介质多层基板的另一个面具备与所述高频集成电路相连接的天线元件，
所述天线元件为平面天线，将所述天线元件的电场强度的零点与所述接地层相连接。
3.如权利要求1或2所述的高频模块，其特征在于，
所述接地层的一部分为金属芯材，所述高频集成电路与该金属芯材接触来进行安装。
4.如权利要求1或2所述的高频模块，其特征在于，
横跨所述电介质多层基板的电介质层来形成多个所述接地层，横跨所述电介质层所形成的多个所述接地层分别通过形成于所述电介质层的导电性的接地通孔相连接。
5.如权利要求4所述的高频模块，其特征在于，
所述接地通孔在所述高频集成电路的周围形成有多个。
6.如权利要求1或2所述的高频模块，其特征在于，
在所述截止块的盖部竖立设置有散热片。
7.如权利要求1所述的高频模块，其特征在于，
在所述截止块内设有散热热管。
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