JP2005094405A - 弾性表面波フィルタを備えた高周波モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】基板の小型化に伴いＦＥＭ内のＳＡＷフィルタが電力増幅器からの熱の影響を受け電気的特性が損なわれる。電力増幅器とＳＡＷフィルタ間の熱遮断性が十分でない。
【解決手段】 ＳＡＷフィルタ７ａ，７ｂと電力増幅器１ａ，１ｂとを基板１１に実装すると共に基板の表面および裏面のうちの少なくとも一方の面にグランド層１２，１３を設けた高周波モジュールで、ＳＡＷフィルタの実装部と電力増幅器の実装部との間のグランド層に不連続部（例えばスリット２１）を形成する。基板裏面にグランド層を設け、これと電力増幅器とをビアホール１５で接続する。更に不連続部の形成位置には基板を貫通する貫通孔２２を設けることが望ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、弾性表面波フィルタを備えた高周波モジュールに係り、特に携帯電話機のフロントエンドモジュール（ＦＥＭ）に搭載する弾性表面波フィルタの温度上昇を防ぐ基板構造に関する。

携帯電話機などの移動体通信機器では、小型かつ高機能化に適するという観点から、送受信部を構成するＦＥＭ（フロントエンドモジュール）に弾性表面波フィルタ（以下、ＳＡＷフィルタという）を使用することが少なくない。かかるＦＥＭは、一般に個別基板の上に電力増幅器やＳＡＷフィルタなどの高周波デバイスを搭載し回路形成を行う。

一方、近時の携帯電話機に対する小型・薄型化の要請は強く、また多機能化に伴う部品点数の増大から、携帯電話機に使用されるＦＥＭにも小型化（例えば１５ｍｍ角レベル）が求められている。しかしながら、モジュールを形成する基板を小型化すれば、必然的にモジュール内の各素子は互いに近接することとなり、発熱デバイスである電力増幅器の熱的な影響を各素子が受けやすくなる。特にＳＡＷフィルタは、一般にリチウムタンタレートからなる圧電基板により形成されて温度係数が大きく（４０ｐｐｍ）、電力増幅器からの熱によって温度が上昇し電気的特性が損なわれやすい。

この点につきさらに述べれば、図１０は代表的なＳＡＷフィルタの温度特性（−３０℃、＋２５℃および＋８５℃の場合）を、また図１１は受信周波数帯域の挿入損失特性を示すものである。これらの図から明らかなようにＳＡＷフィルタは、温度が高くなると周波数が低域側にシフトする傾向がある。具体的には、温度係数を４０ｐｐｍとして計算すると、＋２５℃を基準として＋８５℃で−２．１２ＭＨｚ（＝６０×４０×１０^-6×８８２×１０⁶）、−３０℃で＋１．９４ＭＨｚ（＝５５×４０×１０^-6×８８２×１０⁶）だけ周波数が変動する。

尚、携帯電話機の動作温度範囲は北米市場では−３０℃〜＋６０℃であり、Ｎ−ＣＤＭＡとＰＣＳ用ＦＥＭの動作温度範囲は−３０℃〜＋８５℃である。また、携帯電話機における送信帯域の周波数規格範囲は、Ｎ−ＣＤＭＡの送信帯域は８２４〜８４９ＭＨｚ、受信帯域は８６９〜８９４ＭＨｚである。さらにＰＣＳの送信帯域は１８５０〜１９１０ＭＨｚ、受信帯域は１９３０〜１９９０ＭＨｚである。

図１１は、Ｎ−ＣＤＭＡ受信帯のＳＡＷフィルタの代表的な温度特性を示したものであり、同図から判るように＋８５℃を超える温度上昇が生じると、受信帯域規格範囲（８６９〜８９４ＭＨｚ）の上限側に関し、ＳＡＷフィルタの挿入損失が急激に増大して一定レベル（例えば３ｄＢ以下）の挿入損失を維持することが出来ず、携帯電話機に要求される動作温度範囲（−３０℃〜＋８５℃）を保証することが難しくなる。

一方、このような電力増幅器からの熱伝導に伴う問題の解決を図るものとして、基板内に空洞を設けて電力増幅器とＳＡＷ素子との間の熱の伝導を低減させる発明が提案されている（下記特許文献１参照）。

しかしながら、この文献記載の構造によっても、熱の遮断性は十分とは言えず、今後益々小型化される傾向にあるＦＥＭの熱遮断構造として、より効果的な基板構造の提供が望まれる。

特開２００３−１００９８９号公報

したがって本発明が解決しようとする問題点は、基板の小型化に伴いＦＥＭ内のＳＡＷフィルタが電力増幅器からの熱の影響を受け電気的特性が損なわれる点にあり、特にこれら電力増幅器とＳＡＷフィルタとの間の熱遮断性が十分でない点である。

このような課題を解決するため、本発明に係る高周波モジュール（請求項１）は、ＳＡＷ（弾性表面波）フィルタと電力増幅器とを基板に実装するとともに該基板の表面および裏面のうちの少なくとも一方の面にグランド層を設けた高周波モジュールであって、前記ＳＡＷフィルタの実装部と前記電力増幅器の実装部との間の前記グランド層に不連続部を形成したことを特徴とする。

本発明のモジュールでは、基板表面あるいは基板裏面に設けたグランド層に不連続部を形成することによってグランド層を分割し、ＳＡＷフィルタ実装部分のグランド層を電力増幅器実装部分のグランド層から分離する。これにより、熱伝導率の高いグランド層を通じて電力増幅器からＳＡＷフィルタへと伝導される熱を遮断することができ、ＳＡＷフィルタの温度上昇を効果的に抑制することが可能となる。

不連続部は、具体的には、前記グランド層を分割するスリットとすることが出来る（請求項２）。

さらにかかるモジュールでは、前記ＳＡＷフィルタと電力増幅器とを基板の一方の面に実装するとともに該一方の面とは反対側の面にグランド層を設け、該グランド層と前記電力増幅器とを熱伝導可能に接続するビアホールを該電力増幅器の実装部に設けることがある（請求項３）。

このような構造によれば、電力増幅器で発生される熱を、前記ビアホールを通じて基板の反対側の面に形成したグランド層に逃がすことが出来る。この反対側の面に形成したグランド層（電力増幅器実装側）は、前記不連続部によってＳＡＷフィルタ実装側のグランド層と分離されているから、当該反対側の面のグランド層を通じてＳＡＷフィルタ実装側の基板部分に熱が伝わることを防ぐことができ、ＳＡＷフィルタへの熱伝導量を低減することが出来る。

さらに、前記不連続部の形成位置には、基板を貫通する貫通孔を設けることがある（請求項４）。基板自体（基板内部）を通じて電力増幅器からＳＡＷフィルタへ伝導される熱量を低減するためである。さらに、このような貫通孔を設けることによって基板内部の熱を基板外へ放散させることも可能となる。

また、本発明の別のモジュール（請求項５）は、ＳＡＷフィルタと電力増幅器とを基板に実装してなる高周波モジュールであって、前記電力増幅器から前記ＳＡＷフィルタへの熱伝導量を低減するため、該電力増幅器の実装部と該ＳＡＷフィルタの実装部との間に、基板を貫通する貫通孔を形成する。

このモジュール構造では、前記請求項４のモジュール構造と同様に、貫通孔の形成によって基板自体を通じての熱伝導を抑制できるとともに、貫通孔からの放熱を行うことが可能となる。

貫通孔の形状は特に問わない。例えば断面円形、楕円形、方形、多角形その他であっても良いし、細長いスリット状の孔であっても構わない。前記請求項４のモジュールにおける貫通孔も同様である。

本発明のさらに別のモジュール（請求項６）は、ＳＡＷフィルタと電力増幅器とを基板に実装してなる高周波モジュールであって、該基板の内部にグランド層を設け、該グランド層と前記電力増幅器とをビアホールによって熱伝導可能に接続する。

このモジュール構造では、電力増幅器で発生された熱を、ビアホールを通じて基板内部に設けたグランド層に放散させ、ＳＡＷフィルタへの伝導量を低減させる。

本発明によれば、電力増幅器からＳＡＷフィルタへの熱伝導をより一層低減して、ＳＡＷフィルタの温度上昇を防ぐことが出来る。

本発明の他の特徴および利点は、以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。

以下、添付図面の図１から図９を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。

〔実施形態１〕 図１は本発明の一実施形態に係る高周波モジュール（ＦＥＭ）の回路構成を示すものである。このＦＥＭは、デュアルバンド方式（Ｎ−ＣＤＭＡとＰＣＳ）の携帯電話機に使用するもので、送信回路は、Ｎ−ＣＤＭＡ用並びにＰＣＳ用としてそれぞれ電力増幅器（ＰＡ）１ａ，１ｂ、カプラー２ａ，２ｂおよびＬＰＦ（ローパスフィルタ）３ａ，３ｂを備え、さらにＧａＡｓスイッチ４およびアンテナ５を有する。一方、受信回路は、アンテナ５、ＧａＡｓスイッチ４、ダイプレクサ６およびＳＡＷバンドパスフィルタ７ａ，７ｂにより構成される。

入力端子８ａから入力されたＮ−ＣＤＭＡ方式の送信信号は、ＰＡ１ａ、カプラー２ａ、ＬＰＦ３ａおよびＧａＡｓスイッチ４を経てアンテナ５を通じて送信される。また、入力端子８ｂから入力されたＰＣＳ方式の送信信号は、ＰＡ１ｂ、カプラー２ｂ、ＬＰＦ３ｂおよびＧａＡｓスイッチ４を経てアンテナ５を通じて送信される。一方、アンテナ５から受信された受信信号は、ＧａＡｓスイッチ４、ダイプレクサ６およびＳＡＷフィルタ７ａ，７ｂを経てＮ−ＣＤＭＡ用およびＰＣＳ用の各受信信号端子９ａ，９ｂに伝送される。

尚、図１の回路構成は一例として示したものであって、本発明はこのほかにも、例えばＧＳＭとＤＣＳ、ＡＭＰＳとＰＣＳ、ＰＤＣとＰＨＳなど様々な組み合わせのデュアルバンド携帯電話機のＦＥＭに適用することが可能である。またシングルバンドの携帯電話機に適用できることは勿論である。さらに、ＰＨＳや通信機能を備えたＰＤＡ、無線ＬＡＮカードその他、様々な電子通信機器にも適用することが出来る。

本実施形態に係る高周波モジュールでは、図２から図５に示すように、前記送受信回路を構成するＰＡ（電力増幅器）１ａ，１ｂ、ＬＰＦ３ａ，３ｂ、ＧａＡｓスイッチ４、ダイプレクサ６およびＳＡＷフィルタ７ａ，７ｂを基板１１の表面に実装し、該基板表面（図２，４）と基板１１の裏面（図５）にそれぞれグランド層１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを形成する。尚、図において符号２５は接続パッド、２６はスルーホール、２７はマイクロストリップライン、２８は内層マイクロストリップラインをそれぞれ示す。また、図３において、符号３０はＰＡ１ａ，１ｂからの主な熱の放射角度を示している（約９０度角に放射される）。また、図３は、基板内部の詳細な配線パターンや内蔵素子を省略して示してある。

ＰＡ１ａ，１ｂの下部には放熱用のビアホール１５を設け、基板裏面のグランド層（ＰＡ搭載側）１３ａに接続する。これによりＰＡ１ａ，１ｂで発生した熱を基板裏面のグランド層１３ａに逃がす。

グランド層には、ＰＡ搭載側とＳＡＷフィルタ搭載側とがひと続きに連続することがないように（ＰＡ搭載側グランド層１２ａ，１３ａとＳＡＷフィルタ搭載側グランド層１２ｂ，１３ｂが途切れるように）、基板１１の全幅に亘って延在するスリット２１（溝：不連続部）を形成する。基板裏面のグランド層１３についても、同様のスリット２１を設ける。これらスリット２１の形成により、熱伝導率の高いグランド層を通ってＰＡ１ａ，１ｂから伝導する熱をＳＡＷフィルタ７ａ，７ｂに到達する前に遮断することが可能となる。かかるスリット２１は、例えばエッチングによるパターニングで容易に形成することが出来る。

さらに、スリット２１の形成位置には、基板１１を貫通する貫通孔２２を複数設ける。グランド層経由の熱伝導を遮断することに加え、基板自体（基板内部）を通じてＳＡＷフィルタ側に伝導されるＰＡからの熱を低減するためである。また、このような貫通孔２２を設ければ、基板内部の熱を基板外（周囲）へ放散させることも可能となる。貫通孔２２の形成は、型による打ち抜きあるいはドリルによる穿孔等によって行うことが出来る。

上記実施形態のモジュールにおいてＰＡを駆動したときのＳＡＷフィルタの温度上昇を（周囲温度は３０℃）、従来のモジュール（基板全面にグランド層を形成）と比較する実験を行った。結果は、下記表１および図６に示すとおりである。尚、図６の各棒グラフは、左側（ハッチング無し）が基板全面にグランド層を設けた場合、右側（ハッチング有り）が前記実施形態に基づいてグランド層にスリットを形成した場合を示している。

これら表および図から明らかなように、全面にグランド層を形成した場合には、ＳＡＷフィルタの表面温度は４５℃で、１５℃上昇したのに対し、本実施形態のモジュール構造によれば、ＳＡＷフィルタの表面温度は３７℃で、７℃の上昇に抑えることが出来た。

このように本実施形態のモジュール構造によれば、グランド層および基板自体を、電力増幅器搭載部分１２ａ，１３ａとＳＡＷフィルタ搭載部分１２ｂ，１３ｂとに分け、分離するから、電力増幅器からＳＡＷフィルタへの熱伝導をより一層低減して、ＳＡＷフィルタの温度上昇を防ぐことが出来る。

〔実施形態２〕 図７から図８は本発明の別の実施形態に係る高周波モジュールを示すものである。これらの図に示すようにこのモジュールは、前記実施形態と同様にＰＡ１およびＳＡＷフィルタ７ａ，７ｂ等の各素子を基板表面に実装したものであるが、ＰＡ１の実装位置とＳＡＷフィルタ７ａ，７ｂの実装位置との間に、基板１１を貫通する貫通孔３２を形成したものである。ＰＡ１の下部には放熱用のビアホール３５を形成する。

このようなモジュール構造によれば、ＰＡ１で生じる熱をビアホール３５を通じて基板１１の裏面に逃がすことが出来る。また、ＰＡ実装部から基板１１の内部を通ってＳＡＷフィルタ実装部側に伝導する熱を貫通孔３２によって低減し、さらに該貫通孔３２から基板外に放散させることが可能となる。

〔実施形態３〕 図９は本発明のさらに別の実施形態に係る高周波モジュールを示すものである。同図に示すモジュールは、基板内部にグランド層４０を形成し、このグランド層４０にＰＡ１の下部に形成したビアホール４５を通じて放熱するものである。グランド層４０は、モジュール（基板）の小型・薄型化を図るため、配線パターンおよび基板内蔵素子の少ない層に形成すれば良く、このようなモジュール構造によってもＳＡＷフィルタへの熱伝導量を低減することが出来る。

以上、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

本発明に係る携帯電話機（デュアルバンド方式）高周波部の回路構成を例示する図である。 本発明の第一の実施形態に係る高周波モジュール（表面実装部品搭載状態）の表面を示す平面図である。 本発明の第一の実施形態に係る高周波モジュール（表面実装部品搭載状態）を示す断面図である。 本発明の第一の実施形態に係る高周波モジュール（表面実装部品未搭載状態）の表面を示す平面図である。 本発明の第一の実施形態に係る高周波モジュールの裏面を示す底面図である。 駆動時のＰＡおよびＳＡＷフィルタの温度上昇を示すグラフである。 本発明の第二の実施形態に係る高周波モジュールの表面を示す平面図である。 本発明の第二の実施形態に係る高周波モジュールを示す断面図である。 本発明の第三の実施形態に係る高周波モジュールを示す断面図である。 ＳＡＷフィルタの温度特性（−３０℃、＋２５℃および＋８５℃の場合）を示す線図である。 ＳＡＷフィルタの送信周波数帯域における挿入損失特性（−３０℃、＋２５℃および＋８５℃の場合）を示す線図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ 電力増幅器
２ａ，２ｂ カプラー
３ａ，３ｂ ローパスフィルタ
４ ＧａＡｓスイッチ
５ アンテナ
６ ダイプレクサ
７ａ，７ｂ ＳＡＷフィルタ
１１ 基板
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，４０ グランド層
１５，３５，４５ 放熱用ビアホール
２１ スリット（溝）
２２，３２ 基板貫通孔

Claims (6)

1. 弾性表面波フィルタと電力増幅器とを基板に実装するとともに該基板の表面および裏面のうちの少なくとも一方の面にグランド層を設けた高周波モジュールであって、
   前記弾性表面波フィルタの実装部と前記電力増幅器の実装部との間の前記グランド層に不連続部を形成した
   ことを特徴とする高周波モジュール。
2. 前記不連続部は、前記グランド層を分割するスリットである
   ことを特徴とする請求項１に記載の高周波モジュール。
3. 前記弾性表面波フィルタと電力増幅器とを基板の一方の面に実装するとともに該一方の面とは反対側の面にグランド層を設け、
   該グランド層と前記電力増幅器とを熱伝導可能に接続するビアホールを該電力増幅器の実装部に設けた
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波モジュール。
4. 前記不連続部の形成位置に、基板を貫通する貫通孔を設けた
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の高周波モジュール。
5. 弾性表面波フィルタと電力増幅器とを基板に実装してなる高周波モジュールであって、
   前記電力増幅器から前記弾性表面波フィルタへの熱伝導量を低減するため、該電力増幅器の実装部と該弾性表面波フィルタの実装部との間に、基板を貫通する貫通孔を形成した
   ことを特徴とする高周波モジュール。
6. 弾性表面波フィルタと電力増幅器とを基板に実装してなる高周波モジュールであって、
   該基板の内部にグランド層を設け、
   該グランド層と前記電力増幅器とをビアホールによって熱伝導可能に接続した
   ことを特徴とする高周波モジュール。