JP2005101366A - 高周波モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】電力増幅素子による発熱に影響されずにフィルタ素子の電気的特性を維持できる小型で高性能な高周波モジュールを提供する。
【解決手段】誘電体基板2の一方の主面に、電力増幅素子4およびフィルタ素子8を主面上に実装してなり、前記電力増幅素子実装下部に前記誘電体基板の一方の主面から他方の主面まで貫通する導体6を形成してなるとともに、前記フィルタ素子実装面2bの下部における前記誘電体基板内部に、最大直径が0.2mm以下の空孔を点在せしめたことを特徴とする。特に空孔9を、断面方向で千鳥状に配置すること、前記空孔を、前記誘電体基板の単位体積当り5〜50%の割合で含有する部分を設けることが望ましい。
【選択図】 図1

Description

本発明は携帯型情報端末機、無線LAN、WLL(Wireless Local Loop)等の電子機器・電子装置等に用いられる、高周波電力増幅装置、高周波フィルタ装置および高周波分波器装置を一体構成した小型・高性能かつ低価格な高周波モジュールに関するものである。
高周波モジュールにおいて高周波電力増幅装置を構成する高周波電力増幅素子は、現在の移動体通信システムにおける伝送容量の増加や伝送スピードの高速化に伴い大きな高周波電力を取り扱うため、高周波電力増幅素子自身の発熱量が増加している。その放熱対策として、放熱フィンを取り付ける方法や、高周波電力増幅素子が実装される誘電体基板に熱伝導率が大きな高熱伝導セラミックスである窒化アルミニウム等を用いる方法があり、良好な放熱性を得ることが出来る。
さらに特開2000−31331号公報では、高周波電力増幅素子を配線基板の背面に配置し外部回路基板に半田付けすることで放熱性を向上する技術が提案されている。
また、高周波モジュールにおいて、高周波電力増幅素子の近傍に設置されるフィルタ素子として一般に用いられる弾性表面波素子は、通常、リチウムタンタレート等の圧電体基板に弾性表面波を伝播させるための櫛形電極が形成されたものであるが、圧電体基板自身の電気的特性が温度変化による影響を大きく受けるため、モジュール内で高周波電力増幅素子等の発熱体から離れた位置に配置することが必要不可欠となっている。このため、従来の高周波電力増幅装置と高周波フィルタ素子等とを一体に形成した高周波モジュールは、近年の移動体通信用情報端末機等の小型化・軽量化・高密度化・低価格化のための要求に十分に応えることができないという問題点があった。
これに対し、例えば特開平7−58586号公報には、高周波電力増幅素子である能動回路素子を、弾性表面波素子である受動回路素子を形成した一個の圧電体基板上に実装することにより、小型で低価格な高周波回路装置を構成することが提案されている。
また特開2003−100989では半導体素子と超音波素子の間に空洞を設けて熱抵抗を大きくすることで、超音波素子と発熱の大きい半導体素子を同一基板に高密度に実装することが可能な高周波モジュールが提案されている。
特開2000−31331号公報 特開平7−58586号公報 特開2003−100989
しかしながら、特開平7−58586号公報に開示された高周波回路装置では、近年の移動体通信システムにおける伝送容量の増加や伝送スピードの高速化に伴い大きな高周波電力を取り扱う必要がある場合に、高周波電力増幅素子である能動回路素子を弾性表面波素子である受動回路素子を形成した一個の圧電体基板上に実装すると、高周波電力増幅素子自身が大きく発熱することから、圧電体基板に形成された高周波フィルタにおけるその熱によるフィルタ特性の劣化が問題となり、大きな高周波電力を取り扱う移動体通信システムで使用される小型の情報端末機器には使用できないという問題点があった。
また特開2003−100989が提案している構造は、高周波モジュールに空洞を設けていることから、小型の情報端末を落下した時、高周波モジュールが壊れないために必要な基板強度が大幅に低下する問題があった。また情報端末を作成する工程で部品実装のプロセスと筐体に基板を取り付けプロセスによって、実装基板に応力が発生し、高周波モジュールが空洞を基点に破壊する問題があった。さらに誘電体で高周波モジュールの基板を形成した場合、空洞によって基板表面や超音波素子と半導体素子の実装表面に凹凸が発生する問題があった。
本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、大電力の高周波用等の電力増幅素子による発熱に影響されることなく、その近傍に配置された弾性表面波素子等の高周波フィルタ特性等の電気的特性を維持することができ、かつ小型で高性能で強度劣化が少なく、しかも低価格な、携帯型情報端末機、無線LAN、WLL等の電子機器・電子装置等に好適な高周波モジュールを提供することにある。
本発明の高周波モジュールは、誘電体基板の一方の主面に、電力増幅素子およびフィルタ素子を主面上に実装してなり、前記電力増幅素子実装下部に前記誘電体基板の一方の主面から他方の主面まで貫通する導体を形成してなるとともに、前記フィルタ素子実装面の下部における前記誘電体基板内部に、最大直径が0.2mm以下の空孔を点在せしめたことを特徴とする。
特に、前記空孔を、断面方向で千鳥状に配置することが望ましく、また、前記空孔を前記誘電体基板の単位体積当り5〜50%の割合で含有する部分を設けることが望ましい。
また、前記電力増幅素子およびフィルタ素子が実装された誘電体基板主面を絶縁性樹脂を含有する封止材で封止することが望ましい。
さらに、前記誘電体基板の主面側を電磁波放射を防止する金属ケースによって被うことが望ましい。
前記フィルタ素子が、表面弾性波素子またはFBAR素子からなることが望ましい。
また、複数の誘電体層を積層して成る誘電体基板の一方の主面に構成される電力増幅素子実装面がフィルタ素子実装面よりも他方の主面に近い位置で形成されることが望ましい。
本発明の上記高周波モジュールによれば、フィルタ素子実装面の下部の誘電体層内に0.2mm以下の空孔を点在せしめることで、この空孔群が断熱部を形成する結果、電力増幅素子から発生した熱がその断熱部でブロックされ、フィルタ素子に影響を与えることを防止することができる。特に、電力増幅素子下部に形成された貫通導体から高周波モジュールが実装された外部回路基板側に熱放散されるが、その場合でも、外部回路基板を経由して高周波モジュール表面に実装されたフィルタ素子に熱が回るのを、フィルタ素子の少なくとも直下に空孔を設けることによって熱の周り込みが防止できる。
しかも、空孔を最大直径が0.2mm以下として点在することによって、誘電体基板の強度を低下させることなく、携帯端末の落下や基板取り付け時の応力印加によって基板が破損することはなく、基板の強度低下を抑えることができる。しかも、空孔の大きさが、0.2mm以下とすることで、空孔が原因となる基板表面や超音波素子実装表面に凹凸が発生することもない。
また、上記の高周波モジュールにおいては、電力増幅素子から発生した熱のフィルタ素子への影響をさらに効率的に低減する上で、前記空孔を、フィルタ素子実装面下部の誘電体層の体積に対して5〜50%の割合で存在させることが適当である。
この改善によって、フィルタ素子の高周波フィルタ特性、高周波分波器特性等の電気的特性を劣化させることなく、小型で高性能な高周波モジュールを提供することができる。
以下、図面に基づいて本発明の高周波モジュールを詳細に説明する。
図1は、本発明の高周波モジュールの実施の形態を示す断面図であり、この例において、高周波モジュール1はマザーボード等の外部電気回路基板7に搭載され実装されている。
図1の高周波モジュールにおいては、誘電体基板2の上面において、電力増幅素子実装部2aと、平面部のフィルタ部品実装部2bとが所定の間隔をおいて形成されている。
電力増幅素子実装部2aの下面には、導体層2a1が形成されており、電力増幅素子4がワイヤボンディング3aを介して電気的に接続し搭載されている。
電力増幅素子4としては、例えばpn接合ゲート型電界効果型トランジスタやショットキー障壁ゲート型電界効果型トランジスタ、ヘテロ接合型電界効果型トランジスタ、pn接合ゲート型へテロ接合型電界効果型トランジスタ等が用いられる
また、電力増幅素子4と導体層2a1との間には、その接続部や素子面を保護する目的で封止樹脂5が注入される。封止樹脂5は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の熱を加えることにより硬化するものを用いることができる。また、封止樹脂5は、本発明の高周波モジュール1においては熱伝導率が20W/m・K以下のものを用いることが望ましく、約10W/m・K以下のエポキシ樹脂製のものを用いることが好ましい。これにより、電力増幅素子4による発熱の誘電体基板2自身への伝達を抑制することが可能となる。
また、電力増幅素子実装部2aの下部には、誘電体基板2を他方の主面まで貫通する貫通導体6が形成されている。この貫通導体6は、外部電気回路基板7へと熱を伝達しやすくする上で、誘電体基板2の熱伝導率よりも5倍以上大きくすることが望ましく、さらには熱伝導率が100W/m・K以上のものを用いることが好ましい。さらに貫通導体6は直径(短径)が0.1〜0.5mmであることが望ましい。また、この貫通導体6は、必ずしも円形である必要はなく、長円形状、スリット形状であってもよい。
そして、この貫通導体6は、ロウ材13を介して外部電気回路基板7の上面の放熱用導体15に取着されている。これによって、電力増幅素子4から発生した熱は、貫通導体6およびロウ材13を介して、外部電気回路基板7の表面に形成された放熱用導体15に効率的に伝達される。
一方、フィルタ部品実装部2bには、フィルタ部品8が、導体バンプ3bを介してフィルタ部品実装部2bの下面に形成された導体層2b1から成る電極部に電気的に接続して搭載されている。ここで、導体バンプ3bには金や半田、熱硬化型Agペースト等を用いることができる。
フィルタ部品8としては、例えば共振器型フィルタ・共振子ラダー型および格子型接続フィルタ・マルチIDT(Inter Digital Transducer)型フィルタ等の表面弾性波素子や、FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)フィルタ素子、BAW(Bulk Acoustic Wave)フィルタ素子等が用いられる。その他、上記のような各種フィルタ素子を収納し気密に封止したパッケージであってもよい。このフィルタ部品8が例えば共振器型フィルタの場合には、圧電体基板として、36°Yカット−X伝搬のLiTaO結晶、64°Yカット−X伝搬のLiNbO結晶、45°Xカット−Z伝搬のLiB結晶等が、電気機械結合係数が大きくかつ群遅延時間温度係数が小さいことから、好適に使用される。また、フィルタ部品8には、圧電体基板表面上を弾性表面波を励起させ、伝播・共振させるため、その表面に、互いに噛み合うように形成された少なくとも一対の櫛歯状電極のIDT(Inter Digital Transducer)電極(図示せず)を設ける。このIDT電極は、所望のフィルタ特性を得るために、複数対の櫛歯状電極を直列接続や並列接続等の方式で接続して構成される。このようなIDT電極は、圧電体基板上に蒸着法・スパッタリング法またはCVD法等の薄膜形成法により所望の形状・寸法に形成することができる。
図2は、図1の高周波モジュールをA−A’線で切断したときの概略平面図で示す。本発明によれば、フィルタ素子実装部2bの下部の誘電体基板2内に最大径0.2mm以下、特に0.1mm以下の空孔9を点在させたことが大きな特徴である。特に、この例によれば、図1の概略断面図に示すように、空孔9が隣接する上下の誘電体層間で互い違いになるように配置した、いわゆる千鳥状に配置させることが望ましい。また、図2に示すように、平面的にみても、この空孔9を千鳥状に配置することが望ましい。これによって、空孔9を均一に分散させ、応力の集中を抑制することができる。
また、この空孔9の最大径を0.2mm以下としたのは、最大径が0.2μmよりも大きくなると、誘電体基板に応力が印加された時に、空孔に応力が集中しやすくなり、その結果、誘電体基板の強度が著しく劣化し、空孔を起点として基板が破壊しやすくなるためである。この空孔9は、必ずしも円形である必要はなく、長円形状、スリット形状であってもよい。
さらに、この空孔9による断熱性を高めるために、空孔を、誘電体基板の単位体積当り5〜50%、特に10〜30%の割合で含有することが望ましい。このような空孔を点在させた部分は、誘電体基板2内のフィルタ素子8実装部2bの下部において、誘電体基板2の内部において、0.4mm以上の厚みで設けておくことが望ましい。
また、電力増幅素子4と、フィルタ素子8には、その接続部や素子面を保護する目的で、熱硬化性樹脂などの封止樹脂5によって封止されていることが望ましい。封止樹脂5は、熱伝導率の向上と、熱膨張率を抑制する為、アルミナ等のフィラーをエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の熱硬化性を有するものを用いることができる。また、封止樹脂5は、本発明の高周波モジュール1においては、熱伝導率が20W/m・K以下のものを用いることが望ましく、約10W/m・K以下のエポキシ樹脂製のものを用いることが好ましい。これにより、電力増幅素子4による発熱の誘電体基板2自身への伝達を抑制することが可能となる。
本発明の高周波モジュールによれば、図1の概略断面図に示すように、電力増幅素子の実装部2aを誘電体基板2の凹部内に設けることによって、フィルタ素子の実装部2bよりも、他方の主面に近くなるように配置することで、電力増幅素子4から発生する熱を、貫通導体6を介して外部回路基板7に効率的に伝えるができ、電力増幅素子4から誘電体層や導体層を介してフィルタ素子8に伝わる伝熱量をより効果的に低減させることが可能となり、フィルタ素子8の熱的な影響による電気的特性の劣化をより確実に防止しすることができる。
本発明の高周波モジュール1においては、電力増幅素子4およびフィルタ素子8を電気的に機能させるため、内部導体配線および表層導体配線ならびにビアホール導体を形成して、誘電体基板2の上面に電子回路を構成するのに抵抗、コンデンサ、インダクタ、半導体素子、MEMS(Micro Electro Mechnical Systems)等の電子部品を搭載し、所望の電子回路を構成することができる。
また、必要に応じて、誘電体基板2の内部には、導体配線を利用した、コンデンサ、インダクタ等による高周波フィルタ(図示せず)等を内蔵させることにより、さらに高機能で小型の高周波モジュール1を構成することができる。
さらに、高周波モジュール1表面にバリスタやチップインダクタ等の電子部品や、誘電体基板2の内部にインダクタを内蔵させることにより、静電気対策を施した高周波モジュール1を構成することができる。
また、この高周波モジュール1は、外部回路基板7に対して、信号伝達用として、高周波モジュール1に形成された電極パッドをロウ材を介して外部回路基板7表面に形成された信号用配線層21と接続される。
さらにフィルタ素子8は、表面弾性波素子、FBAR素子等のチップスケールパッケージで構成されるフィルタ素子が直接実装さている。また、高周波モジュール1表面に実装された電子部品や回路を保護する目的で、アルミナ等のフィラーを混入した封止樹脂5で保護層を形成した後、シールドケース10を取着することにより、外部からの機械的応力や雰囲気の影響や電磁ノイズを遮断または抑制させることが出来る。
この高周波モジュール1における誘電体基板2は、複数の誘電体層を積層して成るものであり、誘電体層には、例えばアルミナセラミックス、ムライトセラミックス、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックスや、有機樹脂材料とセラミック材料との混合材料を用いることができる。とりわけ、導体としてCu、Agを使用し同時焼成にて形成する上では、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックス、有機樹脂材料とセラミック材料との混合材料が挙げられ、熱的安定性に優れる点で、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックスが最も望ましい。
誘電体基板2を構成する誘電体材料の熱伝導率は、20W/m・K以下、特に10W/m・K以下、さらには5W/m・K以下、さらに望ましくは3W/m・K以下とするのがよい。この熱伝導率は、誘電体材料を形成する樹脂やセラミック材料の熱伝導率の異なる複数の成分の混合比を調整することによって、容易に制御することができる。
本発明の上記高周波モジュールは、従来の周知の方法で作製することができる。ここでは、好適な例として、誘電体基板がガラスセラミック組成物からなる場合について、以下に簡単に説明する。
まず、誘電体基板2における各誘電体層を形成するために各誘電体層となるガラスセラミック組成物からなるセラミックグリーンシートを作製する。誘電体層となるセラミックグリーンシートは、ホウ珪酸ガラス、ホウ珪酸亜鉛系ガラス、SiO−Al−アルカリ土類酸化物などの周知のガラス30〜90質量%に、アルミナ、クオーツ、ムライト、AlN、フォルステライトなどの無機フィラーを10〜70質量%の割合で混合した混合物に、アルキルメタクリレート等の有機バインダ、DBP(ジブチルフタレート)等の可塑剤とトルエン等の有機溶剤を混合し、ボールミルで4〜8時間混練してスラリーを作製し、このスラリーを用いてドクターブレード法等によりテープ成形を行ない、これを所定の寸法に切断して作製する。
そして、所定のセラミックグリーンシートに、貫通導体6、内部導体配線と表層導体配線とを接続するためのビアホール導体を形成するため、あるいは空孔9を形成するため、マイクロドリル、パンチング、レーザーで形成したり、さらには感光性樹脂を含むグリーンシートに露光、現像処理を施すなどの処理によって凹部やそれぞれの様々な円形、楕円形、長孔などの様々な形状の貫通穴を形成することができる。
そして、このうち、貫通導体6の貫通穴にCuあるいはAg系導体ペーストを充填する。なお、空孔を形成する貫通孔には、何も充填しないか、または樹脂等の焼成時に焼失する成分を充填する。また、同時に、各グリーンシートに内層導体配線、表層導体配線、導体層2a1、2b1となるパターンをCuあるいはAg系導体ペーストを用いてスクリーン印刷法や、グラビア印刷法などによって印刷形成する。
ここで、CuあるいはAg系導体ペーストには、例えばCu粉末、CuO粉末、Ag粉末の他、Ag合金であるAg−Pd粉末、Ag−Pt粉末が使用可能であり、必要に応じて例えば所定量のホウケイ酸系の低融点ガラスや、SiO、Al、MgO、CaOなどのアルカリ土類金属酸化物、Bi等の金属酸化物を加え、さらにエチルセルロース等の有機バインダと、例えば2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノイソブチレート等の有機溶剤とを混合して均質混練したものが用いられる。
これらの金属粉末と、必要に応じて例えば所定量のホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系ガラスなどのホウケイ酸系の低融点ガラス、Al、MgO,CaO、SiO、Bi等の金属酸化物などの無機物と、エチルセルロース等の有機バインダと、2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノイソブチレート等の有機溶剤とを混合して均質混練したものが用いられ、金属粉末に対する低融点ガラスや金属酸化物の添加量の割合によって熱伝導率が制御可能である。
上記のようにして得られたセラミックグリーンシートを例えば形成パターンを基準に位置合わせし、積層順序に応じて積層し、熱圧着することにより未焼成の積層体を形成する。
その後、この未焼成状態の積層体を例えば酸化雰囲気中で焼成し焼結一体化する。具体的には、酸素雰囲気または大気雰囲気中において800〜1000℃で焼成することにより、モジュール基板を作製することができる。
そして、このモジュール基板表面に、フィルタ素子8、電力増幅素子4などを実装し、封止樹脂5を充填して封止することによって、本発明の高周波モジュールを作成することができる。
誘電体材料として、ホウケイ酸ガラス70質量%、アルミナ30質量%からなれる熱伝導率が2W/m・Kのガラスセラミック系誘電体材料を用い、貫通導体および配線材料を150W/m・KのAg系導体材料を用いて高周波モジュール基板を作製した。なお、モジュール基板の上面には電力増幅素子を実装するために深さ0.3mmの凹部を形成した。
そして、この高周波モジュール基板の表面に、20×16×0.6mmの大きさ弾性表面波フィルタからなるフィルタ素子を半田実装するとともに、凹部内に電力増幅素子を半田実装した。
なお、作製した高周波モジュール基板においては、図2に示すように電力増幅素子実装部の下部に直径が0.2mmのサーマルビアを千鳥状に6個配置した。また、フィルタ素子実装部下部に20×16mmの領域に表1に示す密度で直径が0.1〜0.3mmの空孔を設けた。空孔は、フィルタ素子実装部下部の20×16mmの領域に、0.5mm厚みで設けた。
その後、高周波モジュールをガラス織布−エポキシ樹脂複合材料からなる絶縁基板上に、銅からなるパターンや信号用配線層を形成したマザーボード表面に、半田を用いて実装した。
これに、電力増幅素子(PA)の電源を3.4V印加し、28dBmの出力が得られるよう入力信号の条件を設定したのち、フィルタ素子8表面の定常温度を測定した。また、作製した個々の試料の高周波モジュール10個を評価ボードに実装し、筐体に固定した後、それぞれ高さ1.8mから自然落下させ、その結果、破損または導通不良が認められた基板の個数を表1に示した。さらにモジュールの基板表面の弾性表面波素子実装部分の凹凸を表面粗さ計にて測定した。
Figure 2005101366
表1の結果より、本発明の構造によれば、貫通導体、空孔を設けることによって、電力増幅素子の熱がフィルタ素子へ伝熱することを低減できることがわかった。また、かかる構成においては、空孔の占有体積が多いほど、その効果に優れることがわかった。なお、空孔の径が0.2mmよりも大きくなると、基板表面の凹凸が顕著となり実装不良が発生した。
本発明の高周波モジュールの実施の形態の一例を示す概略断面図である。 本発明の高周波モジュールにおける空孔の配置の例を示す、図1のA−A’線における概略平面図である。
符号の説明
1・・・・・・・高周波モジュール
2・・・・・・・誘電体基板
2a・・・・・・電力増幅素子実装部
2b・・・・・・フィルタ素子実装部
3a・・・・・・ワイヤボンディング
3b・・・・・・導体バンプ
4・・・・・・・電力増幅素子
5・・・・・・・封止樹脂
6・・・・・・・貫通導体
7・・・・・・・外部回路基板
8・・・・・・・フィルタ素子
9・・・・・・・空孔
10・・・・・・シールドケース

Claims (7)

  1. 誘電体基板の一方の主面に、電力増幅素子およびフィルタ素子を主面上に実装してなり、前記電力増幅素子実装下部に前記誘電体基板の一方の主面から他方の主面まで貫通する導体を形成してなるとともに、前記フィルタ素子実装面の下部における前記誘電体基板内部に、最大直径が0.2mm以下の空孔を点在せしめたことを特徴とする高周波モジュール。
  2. 前記空孔を、断面方向で千鳥状に配置したことを特徴とする請求項1記載の高周波モジュール。
  3. 前記空孔を、前記誘電体基板の単位体積当り5〜50%の割合で含有する部分を設けたことを特徴とする請求項1記載の高周波モジュール。
  4. 前記電力増幅素子およびフィルタ素子が実装された誘電体基板主面を絶縁性樹脂を含有する封止材で封止したことを特徴とする請求項1記載の高周波モジュール。
  5. 前記誘電体基板の主面側を電磁波放射を防止する金属ケースによって被ったことを特徴とする請求項1記載の高周波モジュール。
  6. 前記フィルタ素子が、表面弾性波素子またはFBAR素子からなることを特徴とする請求項1記載の高周波モジュール。
  7. 複数の誘電体層を積層して成る誘電体基板の一方の主面に構成される電力増幅素子実装面がフィルタ素子実装面よりも他方の主面に近い位置で形成されることを特徴とする請求項1記載の高周波モジュール。
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