JP2006054392A

JP2006054392A - 高出力回路装置

Info

Publication number: JP2006054392A
Application number: JP2004236632A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Yamamoto; 英文山本
Original assignee: NEC Schott Components Corp
Current assignee: NEC Schott Components Corp
Priority date: 2004-08-16
Filing date: 2004-08-16
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】高出力回路装置に対応する高熱伝導性材を用いて安価で高信頼性のベース基板またはパッケージを提供する。
【解決手段】高出力回路装置は高熱伝導カーボン材の単体または高熱伝導カーボン材１１と金属材１２の複合体からなるカーボン基板１０にセラミクス絶縁層１４を誘電材の成膜で設け、この絶縁層上に印刷または半導体リソグラフ技術により導電パターンの電気線路１６を形成し、カーボン材１１上に直接パワーＩＣ１６が搭載され、Ａｕワイヤ１５を介して電気線路１６に接続される。パワーＩＣ１８を直接このカーボン材１１に接着しても材料間の熱膨張係数を差に起因する応力を吸収して緩和するため、熱伝導性に優れると共に熱信頼性の高いベース基板またはパッケージとなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、熱伝導性が良好な基板を用いた高出力用回路装置に関し、特に、放熱性が良好で高出力用の回路基板またはパッケージとしての高周波高出力回路装置に関する。

近年、情報化社会の進展に伴って伝達される情報量は急激に増大し、その情報をやり取りするために、携帯電話を始めとした高周波用電子情報機器の高度化や小型軽量化が急速に普及しつつある。また、高出力情報伝達システムは、コンピュータの高性能化によりデータ転送のスピードアップおよび伝送距離の長距離化が図られ、使用周波数を高くしてその出力を増大化している。それゆえ、コンピュータ等で使用のトランジスタや集積回路のパワーデバイスに発熱が生じ、放熱対策が要請される。例えば、高周波発振器やアンプなどの高出力回路装置を搭載したり収容したりするベース基板やパッケージでは、高周波特性や熱伝導性が優れていると共に信頼性が高く、小型で安価にできることが望まれている。特に、集積度が大きくなり高速処理のなされる高出力回路では放熱対策が必須条件となる。更に、高周波信号による情報システムでは、ミリ波やマイクロ波で情報伝達するために、電気信号を高周波変調した後、高周波アンプで信号増幅してアンテナから電波として飛ばされ、お互いにデータのやり取りがなされるが、高周波信号の増幅用半導体素子は動作速度の高速性が要求され、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体が選定され実用化されている。加えて、前述のデータ転送速度のスピードアップと到達距離の長距離化に伴い、信号系はより高い高周波数帯の使用とハイパワー化がますます促進されつつある。

上述するパワーアンプを搭載した基板やパッケージとしての高周波無線モジュールは、放熱性が良くて高周波ロスの少ない高周波特性の優れたものが要求される。例えば、特許文献１ではメタルインジェクション成形された高熱伝導材料と同時焼成されたセラミクス基板の使用が開示され、近年の高周波アンプシステムの小型化と低コスト化と共に高い信頼性を図ることを提案している。また、高周波アンプモジュールは、高出力化に伴いアンプの発熱量が増えるためにアンプからの熱を効率よく排出する工夫が基板やパッケージに必要となるが、たとえば、特許文献２に示すように、高周波高出力半導体パッケージに高い放熱性を有するＣｕ、ＣｕＷ等からなるベース材の使用を開示する。さらに、基地局用高周波アンプにおいては、高周波ロスの少ないことがべース基板やパッケージに要求され、携帯側の情報機器には小型のセラミクスまたは樹脂モールドパッケージが使用され、基地局側機器として、ＧａＡｓアンプの高信頼性を確保するために、金属フレームとセラミクスを組み合わせた気密封止パッケージが用いられる。特に、高出力用には、半導体アンプからの熱を効率良く排出するため、パッケージの底板にはスポンジ状Ｗ材にＣｕを含浸させたＣｕＷ材が使用される。
特開２００４−０８３３２５号公報特開２００３−２１８２５２号公報

上述するＣｕＷ材は骨格がＷであるために非常に硬く、かつ脆い。そのために、ＣｕＷ材をベース材として使用する基板またはパッケージの製作工程では、圧延やプレス加工をすることができず、切削加工しかできなかった。こうした理由から、ＣｕＷ材のベースまたはパッケージは材料および加工の両コストとも高価でコスト上昇要因となっていた。加えて、高信頼性を得るために気密パッケージではパッケージ全体に金めっきを施し、かつロウ材で封止されるのでより一層コストの高い基板またはパッケージとなっていた。

また、高周波ストリップラインを形成した基板上に半導体素子をマウントし、基板全体を一体化したＭＭＩＣ（ＭｉｃｒｏｗａｖｅＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）が実用化されている。通常、ＭＭＩＣ基板には、ガラスエポキシまたはセラミクスが使われているが、ガラスエポキシ材は誘電損失が大きく、周波数が上がり数ＧＨｚから数十ＧＨｚになると高周波ロスが大きくなり材料的に問題があった。更に、ガラスエポキシ基板やセラミクス基板は共に熱伝導性が良くないので、高周波デバイスの熱を逃がす放熱性に限界があった。そのため、熱伝導性を上げるために基板を貫通したサーマルビアと呼ばれる金属を充填したビアホールが利用されているが、ビア径はそれほど大きくできなく、かつビアに充填する金属が焼成金属で充分に充填できないことから満足な熱伝導性を確保することは難しかった。

したがって、この発明は上記欠点に鑑みて提案されたものであリ、熱伝導性が良好な材料を使用した高出力アンプなどの高出力回路を搭載するベース基板またはパッケージとしての新規かつ改良された高出力回路装置の提供を目的とする。

本発明によれば、高熱伝導カーボン材の単体または高熱伝導カーボン材と金属材の複合体からなるカーボン基板と、このカーボン基板に搭載した電子デバイスと、電気線路を設けた絶縁層または絶縁基板と、この電気線路に前記電子デバイスを接続する接続手段とを具備する高出力回路装置が提供される。ここで、高熱伝導カーボン材は熱伝導度が１５０ｍＷ／℃以上であることが放熱性上から好ましい。また、電気線路は汎用のプリント基板やセラミクス基板からなる絶縁基板、あるいは、カーボン基板上に成膜形成した絶縁層上に導電パターン等で形成され、好ましくは、絶縁層がＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮおよびガラス組成物から選ばれた絶縁誘電材を成膜したセラミクスであって、たとえば、ＡＤ法、ゾルゲル法、プラズマ溶射法、スパッタ法、蒸着法あるいはグリーンシート法のいずれかの手法により絶縁誘電材の成膜が形成される。さらに、電子デバイスを直接このカーボン基板に接着しても材料間の熱膨張係数を差に起因する応力を吸収して緩和するため、熱伝導性に優れると共に熱信頼性の高いベース基板またはパッケージとなる。

本発明の別の特徴は、熱伝導性が良好な高熱伝導カーボン材を使用した高出力アンプなどの高出力回路を搭載するカーボン基板を基材として使用するベース基板またはパッケージであって、このカーボン基板上に絶縁層が設けられ、電子デバイスが搭載される。絶縁基板あるいは絶縁層には電気線路としての導電パターンや高周波用マイクロストリップラインまたはコプレーナウェーブガイドが形成され、電子デバイスにはパワーＩＣが用いられる。それによりカーボン基板上に高周波アンプを実装した高周波用高出力回路装置を開示する。なお、電気線路はカーボン基板上に印刷されたガラスもしくはセラミクス基板の貼付体、またはカーボン基板上にプレスしたグリーンシートの一体焼成体とすることができる。また。電子デバイスはカーボン基板にキャップを気密封着したパッケージに収容し、そのために、電気線路から電気信号を外部回路に導出する端子手段を具備し、この端子手段を介して電気信号を出力する高出力回路装置を開示する。この場合、端子手段はリードフレームであったり、はんだボールであったりする高出力回路装置が開示される。

本発明はベース基板あるいはパッケージとしての高出力回路装置であり、高熱伝導カーボン材の単体または複合体からなるカーボン基板を使用したので高い放熱性が確保されると共に材料および加工上のコストが低く押さえられて、安価で信頼性の高い回路装置を提供する。特に、放熱性の良い基板として従来から使用されているＣｕＷ材に比べて加工性が改良されるので量産化も可能となりローコスト化に大きく寄与し、工業的価値が高められる。加えて、電気線路を誘電材のセラミクス絶縁層上に形成するので高周波使用領域での高周波ロスが小さくできる等の効果を奏する。

本発明は高熱伝導カーボン材の単体または金属材との複合体からなるカーボン基板上にＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮおよびガラス組成物から選ばれる絶縁誘電材を成膜したセラミクス絶縁層を設け、この絶縁層上にマイクロストリップラインまたはコプレーナウェーブガイドの電気線路を形成して、カーボン基板上に電子デバイスを搭載した高出力回路装置である。高熱伝導カーボン材は熱伝導度が１５０ｍＷ／℃以上であり、電子デバイスにはパワーＩＣが使用され、それによりカーボン基板上に高周波アンプの高出力回路装置を構成する。本発明の別の実施態様として、電気線路は汎用の絶縁基板に形成してもよく、また、カーボン基板上に印刷されたセラミクス基板の貼付体、またはカーボン基板上にセラミクスグリーンシートをプレスした一体焼成体として形成される。好ましくは、絶縁層が誘電材をＡＤ法、ゾルゲル法、プラズマ溶射法、スパッタ法、蒸着法あるいはセラミクスグリーンシート法のいずれかの手法により成膜形成され、その上に電気線路の導電パターンを形成することを特徴とする高出力回路装置を開示する。

ここで高熱伝導カーボン材はカーボン粉末あるいはカーボン繊維を固めて焼成し、ＣｕまたはＡｌ等の金属を含浸させ、または粉末焼成させた材料である。熱伝導はカーボンの二次元結晶面の格子振動で伝わり１５０〜３００ｍＷ／℃の高い熱伝導性を示す。また、高熱伝導カーボン材は焼成方法や含浸金属の違いにより若干の相違があるが、好ましくは熱伝導度が１５０ｍＷ／℃以上であることが望ましい。また、熱膨張係数は６〜１０ｐｐｍ／℃でコバー金属材やＳｉ、ＧａＡｓ等の半導体の熱膨張係数と非常に近く、ヤング率が低い。したがって、カーボン材の上に金属、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体と接合しても非常に信頼性が高い接合ができる。

さらに、このカーボン材は軽量で加工性に優れ、カーボン材の弾性率が小さいことも特徴の一つになっているため、小型化の進む携帯情報機器への適用が非常に合っている。たとえば、熱膨張係数の違う材料をカーボン材で積層しても、カーボン材が内部応力を吸収する。たとえば、Ｃｕ板上にＳｉ基板を直接ロウ付けすると熱膨張係数が２倍程度異なるためＳｉ基板に応力が加わり、通常だとＳｉ基板が割れてしまうものが、Ｃｕ箔を貼り合わせたカーボン材の複合基板の上にＳｉ基板をロウ付けしても、カーボン材が熱膨張差による内部応力を吸収し、Ｓｉ基板が割れることがない。一方、誘電材の絶縁層上に形成される電気線路はＤＣライン、マイクロストリップラインまたはコプレーナウェーブガイドであり、絶縁層は誘電材をＡＤ法、ゾルゲル法、プラズマ溶射法、スパッタ法、蒸着法あるいはセラミクスグリーンシート法のいずれかにより成膜して形成される。たとえば、絶縁層の形成方法としては、カーボン材上にＡＤ法と呼ばれる成膜技術により１００μｍ程度のＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３膜を成膜し、成膜したセラミクス基板の絶縁層上に印刷あるいはフォトリソグラフィ技術で電気線路のＤＣライン、高周波用マイクロストリップラインあるいはコプレーナウェーブガイドを形成する。

以下、本発明の実施の態様である高出力回路装置について、図１を参照しつつ説明する。この高出力回路装置は高熱伝導カーボン材１１と金属材１２の複合体からなるカーボン基板１０にセラミクス絶縁層１４を誘電材の成膜で設け、この絶縁層上に印刷または半導体リソグラフ技術により導電パターン高周波ラインの電気線路１６を形成し、かつカーボン基板１０のカーボン材１１上に接着剤やロウ材で電子デバイスのパワーＩＣ１８が搭載され、Ａｕワイヤ１５を介して電気線路１６に接続して構成される。なお、パワーＩＣ１８が搭載されたカーボン基板１０の対向側には、汎用プリント基板５が信号導出手段としてカバー１３として配置されている。このプリント基板５のカバー１３はセラミクス材６の表面に配線パターン７と裏面にグランド用アースパターン８を形成しており、絶縁層１４の電気線路１６とバンプ電極１７のはんだを介して接続している。なお、従来のパッケージでは完全に気密封止されていたが、近年の半導体技術の進歩により、パッケージの完全な気密性を要求されずとも半導体アンプの寿命が延びるのでその必要がない。また、実施例ではカーボン材１１上に成膜した誘電材の絶縁層１４は単層セラミクスでコストアップはそれほどでもなく、この上に印刷またはリソグラフ手法でＤＣライン、マイクロストリップラインやコプレーナウェーブガイドの電気線路１６が形成される。一方、本発明で使用する高熱伝導性カーボン材１１は、カーボンファイバまたはカーボンパウダを焼成し、焼成した間隙にＡｌまたはＣｕ等の金属を含浸して作製する。そのため加工が容易で、ヤング率が低いという特徴を有する。このため電子デバイスのパワーＩＣ１８を直接このカーボン材１１に接着しても材料間の熱膨張係数を差に起因する応力を吸収して緩和するため、熱伝導性に優れると共に、非常に熱信頼性の高いパッケージ基板となる。また、複合体のカーボン基板１０の金属材１２は開放面側が放熱面積を大きくするように凹凸状にされるが、パワーＩＣを搭載するカーボン材１１側は開放状態でもよい。パッケージ化する場合でもキャップカバー２２の取付けは、パッケージとしての気密性が特に要求されない場合には樹脂カバー、金属カバー、ガラスカバー等を電子デバイス側に樹脂等で接着して低コストを図り、必要に応じて、これを金属カバーやガラスカバーとエポキシ接着剤との組み合わせを適宜選択することができる。

上述の実施例は複合体のカーボン基板について示したが、カーボン材単体のカーボン基板とすることもできる。図２はカーボン基板２０がカーボン材２１単体からなる実施例を示している。このカーボン基板２０は単体のカーボン材２１にセラミクス絶縁層２４が設けられ、この絶縁層２４上に導電パターンの電気線路２６が形成され、電子デバイスのパワーＩＣ２８がカーボン材２１に固着して搭載される。パワーＩＣ２８はＡｕワイヤ２５で電気線路２６とそれぞれ接続され、この電気線路２６はさらに電気信号を導出する端子手段のはんだボールまたは電極バンプ２７を介して外部回路に接続できるようにしている。一方、パワーＩＣ２８は、絶縁層２４上の所定位置に低融点ガラス等の接合部２２でキャップ２３を気密封止したパッケージ内に収容されて外界の環境変化から保護され、安定して作動する。なお、カーボン基板の搭載側面にＮｉ／Ａｕめっきを施し、このカーボン基板上に搭載したパワーＩＣをロウ付けするための下地層として高周波シグナルのグラウンド機能を果たすこともできる。この場合、Ｎｉ／Ａｕめっきの表面にＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３またはＳｉＮやガラスまたはセラミクス等を貼り付けて絶縁層２４を設け、この絶縁層上に高周波ラインの電気線路２６が形成される。

図３はさらに別の実施例として実施例２の変形例を示す。実施例２との相違点は外部導出の端子手段としてはんだボールの電極バンプ２７に代えてリードフレーム等のリード部材２９を用いたものであり、したがって、図２と同一部分には同じ符号で示してある。これらの実施例はいずれも弾性率が小さく、軽量で加工性に優れた高熱伝導率カーボン材を使用しており、低コストの材料で機械的強度が大きく加工上の不具合もなく安定した性能を発揮できる。このことは、従来の高出力用基板としてＣｕＷ材を用いた場合との比較において、本発明のカーボン基板では機械的な脆弱さとそれに伴う組立加工性を損なうことがない。またパワーＩＣの放熱用基板としてＣｕＷ材は半導体の熱膨張係数と非常に近いが、Ｗの骨格にＣｕが含浸されたＣｕＷ材は非常に硬くて脆いもので通常のプレス加工が不可能であり、かつ非常に高価であるので生産量が増えても値段はそれほど下げらなかった。また、高周波信号の処理面で、入力信号はロウ付けされたセラミクス端子に入力されているが、従来のセラミクス端子はグリーンシートを複数枚重ねて焼成したコファイヤーと呼ばれるセラミクス板を積層して作製していたので、パッケージコストも高める原因となっていた。こうした点でも、本発明のカーボン基板の使用はコスト面で格段に有利であり、小型化の進む携帯情報機器への適用が非常に合致したものである。

図４はさらに別の実施例であり、カーボン基板３０はカーボン材３１と金属材３２との複合体からなること特徴としており、金属材３２が金属キャップ３３を兼用する。すなわち、この実施例では、カーボン材３１と金属製キャップ３３との複合体からなるカーボン基板３０に搭載したパワーＩＣ３８が、これと対向する側に配置されるセラミクス基板３４上に形成した導電ランドの電気線路３６にバンプはんだ３５の接続手段を介して接続される。また、絶縁基板３４に設けられた電気線路３６は端子手段としてのはんだボールまたは電極バンプ３９を経由して外部回路に接続され電気的出力信号を伝送している。注目すべきは、パワーＩＣ３８を直接このカーボン材３１に接着しても材料間の熱膨張係数を差に起因する応力を吸収して緩和するため、熱伝導性に優れると共に熱信頼性の高いベース基板またはパッケージとなることである。

この発明は放熱性の要求される高周波回路装置のベース基板やパッケージに適用され、安価にして高い信頼性を確保する製品を提供する。

本発明に係る実施例の高出力回路装置の主要部分を示す断面図である。同じく第２実施例の高出力回路装置の主要部分を示すパッケージの断面図である。同じく図２の変形例を示す主要部分を示すパッケージの断面図である。同じくさらに別の実施例を示す主要部分を示すパッケージの断面図である。

符号の説明

５；プリント基板、６；セラミクス材、７；配線パターン、８；アースパターン、
９；バンプはんだ、１０、２０、３０；カーボン基板、
１１、２１、３１；高熱伝導カーボン材、１２、３２；金属材、２２；接合部、
１３、２３、３３；カバーまたはキャップ、１４、２４、３４；絶縁層または絶縁基板、１５，２５、３５；Ａｕワイヤまたはバンプ電極（接続手段）、
１６、２６、３６；電気線路（導電パターン、導電ランドまたはライン）、
１７、２７、２９；電極バンプ、はんだボールまたはリード部材（端子手段）、
１８、２８、３８；パワーＩＣ（電子デバイス）

Claims

高熱伝導カーボン材の単体または高熱伝導カーボン材と金属材の複合体からなるカーボン基板と、このカーボン基板に搭載した電子デバイスと、電気線路を有する絶縁層または絶縁基板と、前記電子デバイスおよび前記電気線路の接続手段とを具備する高出力回路装置。
前記高熱伝導カーボン材は熱伝導度が１５０ｍＷ／℃以上であることを特徴とする請求項２に記載の高出力回路装置。
前記絶縁層または絶縁基板はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮおよびガラス組成物から選ばれた絶縁誘電材を成膜したセラミクスであることを特徴とする請求項２に記載の高出力回路装置。
前記絶縁誘電材の成膜はＡＤ法、ゾルゲル法、プラズマ溶射法、スパッタ法、蒸着法あるいはグリーンシート法のいずれかの手法により形成することを特徴とする請求項３に記載の高出力回路装置。
前記電気線路は導電パターンであり、前記電子デバイスはパワーＩＣであり、前記接続手段で両者を電気的に接続し、それによりパワーＩＣの発熱を前記カーボン基板より放熱させることを特徴とする請求項１または２に記載の高出力回路装置。
前記導電パターンは、ガラスもしくはセラミクス基板の前記カーボン基板への貼付体、またはプレスしたセラミクスグリーンシートの前記カーボン基板への一体焼成体に印刷形成されたことを特徴とする請求項５に記載の高出力回路装置。
前記電子デバイスは前記カーボン基板にキャップを気密封着して構成したパッケージに収容したことを特徴とする請求項１または２に記載の高出力回路装置。
前記カーボン基板は金属製キャップと高熱伝導カーボン材との複合体であり、前記カーボン基板上に前記電子デバイスを搭載すると共にこれと対向配置した絶縁基板に前記電気線路が設けられ、前記接続手段にはバンプ電極を使用したことを特徴とする請求項７に記載の高出力回路装置。
前記パッケージは前記電気線路から電気信号を外部回路に導出する端子手段を具備し、この端子手段を介して電気信号を出力することを特徴とする請求項７または８に記載の高出力回路装置。
前記端子手段がリード部材または電極バンプであることを特徴とする請求項９に記載の高出力回路装置。