JP2006278430A

JP2006278430A - 送受信モジュール

Info

Publication number: JP2006278430A
Application number: JP2005091492A
Authority: JP
Inventors: Minoru Tajima; 実田島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】高出力増幅器を構成するデバイスと冷却板間の熱抵抗を低減するとともに、モジュールケースの温度上昇を抑制した、アクティブフェーズドアレイアンテナ用の送受信モジュールを得ることを目的とする。
【解決手段】上面に高出力増幅器を載置して底面が冷媒流路の形成された冷却板に当接可能なキャリアと、キャリアを嵌め込む貫通穴を有してキャリア上面の高出力増幅器を上記回路配置空間に収容したモジュールケースとを具備し、非熱伝導性の接着剤によってモジュールケースの嵌合穴の周囲にキャリアを接着する。
【選択図】図１

Description

この発明は、アクティブフェーズドアレイアンテナに用いられる送受信モジュール（以下、モジュール）の冷却構造に関する。

レーダあるいは通信用などのアンテナとして実用化されているアクティブフェーズドアレイアンテナ（以下、ＡＰＡＡ）は、素子アンテナ、モジュール、給電回路、アンテナ筐体などから構成されている。モジュールの内部には、ＦＥＴやＭＭＩＣなどの半導体デバイス（以下、デバイス）で構成される高出力増幅器（以下、ＨＰＡ）が搭載される。

この種のデバイスは高発熱性を有し、モジュールを長時間安定に動作させるためには、アンテナ筐体にモジュールの冷却機能を備える必要がある。モジュールの冷却方式としては、空冷もしくは液冷が一般的である。
大きな送信出力が求められる場合にはモジュールの発熱量も増加するので、内部に冷却水を流す冷却板をアンテナ筐体内に配置して、モジュールケースをこれに密着させる、間接的な液冷方式が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特公平３−２２０７４号公報（第１−４頁、第２図）

レーダの探知距離延伸のため、モジュールには可能な限り高い送信出力が求められ、デバイスの進歩も伴ってモジュールの高出力化が進んでいる。このため、近年ではモジュールの発熱量が増加傾向にあり、アンテナ筐体においては冷却能力の向上が求められている。一方、モジュールにおいては、送信系のＨＰＡのデバイスが過熱状態にならないよう、デバイスと冷却板間の熱抵抗の低減が必要となっている。
デバイスと冷却板間の熱抵抗を低減するには、その間に介在するキャリア、接着剤およびモジュールケースなどの材質に、熱伝導性の高いものが必要となる。

しかしながら、材質の熱伝導特性の改善によってＨＰＡのデバイスと冷却板間の熱抵抗の低減を試みても、コストや線膨張係数を考慮すると、材質の選択肢は限りがある。このため、熱抵抗をより一層低減するには、ＨＰＡの実装構造を改善する必要がある。

また、ＨＰＡの発熱量の増大によってモジュールケースの温度も上昇し、モジュールケース内の受信系のデバイス、例えば低雑音増幅器（以下、ＬＮＡ）も使用温度が上昇することになる。一般に受信系のデバイスは、温度上昇に伴い利得低下や雑音指数増大などの特性劣化が起こるので、受信性能の劣化を招いてしまう。

この発明は係る課題を解決するためになされたもので、ＨＰＡを構成するデバイスと冷却板間の熱抵抗を低減するとともに、モジュールケースの温度上昇を抑制することを目的とする。

この発明による送受信モジュールケースは、回路配置空間に半導体デバイスを収容するモジュールケースと、上面に高出力増幅器を載置し、底面が冷媒流路の形成された冷却板に当接可能なキャリアとを備え、
上記モジュールケースは、上記キャリアを嵌め込む貫通穴を有して、上記キャリア上面の高出力増幅器を上記回路配置空間に収容し、上記キャリアは、非熱伝導性の接着剤によって上記モジュールケースの嵌合穴の周囲に接着されたものである。

また、回路配置空間に半導体デバイスを収容するモジュールケースと、上面に高出力増幅器を載置し、底面が冷媒流路の形成された冷却板に当接可能なキャリアとを備え、
上記モジュールケースは、上記キャリアを嵌め込む貫通穴を有して、上記キャリア上面の高出力増幅器を上記回路配置空間に収容し、上記モジュールケースと上記キャリアは、上記モジュールケースの嵌合穴の周囲で、非熱伝導性の樹脂部材を間に挟んでねじ結合されたものであっても良い。

この発明によれば、接着層の一層分とモジュールケース分の熱抵抗を無くすことができるため、高出力増幅器を構成するデバイスと冷却板間の熱抵抗を低減できる。

また、キャリアは非熱伝導性の接着剤によってモジュールケースに接着し、キャリアとモジュールケースとが直接接触しないので、モジュールケースはキャリアから断熱され、高出力増幅器からの発熱の大部分はキャリアから冷却板にのみ伝わるので、モジュールケースの温度上昇を抑えることが可能である。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係わるモジュールの実施の形態１について説明する。
図１は実施の形態１によるモジュールの構造を示す図であり、図１(a)はモジュールの内部構成を示す上面図、図１(b)は図１(a)に示したモジュールにおいて高周波信号の流れを示すブロック図である。また、図１(c)は図１(a)に示したモジュールのＨＰＡ１の断面ＡＡの実装構造を示す図である。
図１(a)、図１(c)ともモジュールケース４のカバーは省略した図としている。

図１（ａ）において、モジュール４０は、ＨＰＡ１と、ＬＮＡ２と、移相器スイッチ回路３と、サーキュレータ６と、同軸コネクタ１２と、同軸コネクタ５と、これら各電子部品を回路配置空間内に収納するモジュールケース４を備えて構成される。同軸コネクタ５は素子アンテナに接続され、同軸コネクタ１２は給電回路に接続される。モジュールケース４は高熱伝導性に加え軽量化を考慮してアルミ合金を用いると良い。

複数のモジュール、素子アンテナ、給電回路と、各モジュールや給電回路を収納するアンテナ筐体などで、ＡＰＡＡを構成する。ＡＰＡＡはマイクロ波帯からミリ波帯において、レーダあるいは通信用のアンテナとして動作する。

また、図１（ｃ）に示すように、ＡＰＡＡは、内部に冷却水流路２３を設けた冷却板２２を、各モジュールのモジュールケース４の底面に接触させている。冷却板２２は、冷却水流路（冷媒流路）２３内を、冷却水（冷媒）が流れている。モジュールケース４は、冷却板２２との接触面よりも底高の中底を有している。モジュールケース４の中底は、冷却板２２との間に間隙を有する。

モジュールケース４の中底には、図１（ａ）に示すように、サーキュレータ６、線路基板８、ＬＮＡ２、移相器スイッチ回路３、線路基板１０、制御回路１１などの各電子回路が載置される。これによって、モジュールケース４内部の各電子回路で発生した熱は、中底から側壁面を伝って底面に伝導されて、冷却板２２に放熱される。
さらに、モジュールケース４の中底には、ＨＰＡ１が配置されている。

ここで、図１（ａ）、（ｂ）を用いて、モジュールの動作について説明する。
まず、送信状態においては、給電回路から同軸コネクタ１２に入力された送信信号が、線路基板１０を介して移相器スイッチ回路３に伝送される。さらに移相器１５で所定の位相量に設定された送信信号は、スイッチ１４からＨＰＡ１に伝送され、増幅された後、線路基板７とサーキュレータ６を介して素子アンテナと接続される同軸コネクタ５から出力される。

次に、モジュールが受信状態における動作について説明する。素子アンテナから同軸コネクタ５に入力された受信信号は、サーキュレータ６と線路基板８を介してＬＮＡ２に伝送され、増幅された後、移相器スイッチ回路３に伝送される。さらにスイッチ１４から移相器１５に伝送され、所定の位相量に設定された受信信号は、線路基板１０を介して同軸コネクタ１２から出力される。なお、移相器１５、スイッチ１４の動作は、制御回路１１で生成される制御信号によって制御される。また制御回路１１は、多極コネクタ１３を介してモジュール外部から入力される信号を受けて動作している。

次に、この実施の形態１によるＨＰＡの実装構造について説明する。
図１(c)に示すように、ＨＰＡ１は、デバイス２０をハンダあるいは接着材による接着層２１を介して、キャリア（金属架台）１７の上面に接着される。デバイス２０の周囲は、キャリア１７の上面に半田やろう付けで接合されたシールリング１８と、シールリング１８の上面に溶接やろう付けで接合されたリッド１９によって気密封止されている。
シールリング１８はセラミック基板と金属から構成され、セラミック基板の一部はＨＰＡ１の外部とデバイス２０との間で信号伝送を行うフィードスルー１００（図１（ａ）に示す）を構成している。フィードスルー１００は、移相器スイッチ回路３や線路基板７と接続される。

ここで、デバイス２０とキャリア１７との熱抵抗を低減するために、キャリア１７は銅合金やコバールなどの熱抵抗の小さい金属部材から成る。また、接着層２１は、銀フィラーや他の金属粒子が配合された高熱伝導性の接着剤から構成されている。接着層２１は、例えば、熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高い熱伝導率を有している。

キャリア１７の底面は、モジュールケース４を介さず、直接液冷の冷却板２３に接触する構造としている。したがって、一旦キャリア１７をモジュールケース４の内壁面に収容して接着固定する従来の実装方法に比較すると、接着層の一層分とモジュールケース４の分の熱抵抗を無くすことができる。このため、デバイス２０と冷却板２２間の熱抵抗を低減できる。

また、キャリア１７の底面部は突縁部を有しており、この突縁部は上面部よりも面積が広くヒートスプレッダとして機能するので、デバイス２０と冷却板２２間の熱抵抗をより小さくする。

キャリア１７の上部は、モジュールケース４の中底に設けられた貫通穴５０を通過して、モジュールケース４の内部の回路配置空間内に突出する。この際、フィードスルー上面の線路の高さと、隣接する移相器スイッチ回路３や線路基板７の線路の高さとがほぼ等しくなるように、設計寸法上、キャリア１７の突出する高さを調節する。

キャリア１７の突縁部の上面は、モジュールケース４の貫通穴５０周囲の周縁部の下面に対して、接着剤１６を介在して接着している。すなわち、キャリア１７とモジュールケース４の間に接着剤１６が挟まれて、キャリア１７とモジュールケース４が直接接触しない実装構造となっている。接着剤１６は熱伝導率が小さい非熱伝導性の接着剤を使用している。接着剤１６は、接着層２１の１０分の１以下の低熱伝導率を有して、例えば熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導特性を有している。

これによって、モジュールケース４はキャリア１７に対してほぼ断熱状態となるので、デバイス２０からの発熱の大部分はキャリア１７から冷却板２２に伝わるのみで、モジュールケース４の温度上昇を抑えることが可能である。すなわち、ＨＰＡの発熱量が増大しても、キャリア１７によってＨＰＡの温度上昇を許容範囲内に抑えるとともに、モジュールケース４に固定した受信系のＬＮＡ２の使用温度の上昇を抑えることができる。
これによって、モジュールの受信性能の劣化を防ぐことができる。

なお、この構成においては、キャリア１７をモジュールケース４の外側、すなわちモジュールケース４の底面側から嵌め込むことで、組み立てが可能である。

実施の形態２．
図２は実施の形態２による送受信モジュールの、ＨＰＡ１の実装構造を示す断面図（図１（ａ）の断面ＡＡ図）である。
上記実施の形態１では、キャリア１７をモジュールケース４の底面側から嵌め込む構造とした。この実施の形態では、図２に示すように、モジュールケース４の上面側から、キャリア１７の底面部を貫通穴５０に嵌め込む構造としてもよい。
この際、キャリア１７の上面部は突縁部を有しており、この突縁部の下面と、モジュールケース４における貫通穴５０周囲の周縁部上面とが、非熱伝導性の接着剤１６を介在して接合される。

実施の形態３．
図３は実施の形態２による送受信モジュールの、ＨＰＡ１の実装構造を示す断面図（図１（ａ）の断面ＡＡ図）である。
上記実施の形態１では、キャリア１７のモジュールケース４への固定方法として、接着剤で行うこととした。この実施の形態では、図３に示すように、非熱伝導性の樹脂部材から成る樹脂スペーサ２４とネジ２５を併用して、キャリア１７の突縁部と、モジュールケース４の貫通穴５０周囲の周縁部とを、接合しても良い。樹脂スペーサ２４は、実施の形態１で説明した接着剤１６と同様の低熱伝導特性を有する。

この場合、キャリア１７の突縁部とモジュールケース４との間に、樹脂スペーサ２４を挟んで、さらにその外周に設けたネジ２５を締めることによって、キャリア１７とモジュールケース４を締結して、ねじ結合によって固定する。

キャリア１７の突縁部の面積を十分大きくしておけば、デバイス２０からの発熱がネジ２５を介してモジュールケース４にはほとんど伝らないので、モジュールケース４の温度上昇は抑えることができる。
実施の形態１に比較して、接着層が無いためキャリアの位置決めが正確にできる利点がある。

実施の形態４．
上記実施の形態２において、実施の形態３と同様に、キャリア１７とモジュールケース４間の接着剤を、樹脂スペーサ２４とネジ２５に置き換えても良い。

この発明の実施の形態１による送受信モジュールの構成図である。この発明の実施の形態２による送受信モジュールの構成図である。この発明の実施の形態３による送受信モジュールの構成図である。

符号の説明

１高出力増幅器（ＨＰＡ）、２低雑音増幅器（ＬＮＡ）、３移相器スイッチ回路、４モジュールケース、５同軸コネクタ、６サーキュレータ、７線路基板、８線路基板、９線路基板、１０線路基板、１１制御回路、１２同軸コネクタ、１３多極コネクタ、１４スイッチ、１５移相器、１６接着剤（非熱伝導性接着剤）、１７キャリア、１８シールリング、１９リッド、２０デバイス、２１接着層、２２冷却板、２３冷却水流路、２４樹脂スペーサ（非熱伝導性樹脂部材）、２５ネジ、４０送受信モジュール（モジュール）、５０貫通穴。

Claims

回路配置空間に半導体デバイスを収容するモジュールケースと、
上面に高出力増幅器を載置し、底面が冷媒流路の形成された冷却板に当接可能なキャリアとを備え、
上記モジュールケースは、上記キャリアを嵌め込む貫通穴を有して、上記キャリア上面の高出力増幅器を上記回路配置空間に収容し、
上記キャリアは、非熱伝導性の接着剤によって上記モジュールケースの貫通穴の周囲に接着されたことを特徴とする送受信モジュール。
回路配置空間に半導体デバイスを収容するモジュールケースと、
上面に高出力増幅器を載置し、底面が冷媒流路の形成された冷却板に当接可能なキャリアとを備え、
上記モジュールケースは、上記キャリアを嵌め込む貫通穴を有して、上記キャリア上面の高出力増幅器を上記回路配置空間に収容し、
上記モジュールケースと上記キャリアは、上記モジュールケースの貫通穴の周囲で、非熱伝導性の樹脂部材を間に挟んでねじ結合されたことを特徴とする送受信モジュール。
上記キャリアを、上記モジュールケースの外側から上記貫通穴に嵌め込んだことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の送受信モジュール。
上記キャリアを、上記モジュールケースの内側から上記貫通穴に嵌め込んだことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の送受信モジュール。