JP2007504761A - 熱導出が改善された送信モジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、改善された熱導出を伴う送信モジュールである。移動無線用途向けの送信モジュールは多層のモジュールサブストレートを含む。このモジュールサブストレートは複数の金属化面とこれらの金属化面の間にある誘電層を有する。ここでは、金属化面を構造化することによって接続部が実現されている。モジュールサブストレート内またはモジュール上には少なくとも１つのＨＦフィルタまたは整合ネットワークが実現されている。モジュールサブストレートの下面には切り欠き部が設けられている。この切り欠き部内には、チップ構成素子がフリップチップ構成ではんだ付けされている。チップ構成素子の外部に向いている背面は、金属化部を有している。この金属化部は、外部の回路周辺部とチップ構成素子との良好な熱的接触接続を可能にする。

Description

本発明は、移動無線用途向けの送信モジュールに関する。これは多層サブストレート上に構成されている。この多層サブストレート内には、少なくとも１つの接続部が組み込まれている。

内部に接続部が組み込まれている多層サブストレート上に構成されている、移動無線用途に対する送信モジュールは、複数の組み込み段階において知られている。従来の送信モジュールは例えば送信増幅器（パワーアンプ）を有しており。この送信増幅器は、むきだしのチップ（ベアダイ）として、またはハウジングされた構成素子として、モジュールサブストレートの上面に設けられている。このモジュールサブストレートは、複数の金属化面を有している。これらの金属化面は構造化されており、スルーホールを介して相互に接続されている。金属化面の間には、誘電層が配置されている。誘電層の材料を適切に選択することおよび金属化面を適切に構造化することによって、種々異なる受動的な構成素子（導体路、抵抗、コンデンサおよびインダクタンス等）が構成される。さらに金属化面内の水平な接続部と、複数の金属化面に亘ったスルーホールを介した垂直な接続部によって、複数のコンポーネントを有する１つの回路に統合される。上述の送信モジュール内には、パワー増幅器の出力側インピーダンスを、回路周辺部において後続する構成素子の入力側インピーダンス（通常は５０オーム）に変換するためのマッチングネットワークが組み込まれている。

別の組み込み段階がいわゆるパワースイッチモジュールＰＳＭ（ＴＸモジュールとも称される）を含む。ここでは出力側マッチングネットワークに対して付加的に、さらにＴＸフィルタおよび送信／受信スイッチが設けられている。これらのスイッチは具体的な構成素子として、モジュールサブストレートの上面に配置される。

最も高い組み込み段階は、受信フィルタリング部が組み込まれているいわゆるＴＸモジュールである（フィルタリング部が組み込まれているパワースイッチモジュール（ＰＳＭｉＦ）とも称される）。ここでは付加的にさらに受信フィルタが具体的な構成として、モジュールサブストレートの上面に配置されており、このモジュールと接続されている。

パワー増幅器を有する送信モジュールの場合には、次のような問題が生じる。すなわち、パワー増幅器の無視できない損失熱がモジュールから、および殊に外部の回路周辺部またはプレートへ導出されなければならないという問題が生じる。モジュールサブストレートの表面上にボンディングワイヤ技術で設けられたパワー増幅器を有する公知のモジュールでは、熱導出はこの場合に熱的な通路を介して、すなわち伝熱性の、全サブストレートを貫通する接続部を介して行われる。この接続部は熱をまずはモジュールサブストレートの下面へ導出し、次に回路周辺部へ導出する。このような理由から、パワー増幅器はしばしば、ボンディングワイヤ技術においてリードフレーム上に取り付けられている別個の構成素子としても使用される。この場合には熱導出は直接的に、金属製のリードフレームを介して行われる。

近年では次のような送信モジュール用のパワー増幅器が公知になった。すなわちＣＭＯＳ技術でシリコンベース上に設けられ、部分的に出力マッチングを含むパワー増幅器である。このような損失熱を充分に導出することができる、モジュールサブストレートの表面上にこのようなパワー増幅器を有する送信モジュールは、これまでに既知ではない、または製造するのにコストがかかる。

従って本発明の課題は、チップ構成素子から外部の回路周辺部への熱導出を容易に行うことができる、チップ構成素子、殊にパワー増幅器を有する送信モジュールを提供することである。

前述の課題は、本発明に相応して、請求項１に記載された送信モジュールによって解決される。本発明の有利な構成は従属請求項に記載されている。

本発明の送信モジュールは、改善された熱導出を示す。サブストレート内に熱的な通路も付加的な伝熱体またはヒートシンクも含まれないまたは必要ない。さらに本発明によって送信モジュールはさらに小型化し、ひいては垂直方向の集積がより強くなる。本発明によってさらに、容易に、少なくとも送信フィルタ、パワー増幅器およびアンテナスイッチの組み込みが容易になる。ここで必要とされる空間は公知のアンテナスイッチを超えない（パワー増幅器およびＴＸフィルタを有するモジュールとしてではなく）。

本発明の基礎になる考えは、モジュールサブストレートの下面に切り欠き部ないし凹部を設けるという考えである。この内部にはチップ構成素子が配置される。モジュールサブストレートとチップ構成素子の接続はフリップチップ構造様式で行われる。従ってチップ構成素子の背面は外部を向いており、モジュールサブストレートの下面の一部分を構成する。この下面には外部の回路周辺部との接続のためにコンタクトが設けられている。チップ構成素子をこのように配置することによって、容易に、チップ構成素子の背面を、金属化部と熱的に接触接続させることができ、この金属化部を介して、モジュールから外部回路周辺部への熱導出が実現される。このような構築方法によって、通常のフリップチップ技術の場合のように、熱的なはんだ付けバンプが必要なくなる。このようなはんだ付けバンプはＨＦパフォーマンスに対する欠点をもたらす。

本発明の有利な実施形態では、モジュールサブストレートの下面の凹部は少なくとも部分的に、電気的絶縁性のアンダーフィラー（Underfiller）によって充填されている。このようなアンダーフィラーは有利には液体処理された反応性樹脂、殊に注型用樹脂として取り込まれ、電気的絶縁性であり、有利には低い弾性率を有している。このようにして、チップ構成素子は凹部内に確実に埋め込まれる。しかも、例えば送信増幅器のＨＦ特性にとって欠点となるバンプの数を増やす必要はない。モジュールサブストレートへのチップ構成素子の電気的接続部はアンダーフィラーによって覆われ、保護される。有利なアンダーフィラーは例えばシリコーン樹脂、殊にポリシロキサンである。

次の場合には、チップ構成素子の背面上の金属化部を、容易に導電性充填質量体の形状で凹部内にもたらすことができる。すなわち、上述したアンダーフィラーによって、事前にフリップチップ接続部が絶縁され、凹部が少なくとも部分的に充填される場合である。導電性充填質量体は、例えば導電性粒子（例えば金属粒子またはすすまたは黒鉛）で満たされた樹脂であり、これはさらにチップ構成素子の背面を覆うように凹部内に注入される。導電性充填質量体形状のこのような金属化部を介して、回路周辺部への熱的な接触接続が、例えば導電性接着またははんだ付けによって形成される。

凹部を完全に電気的絶縁性のアンダーフィラーによって満たし、引き続き、この上におよび／またはチップ構成素子の背面の上に金属化部を設けることも可能である。少なくともチップ構成素子の背面を覆うこのような金属化部は例えばスパッタリングによって被着される。このような金属化部を引き続き、電気めっきで強くすることも可能である。

別の有利な構成では、金属カバーが、凹部を閉鎖するために設けられる。この金属カバーは、チップ構成素子の背面と熱的に接触接続している。このようなカバーは例えば製造時に、個々のチップ構成素子の背面に設けられる。例えば接着される。引き続き、カバーはチップ構成素子とともに、モジュールサブストレートの下面と接続される。ここで同時に、フリップチップ構成が、凹部内に設けられたはんだ付けコンタクトとのはんだ付けによって製造される。この種の配置はさらなる次のような利点を有している。すなわち、凹部がカバーによって密閉され、さらなるアンダーフィラーが必要ないという利点である。しかし、次のことも可能である。すなわち、チップ構成素子を凹部内に取り付けた後にはじめてカバーを、モジュールサブストレートの下面に、凹部の開口部を覆うように設けることも可能である。

本発明の特に容易な構成では、モジュールサブストレート上に取り付けられる前に、チップ構成素子に背面上に、金属化部が設けられる。または、チップ構成素子の既に存在する背面金属化部がこのために使用される。この場合に金属化部は直接的に外部の回路周辺部と、熱導出のために接続される。これは例えばはんだ付けまたは導電性接着剤によって、例えば外部回路周辺部のヒートシンクと接続される。この場合には、凹部はチップ構成素子の周りで少なくとも部分的にさらにアンダーフィラーによって充填される。

送信モジュールは有利には、送信フィルタとして作用するローパスフィルタを有している。このローパスフィルタは、モジュールサブストレート内部に組み込まれている。モジュールサブストレートの上面には、スイッチが配置可能である。このスイッチは例えば具体的な半導体構成素子の形状でフリップチップ技術で、または従来のボンディングワイヤ技術で配置される。このスイッチは、帯域選択または送信動作と受信動作との間の切り替えのために用いられる。ここでアンテナは、このスイッチによって選択的に、送信モジュールの送信経路ないしは受信経路と接続される。このスイッチは、電流制御で作動する構成素子、例えばＰＩＮダイオードとして、または電圧制御式のガリウムひ素スイッチとして構成可能である。ＣＭＯＳスイッチ、ＭＥＭＳスイッチまたは他の回路技術でのスイッチも可能である。

本発明の別の発展段階では、送信モジュールは、送信フィルタの他に付加的にさらに受信フィルタを有している。この受信フィルタはスイッチとともにモジュールサブストレートの表面上に配置される。モジュールサブストレートの内部にはさらに整合回路が実現される。この整合回路によって、パワー増幅器として構成されたチップ構成素子が殊に前記のスイッチに整合される。この種の整合回路は例えば、パワー増幅器の出力側から、アンテナスイッチの入力側に加えられる５０Ωへのインピーダンス整合を実現する。

受信フィルタは、具体的な構成素子として、例えばＳＡＷフィルタ、ＢＡＷフィルタ（バルク超音波）としてまたはセラミックフィルタとして構成される。本発明の別の実施形態では、送信フィルタも、セラミック層から成るモジュールサブストレート内に組み込まれる。これはここで、組み込まれたインダクタンスおよびキャパシタンスの形状のＬＣフィルタとして、または電磁的に結合された線路を用いたストリップ線路フィルタとして、サブストレート内に実現されることによって組み込まれる。

モジュールサブストレートは有利には多層のセラミックサブストレート、例えばＬＴＣＣサブストレートまたはＨＴＣＣセラミックサブストレートである。ラミネートを多層モジュールサブストレートとして使用することもできる。

以下で本発明を実施例および実施例に属する概略的で縮尺通りでない図面に基づいてより詳細に説明する。

図１から図３には本発明に相応する送信モジュールが、概略的な断面図で示されている。これは種々異なる金属化部をモジュールサブストレートの下面に有している。
図４には本発明の送信モジュールが概略的な断面図で示されている。これはさらなる集積コンポーネントをモジュールサブストレートの上面に有している。
図５には公知の送信モジュールが概略的な平面図で示されている。
図６にはリードフレーム上の公知のパワー増幅器が概略的な断面図で示されている。

図１には、本発明に相応する第１の送信モジュールが概略的な断面図で示されている。これは、多層のモジュールサブストレートから構成されている。このモジュールサブストレートは、複数の金属化面ＭＥ１，ＭＥ２・・・ＭＥｎを有している。これらの金属化面は誘電的な絶縁層ＩＳ１，ＩＳ２・・・ＩＳｍの間に配置されている。これらの誘電層は有利には誘電性セラミックから成る。このようにして、金属化層ＭＥを相応に構造化することによって、モジュールサブストレートＭＳ内に組み込まれた受動的な構成素子を実現することが可能になる。この実施例では例えばそれ自体公知であり、ここでは詳細に説明されない、または図示されないローパスフィルタＴＸである。このローパスフィルタは送信モジュール内で送信フィルタとして使用される。詳細に図示されていない金属化面の構造化および同じように図示されていないスルーホールによって、さらなる回路がモジュールサブストレートの内部に実現可能であり、個々のコンポーネントは相互に接続される。ここでこのスルーホールによって金属化面間の電気的接続が実現される。

モジュールサブストレートの下面には切り欠き部ＣＡが構成されている（図４も参照）。ここでは例えば最下誘電層ＩＳｍ内に構成されている。切り欠き部ＣＡ内には、電気的接続面が存在している。この接続面上にチップ構成素子ＰＡがフリップチップ技術で設けられている。結合ははんだ箇所、例えばバンプＢＵを介して行われる。チップ構成素子は例えばここで示された送信モジュール内でのように、送信作動に対するパワー増幅器である。

切り欠き部ＣＡには部分的に、アンダーフィラーＵＦが充填されている。これは、チップ構成素子のＢＵ内のはんだ接触接続の電気的な絶縁に用いられる。例えば反応性樹脂であるアンダーフィラー上に、導電性の充填質量体が金属化部Ｍとして詰められる。この充填質量体は切り欠き部ＣＡを有利には、モジュールサブストレートの最下表面と同一平面状に満たし、ここで外部へ向いているチップ構成素子ＰＡの背面を覆う。この金属化部Ｍを介してチップ構成素子ＰＡは外部の回路周辺部、例えば回路プレート上のヒートシンクと熱的に接触接続する。従って障害を与える損失熱は良好に導出される。送信モジュールが外部回路周辺部と電気的に接触接続するために、外部コンタクトＡＫが設けられている。この外部コンタクトは同じようにモジュールサブストレートＭＳの下面に配置されている。

図示されたコンポーネントの他に、モジュールサブストレートの内部に別の回路を実現することが可能である。さらにモジュールサブストレートの上面に別個に、個別構成素子または集積構成素子（チップ）を配置することが可能であり、モジュールサブストレート内部の接続部によって電気的に接続される。

図２には、本発明の別の実施例が示されている。この実施例は図１とは、モジュールサブストレートの下面の金属化部の様式が異なっている。この実施例では、切り欠き部ＣＡは完全にアンダーフィラーＵＦによって満たされている。ここでチップ構成素子の背面は有利には覆われないままである。有利にはチップ構成素子をモジュールサブストレートＭＳとはんだ付けする前に既に、チップ構成素子ＰＡの、外部へ向かっている背面上に金属化部が設けられる。ここでも金属化部Ｍは、チップ構成素子ＰＡの熱的な損失熱を、良好な熱的コンタクトおよび金属化部Ｍを介して、外部回路周辺部へ出す。

図３には、本発明の別の実施形態が示されている。ここでは、切り欠き部ＣＡは、チップ構成素子ＰＡが構成された後に、完全にアンダーフィラーＵＦによって満たされる。アンダーフィラーとチップ構成素子ＰＡの背面は、モジュールサブストレートＭＳの下面と同一平面上になっている。引き続き、モジュールサブストレートＭＳの下面に、金属層の金属化部Ｍが例えば、例えばスパッタリングによって設けられる。この金属層は引き続き、電気めっきで強化されてもよい。この金属層はここで、チップ構成素子の他にさらにアンダーフィラーの部分およびモジュールサブストレートの下面を覆う。

図４には、本発明の別の実施形態が示されている。この実施形態では、切り欠き部ＣＡは、例えば金属板から製造されているカバーによって覆われている。これは金属化部Ｍである。金属化部Ｍないしカバーは、チップ構成素子ＰＡと固定的に結合され、例えばこれとはんだ付けされる。カバーをチップ構成素子ＰＡのはんだ付けの後に、切り欠き部ＣＡ上に設けることも可能である。有利にはこのようにして切り欠き部は密閉される。このために、カバーはモジュールサブストレートの下面とはんだ付けされる、または接着される。ここでモジュールサブストレートの下面は、結合箇所で有利には金属化される。しかし、このカバーを別の固定方法によってモジュールサブストレートＭＳの下面に被着させることも可能である。

図４に示された実施形態では、送信モジュールの別の可能なコンポーネントが示されている。これは、図１〜図３に示された実施形態でも設けることが可能である。別のコンポーネントとしては例えば、受信フィルタＲＸとして構成された別のＨＦフィルタがモジュールサブストレートの上面に設けられている。これは、ＳＭＤ技術、フリップチップ技術またはワイヤボンディング技術によって設けられる。ここでワイヤボンディングの場合には、受信フィルタＲＸは例えばモジュールサブストレートＭＳ上に接着される。

別のコンポーネントとして、モジュールサブストレートの上面に、集積された半導体構成素子（チップ）として構成されたスイッチＳを配置することが可能である。このスイッチは、送信作動と受信作動の間の送信モジュールの切り換え、並びに場合によっては異なる送信帯域と受信帯域の間での切り換えを可能にする。スイッチＳを実現する構成素子は、図示のようにフリップチップ配置またはＳＭＤ技術でモジュールサブストレートＭＳ上に設けられる。スイッチＳを接着し、ワイヤボンディング技術によって送信モジュールと接続することも可能である。

図５には、本発明と比較して、公知の送信モジュールが示されている。ここではリードフレームまたはモジュールサブストレートＭＳ上に、パワー増幅器として構成されたチップ構成素子ＰＡが設けられており、ワイヤボンディング技術によってモジュールサブストレートと接触接続されている。このために、電気的な接続面がチップ構成素子ＰＡの上面で、モジュールサブストレートの表面上の相応するリードまたははんだ付けパッドとボンディングワイヤＷＢによって接続されている。ここでモジュールサブストレートの表面上には、さらなる別個のＳＭＤ構成素子（例えばコンデンサ）が配置されており、同じようにはんだ付けパッドＬＰと接続されている。回路周辺部との接続のための接続コンタクトは、モジュールサブストレートの見えない下面に配置されている。余剰な障害与える損失熱をチップ構成素子ＰＡから導出することは、ここではモジュールサブストレートＭＳを通して行われなければならない。これは、モジュールサブストレートの誘電層によって妨げられてしまう。従って多くの場合には、モジュールサブストレート内に熱的な通路を設けることが必要とされている。この通路によって、モジュールサブストレートを通した熱導出が行われる。

図６には、パワー増幅器として構成された公知のチップ構成素子ＰＡが示されている。このチップ構成素子は、リードフレームＬＦ上に取り付けられており、ボンディングワイヤＷＢを介して電気的にリードフレームＬＦ'，ＬＦ''と接触接続されている。リードフレームは注形コンパウンドＣＯによって覆われており、電気的に絶縁されている。送信モジュールへのさらなる集積はここでは、リードフレームＬＦ上にさらなる個別コンポーネントを配置することによってのみ可能である。

分かりやすくするために本発明を僅かな実施例のみに基づいて示した。しかし本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。従って本発明の枠内では、図示されていない別のコンポーネントがモジュール内またはモジュール上に組み込まれ、モジュールサブストレート内に別の回路が実現される。この回路は送信モジュールの機能性を支持する。モジュールサブストレートＭＳの下面でチップ構成素子ＰＡを接触接続させる金属化部の様式も、示されたものと別の様式に構成することができる。チップ構成素子ＰＡは有利には送信モジュールの送信作動のためのパワー増幅器である。しかし次のような任意のチップ構成素子ＰＡも可能である。すなわちその損失熱が、送信モジュールの機能妨害または破壊を回避するために良好に導出されなければならないチップ構成素子である。本発明では送信モジュールは、モジュールサブストレートの下面の１つまたは複数の切り欠き部内に設けられた１つより多いチップ構成素子も含み得る。

本発明に相応する送信モジュールが、概略的な断面図で示されている。これは異なる金属化部をモジュールサブストレートの下面に有している。 本発明に相応する送信モジュールが、概略的な断面図で示されている。これは異なる金属化部をモジュールサブストレートの下面に有している。 本発明に相応する送信モジュールが、概略的な断面図で示されている。これは異なる金属化部をモジュールサブストレートの下面に有している。 本発明の送信モジュールが概略的な断面図で示されている。これはさらなる集積コンポーネントをモジュールサブストレートの上面に有している。 公知の送信モジュールが概略的な平面図で示されている。 リードフレーム上の公知のパワー増幅器が概略的な断面図で示されている。

Claims (16)

1. 移動無線用途向けの送信モジュールであって、
   送信フィルタ（ＴＸ）と、
   多層モジュールサブストレート（ＭＳ）を伴い、
   当該多層モジュールサブストレートは、接続部を実現する少なくとも２つの構造化された金属化面（ＭＥ１，ＭＥ２，・・・ＭＥｎ）と、前記金属化面間に位置する絶縁層（ＩＳ１，ＩＳ２，・・・ＩＳｍ）を有しており、
   当該絶縁層は上面と、下面と、当該下面に設けられた外部コンタクト（ＡＫ）を有しており、
   前記下面には凹部（ＣＡ）が設けられており、当該凹部内にはチップ構成素子（ＰＡ）がフリップチップ構成で前記接続部と接続されており、当該チップ構成素子の外部を向いている背面は、チップエレメントからの熱導出を改善するために金属化部（Ｍ）と熱的に接触接続している、
   ことを特徴とする、移動無線アプリケーション用の送信モジュール。
2. 前記凹部（ＣＡ）は、少なくとも部分的に電気的に絶縁性のアンダーフィラー（ＵＦ）によって満たされている、請求項１記載の送信モジュール。
3. 前記アンダーフィラー（ＵＦ）は前記凹部（ＣＡ）を部分的に満たし、当該アンダーフィラー（ＵＦ）上に、金属化部（Ｍ）として、導電性充填質量体が配置されており、当該充填質量体は前記凹部（ＣＡ）を完全に満たす、請求項２記載の送信モジュール。
4. 前記凹部（ＣＡ）は完全に導電性のアンダーフィラー（ＵＦ）によって満たされており、当該アンダーフィラー（ＵＦ）上に金属化部（Ｍ）が設けられている、請求項２記載の送信モジュール。
5. 前記金属化部（Ｍ）は、少なくともチップ構成素子（ＰＡ）の背面上に設けられている、請求項１または４記載の送信モジュール。
6. 前記金属化部（Ｍ）は金属製カバーとして構成されており、当該金属製カバーによって前記凹部（ＣＡ）は閉成されている、請求項１または４記載の送信モジュール。
7. 前記金属化部（Ｍ）は、少なくともチップ構成素子（ＰＡ）の背面上にスパッタリングされている、請求項５記載の送信モジュール。
8. 前記金属化部（Ｍ）は、外部の回路周辺部と直接的に熱的に接触接続している、請求項１から７までのいずれか１項記載の送信モジュール。
9. 前記金属化部（Ｍ）は、外部の回路周辺部と伝熱的に接着されている、またははんだ付けされている、請求項８記載の送信モジュール。
10. 付加的にインピーダンス整合回路を含み、当該インピーダンス整合回路は前記モジュールサブストレート（ＭＳ）内に組み込まれているか、または部分的に前記モジュールサブストレート内に組み込まれており、前記上面に取り付けられたＳＭＤ構成素子または組み込まれた受動的な構成素子によって補足されている、または完全に、前記上面に取り付けられたＳＭＤ構成素子または組み込まれた受動的な構成素子によって実現されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の送信モジュール。
11. 前記送信フィルタ（ＴＸ）はローパスフィルタであって、当該ローパスフィルタは前記モジュールサブストレート内の接続部内に組み込まれている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の送信モジュール。
12. 前記上面上にスイッチ（Ｓ）が組み込まれており、当該スイッチは、送信動作と受信動作との間の切り替えおよび／または異なる帯域間の切り替えを可能にする、請求項１１記載の送信モジュール。
13. 前記スイッチ（Ｓ）はＰＩＮダイオード，ＧａＡｓスイッチ，ＣＭＯＳスイッチまたはＭＥＭＳスイッチとして構成されている、請求項１２記載の送信モジュール。
14. 前記送信フィルタ（ＴＸ）は、前記モジュールサブストレート（ＭＳ）内の接続部内に組み込まれており、前記モジュールサブストレートの上面に配置されている受信フィルタ（ＲＸ）が設けられており、整合回路は前記モジュールサブストレート（ＭＳ）内に組み込まれている、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の送信モジュール。
15. 前記多層モジュールサブストレート（ＭＳ）はＬＴＣＣセラミック，ＨＴＣＣセラミックまたはラミネートである、請求項１から１４までのいずれか１項記載の送信モジュール。
16. 前記チップ構成素子（ＰＡ）は送信動作用のパワー増幅器として構成されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の送信モジュール。

Images