JP2010212602A - 高周波モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 高発熱部品が内蔵されたパッケージを使用する高周波モジュールにおいて、高放熱なパッケージの実装方法を提供するとともに、安価に小型化を実現することを目的とする。
【解決手段】 モジュールケース１の内部に、ＦＥＴ２を搭載する金属パッケージ３と、マイクロ波集積回路（以下、ＭＭＩＣ）や増幅器、スイッチ、位相器などの高周波半導体チップ４を混載したマルチチップパッケージ５を配置し、このモジュールケース１の外側底面に皿とり穴を開け、各パッケージにおけるキャリア９及びキャリア１９の下側に雌ねじを設けて、モジュールケースとキャリア間を皿ねじで締結することで、ねじの締結に必要な実装面積を低減するとともに、接触熱抵抗を低減した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、化合物半導体の高発熱部品を使用し、マイクロ波やミリ波などの高周波信号を送信または受信する高周波モジュールに関するものである。

従来の高周波モジュールは、高周波信号の増幅処理を目的とした化合物半導体（GaAs,GaN,SiCなど）を主材料とする電解効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと称する）やモノリシックマイクロ波集積回路（以下、ＭＭＩＣと称する）などの高発熱部品を使用している。高周波モジュールは、ＦＥＴやＭＭＩＣなどを収容するパッケージを有している。上記パッケージは、例えばコバール、銅モリブデン合金、銅タングステン合金などのＦＥＴやＭＭＩＣ自身と線膨張率が近い材料が用いられている。また、上記ＦＥＴやＭＭＩＣは、パッケージの実装面に、例えば金錫はんだのような熱伝導性の高い接合材料を用いて接合される。上記パッケージには外周に固定用の穴付きフランジが設けられ、高周波モジュールを構成する金属製のモジュールケースに、フランジの穴を介してなべねじで締結されている。このような構造によって、モジュールケースへの高発熱部品を内蔵したパッケージの組み込みを、単純かつ簡単にすることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２７４６０１号公報

従来の高周波モジュールでは、放熱が必要となるパッケージ底面とモジュールケース表面との接触部分において、パッケージ底面とモジュールケース表面それぞれの面粗さによって生じる空隙に、熱伝導率がモジュールケースやパッケージと異なる物質（例えば空気など）が入り込むことで、当該接触部分の熱抵抗（以下、接触熱抵抗）が増加するという問題がある。この場合、上記フランジを極力ＦＥＴの発熱体近傍に設けることで、上記接触部分の接触圧を増やすことにより、当該接触熱抵抗の低減を行うことができる。

近年の高周波モジュールは、小型化、高出力化が望まれており、上記小型化を実現するために、高発熱部品を内蔵したパッケージのフランジを小型化し、小径ねじを使用する、またはねじ止めをなくすことによるフランジレス化で、高周波モジュールの小型化を実現することができる。また、増幅器、位相器、スイッチなど、高周波モジュール内にばらばらに配置される部品を、一つのパッケージ内に混載することで、小型化・多機能化することができる。更に、ＦＥＴを多段に配置したり、高出力素子を使用することで、高周波モジュールのさらなる高出力化が図られている。

しかしながら、従来の高周波モジュールは、モジュールケースの内部に、パッケージのフランジをねじ固定するための実装領域が必要となる。また、上記フランジはパッケージの外周に設けられるため、パッケージに収容した高発熱部品の外側周辺部においては十分な接触圧を付与できず、接触熱抵抗の低減にも限界がある。

加えて、現在のＦＥＴやＭＭＩＣなど高発熱部品内蔵パッケージの傾向としてあげられる小型化において、小径ねじを使用した場合には、キャリアとモジュールケース間の接触圧が低下するため、接触熱抵抗の増加が予想される。また、増幅器、位相器、スイッチなど、高周波モジュール内に従来ばらばらに配置されていた複数の部品を一つに混載したパッケージにおいては、混載するがためにキャリアのフランジによる固定位置から発熱箇所までの距離が離れることとなり、同様に接触熱抵抗の増加が予想されるため、接触熱抵抗の低減が重要となる。更に、ＦＥＴを多段に配置することや、高出力素子の使用による高周波モジュールの高発熱化においても、接触熱抵抗の低減が重要となる。

以上説明した通り、従来の高周波モジュールは、ＦＥＴやＭＭＩＣなど高発熱部品を内蔵したパッケージの小型化を実現するとともに、多機能化や高出力化に対応できる、より生産性の高い実装構造が求められている。

この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、送信または受信機能を有する高周波モジュールに、高発熱部品を内蔵したパッケージを実装する際、小型かつ高放熱性を有するパッケージの実装構造を提供することを目的とする。

この発明による高周波モジュールは、高発熱部品を実装する搭載面が設けられ、当該搭載面の直下もしくはその周辺に雌めじの設けられた所定厚さのパッケージ底面を有し、当該高発熱部品を収容するパッケージと、上記パッケージが搭載され、当該パッケージのパッケージ底面が接触する所定厚さのモジュールケース底面を有し、当該モジュールケースにおける外面側のモジュールケース底面に皿とり穴の設けられたモジュールケースと、上記モジュールケースの皿とり穴にねじ頭が配置され、上記パッケージの雌めじと当該皿とり穴を介して、上記パッケージを締結する皿ねじと、を備え、上記モジュールケース底面の厚さが上記モジュール底面の厚さよりも薄いことを特徴としたものである。

また、上記パッケージの雌めじは、上記高発熱部品の搭載面の直下もしくはその周辺で、上記高発熱部品の中心部を間に挟むように、複数配置されたことを特徴とするものである。

この発明によれば、モジュールケースの外側に皿とり穴を開け、各パッケージ底面の下側から雌めじを設けて、モジュールケースとパッケージ底面間を皿ねじで締結することで、ねじの締結に必要な面積を低減するとともに、高発熱部品直下及びその周辺の接触熱抵抗を低減する効果を奏する。

この発明の実施の形態１による高周波モジュールの構成を示す正面図である。 この発明の実施の形態１による高周波モジュールの構成を示す正面断面図（図１のＡＡ断面図）である。 この発明の実施の形態１によるパッケージの構成を示す図である。 この発明の実施の形態２によるパッケージの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１、２によるパッケージの熱特性を示す図である。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１による高周波モジュールについて説明する。図１は実施の形態１による高周波モジュールの構成を示す正面図、図２は図１のＡＡ断面図（正面断面図）である。図３は実施の形態１によるマルチチップパッケージの構成を示す図である。

図において、高周波モジュールは、アルミニウム合金製のモジュールケース１と、金属製のパッケージ３と、セラミック製のマルチチップパッケージ５と、制御及び給電基板６と、皿ねじ１１とを備えて構成される。モジュールケース１は、所定の厚みを有した板状の底面（モジュールケース底面）と、底面の外周部から立設した所定の厚みを有する板状の側面とから構成されて、箱型形状をなす。モジュールケース１の側面上部には、図示しない金属蓋が接合される。この金属蓋は、外部との間の電磁遮蔽のために設けられたシールド用カバーである。

パッケージ３は、所定の厚みを有した金属製のキャリア９と、キャリア９の上面外縁部に接合される枠型形状をなす金属製のシールリング８と、シールリング８の上面に接合される金属蓋２０とを備えて構成される。パッケージ３の内部には、高発熱部品であるＦＥＴ２が収容される。ＦＥＴ２は、金属製のキャリア９の上面におけるＦＥＴ搭載面（ＦＥＴの実装領域）に実装され、キャリア９に接合される。シールリング８の側面には、パッケージ３の外部に露出した外部端子と内部に配置された内部端子を構成する、セラミック基板３１が嵌め込まれている。セラミック基板３１は、パッケージ３の内部に設けられたＦＥＴ２とパッケージ３の外部装置との間で、セラミック基板３１を介して高周波信号を入出力する。パッケージ３は、モジュールケース１の底面の上面に接触して、複数個配置される。金属蓋２０は、気密封止のために設けられた封止用カバーである。

マルチチップパッケージ５は、所定の厚みを有した金属製のキャリア１９と、キャリア１９の上面に接合されたセラミック製のパッケージ基板１０と、パッケージ基板１０の上面外縁部に接合される枠型形状をなすシールリング８と、シールリング８の上面に接合される金属蓋２１とを備えて構成される。マルチチップパッケージ５は、ＭＭＩＣや、増幅器、スイッチ、位相器などを構成する高発熱部品である高周波半導体チップ４や整合回路基板を、複数個混載して収容する。各高周波半導体チップ４は、パッケージ基板１０に形成されたチップ搭載面（高周波半導体チップ４の実装領域）に実装され、パッケージ基板１０に接合される。パッケージ基板１０は、マルチチップパッケージ５の外部に露出した外部端子と内部に配置された内部端子とが形成されている。パッケージ基板１０は、マルチチップパッケージ５の内部に設けられた高周波半導体チップ４とマルチチップパッケージ５の外部装置との間で、セラミック基板３１を介して高周波信号や制御信号、電源信号などを入出力する。マルチチップパッケージ５は、モジュールケース１の底面（モジュールケース底面）の上部面に接触して配置される。なお、マルチチップパッケージ５を、モジュールケース１の底面の上部面に複数配置しても良い。金属蓋２１は、気密封止のために設けられた封止用カバーである。

制御及び給電基板６は、各パッケージ３及びマルチチップパッケージ５の周辺部に配置される。制御及び給電基板６は、モジュールケース１の底面（モジュールケース底面）の上部面に配置される。制御及び給電基板６は、有機材で成形された樹脂基板で構成される。制御及び給電基板６は、各パッケージ３及びマルチチップパッケージ５の側面端部と干渉しないように、一枚の樹脂基板に複数の穴を設けて構成され、当該穴の中に各パッケージ３及びマルチチップパッケージ５が配置される。或いは、複数の樹脂基板を離隔配置して制御及び給電基板６を構成し、離隔配置された基板間に各パッケージ３及びマルチチップパッケージ５が配置されても良い。制御及び給電基板６は、制御信号を伝送する制御信号線路や、高周波信号や電源信号を伝送する給電信号線路が設けられている。ワイヤ７は、制御及び給電基板６の給電信号線路や制御信号線路と、セラミックパッケージ５の外部端子とを接続する。

各パッケージ３と、マルチチップパッケージ５は、モジュールケース１の底面に載置された状態で、小径の皿ねじ１１によって締結固定される。ＦＥＴ２、及び半導体チップ４と、パッケージ３及びマルチチップパッケージ５とは、それぞれはんだ、または接着剤で接合されており、パッケージ３及びマルチチップパッケージ５は、モジュールケース１内に収まる大きさ、高さであれば、具体的な形状は図に示す限りではない。なお、制御及び給電基板６を、モジュールケース１に固定するための固定部は、この発明の主旨するところではないため、以降の説明を略す。

キャリア９及びキャリア１９にはそれぞれ、モジュールケース１と固定するための小径の雌ねじ４０が切ってある。雌ねじ４０を切る場所は、発熱体に近く、またその数が多いほどよい。その際、この雌ねじは、パッケージの気密を保つために有底であることが肝要であり、金属製キャリア９及びキャリア１９はねじを締結できるとともに、そのねじ穴が止め穴となるように、十分な厚みが確保されている。

モジュールケース１の底面下部（外側端面）には、外側より皿とり穴が形成されている。モジュールケース１の底面（モジュールケース底面）は皿とり穴が形成できる程度の厚さあればよく、可能な限り薄くなっている。

キャリア９及びキャリア１９とモジュールケース１とは、次のように締結される。
１）モジュールケース１の底面の所定位置に、キャリア９又はキャリア１９を配置する。
２）モジュールケース１の底面に設けられた皿とり穴に、外側（モジュールケース底面の下面部側）から小径の皿ねじ１１を通し、キャリア９又はキャリア１９の雌ねじに、小径の皿ねじ１１をねじ込む。これにより、キャリア９及びキャリア１９がモジュールケース１に締結される。

なお、従来の高周波モジュールは、キャリアに穴付きフランジを設け、モジュールケース側に雌ねじを設けることによって、小径なべねじによりパッケージをモジュールケースに固定していたので、モジュールケースの底面厚みが雌ねじを形成する分だけ厚くなっていた。これに対し、実施の形態１の高周波モジュールは、モジュールケース１の底面の厚みと、キャリア９又はキャリア１９の最大厚みの合計は、従来の高周波モジュールのモジュールケース及びキャリアの最大厚みの合計と同等となるか、もしくは従来よりも小さくすることが可能である。

また、従来の高周波モジュールは、導電性接着剤を用いて、パッケージのキャリアをモジュールケースに固定することがあった。導電性接着剤を使用することで、接触熱抵抗が改善されるのであるが、通常のキャリアで用いられる鉄ニッケルコバルト合金と通常のモジュールケースで使用されるアルミニウム合金とでは線膨張差が大きく、接着にて実装するとキャリアとモジュールケースの線膨張差によって、接着剤が剥離する可能性が大きくなる。

また、接着硬化後、硬化物の周囲に発生する低分子樹脂または溶剤のしみ出しが、周りの配線に影響が出ない程度としなければならず、接着剤の硬化温度条件も、パッケージ内のデバイスの耐熱温度よりも低くなる。更に、確実な固定という観点から一定の接着強度を持たなければならない。一方、導電性接着剤において導電率を向上させるためには、接着剤中に含む銀等の粒子を増加させる必要があるため、導電率を増加させた分、接着強度が減少するという問題が生じる。また、高発熱部品における長期の接着耐久性は評価することが難しいなど各種問題がある。

この実施の形態１による高周波モジュールは、以上説明したように構成され、高発熱部品を実装する搭載面が設けられ、当該搭載面の直下もしくはその周辺にねじ穴の設けられた所定厚さのパッケージ底面を有し、当該高発熱部品を収容するパッケージと、上記パッケージが搭載され、当該パッケージのパッケージ底面が接触する所定厚さのモジュールケース底面を有し、当該モジュールケースにおける外面側のモジュールケース底面に皿とり穴の設けられたモジュールケースと、上記モジュールケースの皿とり穴にねじ頭が配置され、上記パッケージのねじ穴と当該皿とり穴を介して、上記パッケージを締結する皿ねじと、を備え、上記モジュールケース底面の厚さが上記モジュール底面の厚さよりも薄いことを特徴とする。すなわち、ＦＥＴやＭＭＩＣなどの高発熱部品や整合回路基板を実装したパッケージとモジュールケース間を確実に固定する上で、モジュールケースとキャリア間の線膨張差を補間し、量産性を向上させるとともに、キャリアを従来よりも厚くすることで、キャリアに低価格なＭ２やＭ１．６の小径ねじ用の雌ねじを設けることができる。更に、アルミニウム合金のモジュールケース底面に外側より皿とり穴を設け、モジュールケースの外側より皿ねじでキャリアとモジュールケースを固定することで、モジュールケースとキャリア間の接触圧を増加させ、接触熱抵抗を低減することを特徴とする。

また、モジュールケース１にパッケージ３又はマルチチップパッケージ５を実装する際、キャリア９及びキャリア１９にねじ止め用のフランジを設ける必要がない。これによってキャリアを小型化することができ、送受信モジュール内の実装面積を確保できる。

また、この実施の形態１による高周波モジュールは、接着剤を使用する必要がないため、モジュールケースにモジュールケースとキャリアの線膨張差を合わせるための特殊材料を使用する必要がなく、これによって、高周波モジュールの低価格化を実現することができる。更に、接着剤を使用しないことから、接着強度、接着剤の導電性、高発熱部への長期接着耐久性を考慮する必要がなくなる。また、乾燥炉時間を含む接着プロセスを必要としない。これによって製造時間の減少につながるとともに、モジュールケース内の部品が、接着剤の硬化温度による制限を受けることがなくなる。

また、この実施の形態１による高周波モジュールは、実装工程の順序に対する自由度が増加し、かつ、全て一般的なねじ（例えば、Ｍ１.６ねじ）を使用して実装が可能なため、低価格化及び量産性を向上させることができる。

更に、この実施の形態１による高周波モジュールは、キャリアの裏面から小径の皿ねじを挿入し、その際のキャリアの雌ねじは有底であることから、ＦＥＴ２を含むパッケージ３や、マルチチップパッケージ５において、それぞれの実装位置に大きな制約を受けることなく、ねじを締結することができるため、発熱部位のより近傍でねじの押付力を加えることができる。また、１つのキャリア及び発熱体に対するねじの本数を効率的に増やすことで、キャリア全体の押付力を増加させることができることにより、キャリアとモジュールケース間の接触圧を増加させ、接触熱抵抗を低減させることができる。

また、この実施の形態１による高周波モジュールは、モジュールケースの厚みを皿とり穴が形成できる程度に可能な限り薄くし、キャリアを有底な雌ねじが切れる程度に厚くすることができる。これによって、金属製のキャリアの熱伝導率がモジュールケースの熱伝導率よりも大きい場合（例えば、キャリアとして、銅モリブデン合金（熱伝導率２８０［Ｗ／ｍＫ］）、モジュールケースとして、アルミニウム合金（熱伝導率１６０[Ｗ／ｍＫ]）を使用した場合）、金属製のキャリア内での熱の広がりが大きくなり、キャリアからケースへの入熱面積が広がることから、キャリアとモジュールケース間の接触熱抵抗を低減させることができる。その結果、従来よりも、キャリアとモジュールケース間の接触熱抵抗による温度上昇を低減できるため、パッケージ内に搭載されている高発熱部品のジャンクション温度を下げることができる。

実施の形態２．
図４は実施の形態２による高周波モジュールのねじ位置の配置例を示す図であり、（ａ）は従来の高周波モジュールのパッケージにおけるねじの取付け位置（従来モデル）を示す上面図、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は実施の形態１の高周波モジュールにおいて高発熱部品の直下に１箇所皿ねじを配置した例（モデル１）を示す正面図、（ｄ）は（ｃ）の下面図、（ｅ）は実施の形態１の高周波モジュールにおいて高発熱部品の直下周辺に皿ねじを２箇所配置した例（モデル２）を示す正面図、（ｆ）は（ｅ）の下面図である。また、図５は図４のねじ位置の違いによる放熱特性の違いを示す図である。

図４（ａ）、（ｂ）の従来モデルにおいて、モジュールケース５１にパッケージ５２が載置されている。パッケージ５２の下面には、ＦＥＴ２（高発熱部品）を実装するキャリア５３が設けられ、キャリア５３の四隅はなべねじにより締結されている。
図４（ｃ）、（ｄ）のモデル１において、モジュールケース１にパッケージ３が載置されている。パッケージ３の下面（裏面）には、ＦＥＴ２を実装するキャリア９が設けられ、キャリア９の下面には皿ねじ１１が取付けられている。図に示すように、ＦＥＴ２（高発熱部品）の真下部（直下）に、皿ねじ１１を締結するための雌ねじの穴が１箇所設けられている。
図４（ｅ）、（ｆ）のモデル２において、モジュールケース１にパッケージ３が載置されている。パッケージ３の下面（裏面）には、ＦＥＴ２（高発熱部品）を実装するキャリア９が設けられ、キャリア９の下面には皿ねじ１１が取付けられている。図に示すように、ＦＥＴ２（高発熱部品）の中央部直下（真下）を間に挟むように、皿ねじ１１を締結するための雌ねじの穴が２箇所設けられている。

図５において、図４（ａ）、（ｂ）に示す従来モデルは、図４（ｃ）、（ｄ）に示す実施の形態１に係わるモデル１の高周波モジュールに比して、高発熱部品周辺の接触熱抵抗およびジャンクション温度が高くなっている。両者を見比べて容易にわかるように、モデル１は従来モデルに比して、接触熱抵抗は大幅に低下するが、ジャンクション温度の低下度合いは少ない。これは、高発熱部品の直下に存在する雌ねじのねじ穴が、キャリアの熱の広がりを部分的に妨げるために、キャリアの熱抵抗が部分的に上昇し、ジャンクション温度の低減効果が薄れることを意味している。

また、図５において、図４（ａ）、（ｂ）に示す実施の形態１に係わるモデル２の高周波モジュールは、図４（ａ）、（ｂ）に示す従来モデル、及び図４（ｃ）、（ｄ）に示すモデル２に比して、高発熱部品周辺の接触熱抵抗およびジャンクション温度が大幅に低下していることがわかる。すなわち、モデル２は、従来モデル及びモデル１に比して、接触熱抵抗とジャンクション温度がともに大きく低下する。これは、高発熱部品の直下に雌ねじのねじ穴が存在せず、雌ねじのねじ穴が高発熱部品の直下を避けて配置されているので、キャリアの熱の広がりを妨げることがない。したがって、接触熱抵抗及びジャンクション温度がともに大幅に下がるので、十分な放熱効果が得られることとなる。

以上説明したように、実施の形態２による高周波モジュールは、モデル２のケースで、パッケージのねじ穴が上記高発熱部品の搭載面の直下もしくはその周辺で、上記高発熱部品の中心部を間に挟むように、複数配置されたことを特徴とする。これによって、実施の形態１に比べて、キャリアとモジュールケース間の接触熱抵抗による温度上昇を低減できるため、パッケージ内に搭載されている高発熱部品のジャンクション温度を更に下げることができる。

１ モジュールケース、２ 電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）、３ パッケージ、４ 高周波半導体チップ、５ マルチチップパッケージ、６ 制御及び給電基板、７ ワイヤ、８ シールリング、９ キャリア、１０ セラミック基板、１１ 皿ねじ。

Claims (2)

1. 高発熱部品を実装する搭載面が設けられ、当該搭載面の直下もしくはその周辺にねじ穴の設けられた所定厚さのパッケージ底面を有し、当該高発熱部品を収容するパッケージと、
   上記パッケージが搭載され、当該パッケージのパッケージ底面が接触する所定厚さのモジュールケース底面を有し、当該モジュールケースにおける外面側のモジュールケース底面に皿とり穴の設けられたモジュールケースと、
   上記モジュールケースの皿とり穴にねじ頭が配置され、上記パッケージのねじ穴と当該皿とり穴を介して、上記パッケージを締結する皿ねじと、
   を備え、上記モジュールケース底面の厚さが上記モジュール底面の厚さよりも薄いことを特徴とした高周波モジュール。
2. 上記パッケージのねじ穴は、上記高発熱部品の搭載面の直下もしくはその周辺で、上記高発熱部品の中心部を間に挟むように、複数配置された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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