JP2010267701A - 実装体，通信モジュールおよび通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑制しつつ、通信部品の発熱を縦方向および横方向に効率よく放熱しうる実装体，通信モジュール及び通信装置を提供する。
【解決手段】通信モジュールＢは、パワーデバイス１１を実装基板１２および放熱板１３上に実装した実装体１０が配置されている。放熱板１３は、実装基板１２を載置する主面部１３ａと、主面部１３の端部から縦方向に延びる立設部１３ｂとを有している。パワーデバイス１１の発熱は、縦方向の放熱路Ｈｔと横方向の放熱路Ｈｈから放熱される。縦方向の放熱路Ｈｔは、パワーデバイス１１から放熱板１３の主面部１３ａを経てヒートシンク３０の本体部３１に向かっている。横方向の放熱路Ｈｈは、放熱板１３の主面部１３ａから立設部１３ｂ，ケーブル端子１２およびケーブル線２０に向かっている。ケーブル線２０、特に接地導体２３を介した放熱が可能となり、放熱路が横方向に拡大する。
【選択図】図３

Description

本発明は、通信部品の発熱に対する冷却機能を有する実装体、通信モジュールおよび通信装置に関する。

現在、通信部品を搭載した実装体においては、高周波電流によって発生する熱を如何に効率よく放熱するかが重要な課題である。
このような放熱機能を向上させる技術として、たとえば特許文献１に開示される技術がある。

特許文献１では、放熱器（ヒートシンク）の上に、発熱性の通信部品であるハイパワーデバイスを設置している。さらに、ハイパワーデバイスのおもて面を、上方に配置された別のヒートシンクに、シールドケースを介して熱結合させている。この構成により、デバイスの表裏から効率よく放熱させようとしている。なお、シールドケースは、上方のヒートシンクに、ねじ止めによって強く固定し、強い熱結合を図っている。

特開２０００−０１３０６３号公報

しかしながら、一般的に材料費が安価で比重の小さいアルミニウムで構成されるヒートシンクは、それほど熱伝導率が高くない。そのため、デバイス直下方に向かっては、熱が比較的効率よく伝わるものの、放熱路が横方向に広がりにくい。したがって、上記特許文献１では、２つのヒートシンクを用いるなど、部品点数を増やしているにも拘わらず、それらが放熱に十分活用されていない。つまり、複雑な構造を用いている割には、それほどの放熱性能が得られないおそれがある。
一方、横方向に放熱路を拡大する手段としては、銅板などの高熱伝導率を有する放熱板の面積を拡大すればよい。しかし、銅は比重が大きいので、モジュール全体の重量が増大するとともに、高価な銅板の面積を拡大すると、製造コストも過大となる。

本発明の目的は、製造コストを抑制しつつ、縦方向および横方向に効率よく放熱しうる実装体，通信モジュールおよび通信装置を提供することにある。

本発明の実装体は、発熱性の通信部品を実装してなる実装体である。実装体は、通信部品の底面に沿った方向である横方向に延びる主面部、および主面部につながり縦方向に延びる立設部を有する放熱板を備えている。そして、立設部にケーブル端子を取り付ける。このとき、通信部品の底面と放熱板の主面部とは互いに熱結合しており、放熱板の立設部とケーブル端子とは互いに熱結合している。
熱結合とは、２つの部材が互いに接触していて直接熱伝導し合う場合と、２つの部材が別の部材を介して、間接的に熱伝導し合う場合とがある。
発熱性の通信部品としては、ＦＥＴ，ＩＧＢＴなどの能動素子の他、キャパシタ，インダクタ，抵抗素子などの受動素子も含まれる。

この構造により、通信部品から放熱板の主面部に向かう縦方向の放熱路と、放熱板の主面部から立設部を経てケーブル端子に至る横方向の放熱路とが形成される。この横方向の放熱路においては、通信部品の発熱が、ケーブル端子からこれに接続されるケーブル線を経て外部に放熱される。
したがって、放熱板を銅などの高熱伝導率材料によって構成すれば、狭い面積で、通信部品の発熱を縦方向と横方向とに効率よく放熱することができる。よって、簡素な構成で、製造コストを低く抑えつつ、放熱性能の高い実装体が得られる。

本発明の通信モジュールは、上記実装体と、ケーブル端子に連結されるケーブル線とを備えている。そして、ケーブル線は、ケーブル端子を介して放熱板の立設部と熱結合している。
ケーブル線には、同軸ケーブル，フラットケーブル（多芯ケーブル）などがある。同軸ケーブルやフラットケーブルは、接地やシールドとして機能する外側導体を有しているが、外側導体が必ずしもなくてもよい。

この構造により、通信部品の発熱は、縦方向の放熱路と横方向の放熱路から放熱される。縦方向の放熱路は、通信部品から放熱板の主面部を経てその下方に向かっている。横方向の放熱路は、放熱板の主面部から立設部を経て、ケーブル端子およびケーブル線に向かっている。したがって、同軸ケーブルの接地導体や、フラットケーブル（多芯ケーブル）のシールドを介した放熱が可能となる。よって、簡素な構成で、効率よく放熱しうる通信モジュールが得られる。
なお、ケーブル線に外側導体がなくても、中心導体が太いものであれば、放熱性能を高めることができる。

通信モジュールには、放熱板の主面部に熱結合している本体部と、ケーブル線に熱結合している保持部と、を有するヒートシンクを設けることが好ましい。これにより、縦方向の放熱路では、放熱板の主面部を経てヒートシンクの本体部から放熱される。横方向の放熱路は、放熱板の主面部，立設部およびケーブル線を経て、ヒートシンクの保持部に至っている。そのため、ケーブル線だけでなく，ヒートシンクの保持部から本体部に向かう経路からも放熱される。つまり、１つのヒートシンクを縦方向の放熱路だけでなく、横方向の放熱路の一部としても利用することができる。よって、放熱性能がさらに向上する。

ケーブル線に熱結合している別の通信部品を設けることにより、別の通信部品からの放熱も可能となる。別の通信部品は、発熱性の小さいものが好ましいが、多少の発熱性はあってもよい。別の通信部品として、発熱性の小さい能動素子でもよいが、一般的には、受動素子が好ましい。
たとえば、フィルタは、ほとんどアルミニウム等によって構成されているので、フィルタ全体からの放熱を利用して、放熱効率を高めることができる。
また、別の通信部品は、ケーブル線と電気的に接続される部品である必要もない。別の通信部品全体が放熱作用を有するものであれば、放熱性能を向上させる効果が得られるからである。

通信モジュールにおいて、ケーブル線に、電気的に接続され、かつ熱結合している外部端子をさらに備えることが好ましい。これにより、外部端子から外部への放熱が可能となり、より効率よく放熱することができる。

ケーブル線をヒートシンクに接触させることにより、ケーブル線から直接ヒートシンクに向かう放熱路が形成される。よって、放熱効率をえらに高めることができる。

ケーブル線の外側導体は、細線を撚った網目状のものでもよいが、管材から形成された筒状の導体であることが好ましい。これにより、放熱効率が確実に確保される。

本発明の実装体，通信モジュールまたは通信装置によると、製造コストを抑制しつつ、通信部品の発熱を縦方向および横方向に効率よく放熱することができる。

実施の形態における通信システムである携帯基地局の概略を示す斜視図である。 携帯基地局の送受信設備に配置される回路の構成を示すブロック回路図である。 実施の形態１における通信モジュールの構成を示す縦断面図である。 実施の形態２における通信モジュールの構成を示す縦断面図である。 ケーブル線の変形例に係るフラットケーブルの縦断面図である。

（実施の形態１）
−通信システムおよび実装体の構造−
図１は、実施の形態における通信システムである携帯基地局Ａの概略を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態の携帯基地局Ａは、ビル等の建築物１００の上に配置された簡易局舎１２０に収納されている。簡易局舎１２０には、電源設備１３０，送受信設備１４０等の多くの設備が配置されている。たとえば、電源設備１３０には、電源装置１３１や付帯設備１３２が設けられている。送受信設備１４０（通信装置）には、無線部１４１や制御部１４２が設けられている。そして、制御部１４２において、アンテナ１１０によって送受信される無線信号を制御する構成である。無線信号は、アンテナ１１０と移動端末局（携帯電話）との間で送受信される。

図１の右下に拡大して示すように、送受信設備１４０は、筐体１４５で囲まれるスペース内に、無線部１４１や制御部１４２を収納して構成される。無線部１４１には、多数の高出力増幅器（通信モジュール）１４３が配設されている。また、筐体１４５内には、内部を冷却するための循環空気を送る送風機１４４が配設されている。なお、図１の右下図は、筐体１４５の蓋を開いた状態を示しており、通常は蓋が閉じられて内部が密閉されている。
高出力増幅器１４３の仕様例としては、たとえば、周波数２．１ＧＨｚ，出力電力５０Ｗ，消費電力３００Ｗである。この例では、効率＝出力電力／消費電力≒１７％である。

図２は、携帯基地局Ａの簡易局舎１２０内の送受信設備１４０に配置される回路の構成を示すブロック回路図である。同図に示すように、無線基地局Ａ内の回路において、送信回路には、ディジタル演算回路，ＤＡＣ，ＱＡＭ，ＤＡ，ＰＡ，フィルタが接続されている。ＤＡＣ（Digital-To-Analog Converter ）は、ディジタル信号をアナログ信号に変換するものである。ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）は、ベースバンド信号を無線信号に周波数変換する機能（アップコンバージョン）を含み、直交振幅変調を行うものである。ＤＡ（Driver Amplifier）は、ＱＡＭから出力されたアナログ変調信号を次段で必要なレベルまで増幅するものである。ＰＡ（Power Amplifier）は、大きな電力レベルを駆動するために使われるアンプである。
受信回路には、フィルタ，ＬＮＡ，Ｄ／Ｃ，ＡＤＣなどが接続されている。ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）は、低ノイズのアンプである。Ｄ／Ｃ（Down Converter）は、受信した無線信号を次段のＡＤＣ処理で必要な中間周波数またはベースバンド周波数に変換するものである。ＡＤＣ（Analog to Digital Converter ）は、アナログ信号をディジタル信号に変換するものである。
ディジタル演算回路は、移動端末局との送受信を行なうとともに、ネットワークにより、各基地局や中央制御システムに接続されている。

図３は、本実施の形態における通信モジュールＢの構成を示す縦断面図である。同図に示す通信モジュールＢは、図２に示すＰＡとフィルタとを組み込んだものであるが、他の回路要素を組み込んだものであってもよい。
通信モジュールＢには、通信用部品を実装した実装体１０が配置されている。実装体１０は、通信部品であるパワーデバイス１１と、実装基板１２と、放熱板１３およびケーブル端子１６を備えている。

本実施の形態では、通信部品として、ＭＥＳＦＥＴからなるパワーデバイス１１を配置している。ただし、これに限定されるものではない。通信部品は、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ＨＥＭＴ，ＪＦＥＴなどの他の能動素子や、キャパシタ，インダクタ，抵抗素子などの受動素子であってもよい。

実装基板１２は、セラミックスや有機樹脂などの絶縁基材上に導体パターンを有するものが一般的である。実装基板１２には、パワーデバイス１１に付随する回路要素が搭載されていてもよい。

放熱板１３は、実装基板１２を載置する主面部１３ａと、主面部１３の端部から縦方向に延びる立設部１３ｂとを有している。つまり、主面部１３ａは、通信部品１１の底面に沿った方向である横方向に延びており、立設部１３ｂは、横方向に交叉する方向である縦方向に延びている。
本実施の形態では、放熱板１３は、１枚の銅板または銅合金板を曲げて形成されているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ又はその合金などにより構成されていてもよい。
Ｃｕの熱伝導率は約３９０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、熱膨張率は約１７（ｐｐｍ／Ｋ）、比重は８．９６である。Ａｌの熱伝導率は約２３８（Ｗ／ｍ・Ｋ）、熱膨張率は約２３（ｐｐｍ／Ｋ），比重は２．７０である。

放熱板１３の材料としては、ＣｕやＡｌが熱伝導率の観点から有利である。Ｃｕは高価な材料であるが、本発明では放熱板１３を小さくできるので、トータルコストを抑制することができる。
また、Ｃｕ，Ａｌは導電性材料であるので、後述するように、放熱板１３がグランドパスの一部として機能しうる点で、好ましい。

ケーブル端子１６は、後述するケーブル線２０に電気的に接続するためのコネクタである。ケーブル線２０は、図３の部分断面図に示すように、中心側から順に、中心導体２１，誘電体層２２，接地導体２３（外側導体），外皮２４を積層したものである。本実施の形態では、ケーブル線２０は、同軸ケーブルと呼ばれるものであり、ケーブル端子１６は同軸端子と呼ばれるものである。ケーブル端子１６は、ケーブル線２０の中心導体２１および接地導体２３にそれぞれ接触する導体部材を有している。本発明に適用しうるケーブル線やケーブル端子の構造は、多種多様であり、いずれを用いてもよい。
本実施の形態では、ケーブル線２０の接地導体２３は、ＣｕまたはＣｕ合金の管材からなる筒状のものであるが、これに限定されるものではない。たとえば、網目状の接地導体であっても、高い熱伝導性を有していればよい。また、ケーブル線に外側導体がなくても、中心導体が太いものであれば、放熱性能を高めることができる。

なお、図示されていないが、実装基板１２は、表面側の信号ラインとの間でマイクロストリップ線路を構成する裏面グランド層を有している。また、放熱板１３は、実装基板１２の裏面グランド層と電気的に接続され、放熱板１３はケーブル端子１６を経てケーブル線２０の接地導体２３に電気的に接続（導通）されている。つまり、実装基板１２の裏面グランド層−放熱板１３−ケーブル端子１６−ケーブル線２０の接地導体２３に亘るグランドパスが形成されている。
また、図示されていないが、パワーデバイス１１の出力側電極は、ケーブル線２０の中心導体２１に電気的に接続されている。

実装体１０は、熱伝導シート１７を挟んでヒートシンク３０の本体部３１上に載置されている。熱伝導シート１７は、板面に平行な方向に高い熱伝導率を有する材料からなるものである。本実施の形態では、熱伝導シート１７として、いわゆるカーボンシートを用いているが、これに限定されるものではない。また、熱伝導シート１７は，必ずしもなくてもよい。
ヒートシンク３０は、本体部３１の端部から縦方向に延びる保持部３２と、本体部３１に付設された多くのフィン３２とをさらに備えている。ヒートシンク３０は、図１に示す筐体１４５内の送風機１４４の送風によって冷却される。
本実施の形態では、ヒートシンク３０は、Ａｌ又はその合金によって構成されているが、これに限定されるものではない。上述の各種材料を用いることもできる。ただし、ヒートシンク３０は大面積を占めるので、材料コストが安いだけでなく、比重が小さいことも必要である。このような条件を満足する材料としては、Ａｌ又はその合金が好ましい。

そして、ケーブル線２０とヒートシンク３０の保持部３２との間に、別の通信部品である出力フィルタ４０が取りつけられている。出力フィルタ４０は、ケーブル線２０とはケーブル端子４１を介して熱結合しつつ接続され、保持部３２にはその端面を接触させて熱結合している。また、出力フィルタ４０の下面は、ヒートシンク３０の本体部３１に接触している。これにより、出力フィルタ４０を放熱部材の１つとして利用している。

さらに、保持部３２には、出力フィルタ４０に接続される出力コネクタ４２が熱結合しつつ取りつけられている。すなわち、出力コネクタ４２に接続される部材、たとえば外部接続用の太いケーブル線からの放熱が可能になる。

本実施の形態によると、実装体１０において、通信部品であるパワーデバイス１１から放熱板１３の主面部１３ａに向かう縦方向の放熱路Ｈｔが形成される。また、放熱板１３の主面部１３ａから立設部１３ｂを経てケーブル端子１６に至る横方向の放熱路Ｈｈも形成される。つまり、パワーデバイス１１の発熱がケーブル端子１２を経てケーブル線２０に伝わる構造となる。
したがって、放熱板１３をＣｕ又はその合金などの高熱伝導率材料によって構成すれば、狭い面積で、パワーデバイス１１の放熱路を横方向に拡大することができる。よって、簡素な構成で、製造コストを低く抑えつつ、放熱性能の高い実装体１１が得られる。

また、通信モジュールＢにおいて、パワーデバイス１１の発熱は、縦方向の放熱路Ｈｔと横方向の放熱路Ｈｈから放熱される。縦方向の放熱路Ｈｔは、パワーデバイス１１から放熱板１３の主面部１３ａおよび熱伝導シート１７を経てヒートシンク３０の本体部３１に向かっている。横方向の放熱路Ｈｈは、放熱板１３の主面部１３ａから立設部１３ｂ，ケーブル端子１２およびケーブル線２０に向かっている。よって、ケーブル線２０、特に接地導体２３を介した放熱が可能となり、簡素な構成で、効率よく放熱しうる通信モジュールＢが得られる。

特に、ヒートシンク３０に、本体部３１の端部から延びる保持部３２を設けているので、さらなる放熱性能の向上が期待できる。すなわち、本実施の形態では、横方向の放熱路Ｈｈは、ケーブル線２０およびフィルタ４０を経て保持部３２に延びている。そして、保持部３２を経て、本体部３１およびフィン３３からの放熱と、出力コネクタ４２からの放熱が可能となる。つまり、１つのヒートシンク３０を縦方向の放熱路Ｈｔだけでなく、横方向の放熱路Ｈｈの一部としても利用することができる。よって、放熱性能がさらに向上する。

本実施の形態では、フィルタ４０からの放熱も可能となり、放熱性能がさらに向上する。特に、フィルタ４０が、ヒートシンク３０の本体部３１や保持部３２に接触させているので、放熱性能の向上効果が大きい。
ただし、次に説明する実施の形態２のように、フィルタなどの別の通信部品をケーブル線２０に接続しなくてもよい。

図４は、実施の形態２における通信モジュールＢの構造を示す縦断面図である。
本実施の形態においても、携帯基地局Ａの構成や携帯基地局Ａの電気回路の構成は、実施の形態１と共通している。また、図４において、実施の形態１と同じ部材については、同じ符号を付して、説明を省略する。

本実施の形態では、ケーブル線２０にフィルタ等の別の通信部品が介設されていない。そして、ケーブル線２０が、ヒートシンク３０の本体部３１に接触している。この構造により、横方向の放熱路Ｈｈにおいて、ケーブル線２０からヒートシンク３０の本体部３２に直接放熱が可能になる。よって、放熱性能がさらに向上する。
ケーブル線２０の断面構造は、図３に示す構造としてもよいし、接地導体２３を、内面が円形で外面が矩形の断面を有する管材で形成してもよい。接地導体２３の外面を平面とすることにより、接地導体２３とヒートシンク３０との接触面積が大きくなるので、放熱効率がさらに向上する。
また、ケーブル線２０を、ヒートシンク３０の本体部３１に取り付けられた高熱伝導率材料からなる金具に固定してもよい。

−ケーブル線の変形例−
図５は、ケーブル線２０の変形例に係るフラットケーブルの縦断面図である。ケーブル線２０は、複数の中心導体２１（多芯）と、誘電体層２２を挟んで複数の中心導体２１の周囲を覆うシールド２７と、外皮２４とを備えている。また、シールド２７の外方には、シールド２７に接触しながら延びるドレイン線２５が設けられている。

中心導体２１は、図中左方から順に、ピッチ０．４ｍｍ〜０．６ｍｍ程度で配置された、グランド線２１ｇと、各々差動信号が伝送される第１信号線２１ｐ及び第２信号線２１ｎとを含んでいる。そして、グランド線２１ｇ，第１信号線２１ｐ及び第２信号線２１ｎの３本の中心導体が１つの群として、交互に繰り返し設けられ、最終端部にはグランド線２１ｇが配置されている。つまり、第１信号線２１ｐと第２信号線２１ｎとを両側のグランド線２１ｇによって挟むことにより、第１信号線２１ｐと第２信号線２１ｎとのクロストークを逃す構成となっている。また、シールド２７は、不要電波の外部への漏れがないように、不要電波を遮蔽している。
なお、中心導体２１の断面形状は、必ずしも丸型である必要はなく、平型であってもよい。

このようなフラットケーブル構造を有するケーブル線２０も、放熱路の一部として用いることができる。この場合、特に、シールド２７およびドレイン線２５を介して放熱性能を高めることができる。

本発明に用いられるケーブル線は、一般的には高周波ケーブルであるが、上述の同軸ケーブル、フラットケーブルに限定されるものではなく、種々の構造を有するケーブル線が含まれる。同様に、ケーブル端子も、同軸端子だけでなく、種々の構造を有する端子（コネクタ）が含まれる。

ヒートシンク３０との熱交換を行う熱交換媒体は、上記各実施の形態では、送風機１４４の送風である。しかし、通信モジュールの種類や配置場所に応じて、冷却能の高い各種液体を用いてもよいし、ヘリウム，アルゴン，窒素などであってもよい。

（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の実装体，通信モジュール及び通信装置は、携帯基地局のほか、発熱性の通信部品を配置した各種通信機器に利用することができる。

Ａ 携帯基地局
Ｂ 通信モジュール
Ｈｔ 縦方向の放熱路
Ｈｈ 横方向の放熱路
１０ 実装体
１１ パワーデバイス（通信部品）
１２ 実装基板
１３ 放熱板
１３ａ 主面部
１３ｂ 立設部
１６ ケーブル端子
１７ 熱伝導シート
２０ ケーブル線
２１ 中心導体
２２ 誘電体層
２３ 接地導体（外側導体）
２４ 外皮
２５ ドレイン線
２７ シールド（外側導体）
３０ ヒートシンク
３１ 本体部
３２ 保持部
３３ フィン
４０ フィルタ
４１ ケーブル端子
４２ 出力コネクタ
１００ 建築物
１１０ アンテナ
１２０ 簡易局舎
１３０ 電源設備
１３１ 電源装置
１３２ 付帯設備
１４０ 送受信設備（通信装置）
１４１ 無線部
１４２ 制御部
１４３ 高出力増幅器（通信モジュール）
１４４ 送風機
１４５ 筐体

Claims (8)

1. 発熱性の通信部品を実装してなる実装体であって、
   前記通信部品の底面に沿った方向である横方向に延びる主面部、および該主面部につながり縦方向に延びる立設部を有する放熱板と、
   前記放熱板の立設部に取り付けられたケーブル端子と、
   を備え、
   前記通信部品の底面と放熱板の前記主面部とは互いに熱結合しており、
   前記放熱板の立設部と前記ケーブル端子とは互いに熱結合している、実装体。
2. 請求項１記載の実装体と、
   前記ケーブル端子に連結されるケーブル線と、
   を備え、
   前記ケーブル線は、前記ケーブル端子を介して前記放熱板の立設部に熱結合している、通信モジュール。
3. 請求項２記載の通信モジュールにおいて、
   前記放熱板の主面部と熱結合する本体部と、前記ケーブル線に熱結合している保持部とを有するヒートシンクをさらに備えている、通信モジュール。
4. 請求項２または３記載の通信モジュールにおいて、
   前記ケーブル線に熱結合している別の通信部品をさらに備えている、通信モジュール。
5. 請求項２〜４のうちいずれか１つに記載の通信モジュールにおいて、
   前記ケーブル線に、電気的に接続され、かつ熱結合している外部端子をさらに備えている、通信モジュール。
6. 請求項２〜５のうちいずれか１つに記載の通信モジュールにおいて、
   前記ケーブル線は、前記ヒートシンクに接触している、通信モジュール。
7. 請求項２〜６のうちいずれか１つに記載の通信モジュールにおいて、
   前記ケーブル線は、管材から形成された筒状の外側導体を有している、通信モジュール。
8. 請求項７記載の通信モジュールを備えた通信装置。

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