JP2015211056A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で放熱効率を高めた電子機器を提供する。【解決手段】電子機器は、回路モジュール２０と、回路モジュールの熱を放散させる放熱器３０と、第一面と第二面とを有し、第一面に回路モジュールが配置され、第二面に放熱器が配置されている第一基板１０と、を有し、第一基板は、回路モジュールと放熱器３０との間に開口１３部を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器に関し、特にアレイアンテナと一体化される電子機器に関する。

関連する電子機器は、多層プリント基板の一面に配列搭載された複数の高周波モジュールを有している。各高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを含む。セラミック多層基板パッケージの一面側には、複数の放射素子が二次元に配列され、他面側には、複数の放射素子に電気的に接続される半導体チップが搭載されている。高調波モジュールは、放射素子が外側を向くように、即ち、半導体チップが多層プリント基板に向くように、多層プリント基板に搭載される。

半導体チップに生じる熱を外部に放散させるため、セラミック多層基板パッケージを貫くサーマルバイアホールが形成されている。サーマルバイアホールの一端は、半導体チップに接続され、他端はセラミック多層基板パッケージの一面側に取り付けられたヒートシンクに接続されている。このような電子機器は、例えば、特許文献１に記載されている。

特開平１１−３４０７２９号公報（段落００４１−００４３、００５４−００５５、図３、図６）

関連する電子機器は、半導体チップからの熱を放散させるために、セラミック多層基板パッケージを貫通するサーマルバイアホールを利用する。このサーマルバイアホールの存在は、セラミック多層基板パッケージの構成を複雑にし、セラミック多層基板の配線レイアウトの自由度を制限するという問題点もある。

このように、関連する電子機器には、配線レイアウトの自由度が制限されるという問題点がある。

本願発明は、上記問題点を解決する電子機器を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の電子機器は、回路モジュールと、前記回路モジュールの熱を放散させる放熱手段と、第一面と第二面とを有し、前記第一面に前記回路モジュールが配置され、前記第二面に前記放熱手段が配置されている第一基板と、を有し、前記第一基板は、前記回路モジュールと前記放熱手段との間に開口部を有することを特徴とする。

本発明によれば、配線レイアウトの自由度を向上させることができる電子機器を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電子機器の概略構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子機器の構成を示す断面図である。 第２の実施形態の実施例１に係る電子機器の構成を示す断面図である。 実施例１の電子機器の回路モジュール搭載面側から見た斜視図である。 実施例１の電子機器のヒートシンク搭載面側から見た斜視図である。 第２の実施形態の実施例２に係る電子機器の構成を示す断面図である。 実施例２の電子機器の回路モジュール搭載面側から見た斜視図である。 実施例２の電子機器の冷却用配管搭載面側から見た斜視図である。 第２の実施形態の実施例３の電子機器のヒートパイプ搭載面側から見た斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、第１の実施形態に係る電子機器の概略構成を示す断面図である。図示の電子機器は、第一基板１０と、第一基板に搭載される回路モジュール２０と、放熱器３０とを有している。

第一基板１０は、回路モジュール２０が搭載される第一面１１と、放熱器３０が取り付けられる第二面１２を有している。そして、第一基板１０には、第一面１１から第二面１２まで貫通する開口部１３が形成されている。

回路モジュール２０は、第一基板１０の第一面１１に搭載されている。回路モジュール２０の一部は開口部１３内に露出している。

放熱器３０は、第一基板１０の第二面１２に取り付けられている。放熱器３０の一部は、第一基板１０の開口部１３を通して回路モジュール２０に接触し又は接続されている。なお、放熱器３０は、必ずしも回路モジュール２０に接触し又は接続されている必要はないが、接触し又は接続されている方がより効率よく放熱を行うことができる。

上記構成において、回路モジュール２０の第一基板１０側で生じた熱は、放熱手段として機能する放熱器３０を介して第一基板１０の第二面１２側から外部へと放散される。

本実施の形態によれば、サーマルバイアホールのような回路モジュール２０を貫通する伝熱手段を設けることなく、回路モジュール２０の熱、特に第一基板１０側で生じた熱を効率良く放熱することができる。これにより、回路モジュールの構成を簡略化しコスト低減を実現するとともに、設計の自由度を向上させることができる。なお、第一基板１０は、通常、回路モジュール２０に比べてその平面サイズが著しく大きく、また配線密度も低いので、第一基板１０に開口部１３を形成することによる影響は、回路モジュール２０にサーマルバイアホールを形成する場合に比べて小さい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る電子機器について詳細に説明する。

図２は、本実施形態に係る電子機器であるアクティブフェーズドアレイアンテナ（以下、単にアンテナと称する）の部分断面図である。ここで、第１の実施形態と同一の又は対応する構成要素には、同一の参照符号を付すものとする。

図示のアンテナは、第一基板１０と、第一基板１０の第一面１１上に搭載された複数の回路モジュール２０と、第一基板の第二面１２に取り付けられた放熱器３０とを有している。

第一基板１０は、プリント基板である。本明細書において、“プリント基板”の語は、セラミック基板以外の基板、特にセラミック基板よりも安価な基板を意味する。プリント基板は、例えば、ガラスエポキシ基板であるが、これに限定されない。

第一基板１０には、回路モジュール２０の搭載位置に対応する位置に、第一面から第二面にまで貫通する開口部１３が形成されている。開口部１３の開口面積は、回路モジュール２０の専有面積よりも狭く、回路モジュール２０のＩＣ搭載領域よりも広い。

第一基板１０は、図示しない１以上の配線層を含んでいる。第一基板は、２以上の配線層を含む多層配線基板であってよい。第一基板１０の第一面には、配線層に接続されるとともに回路モジュール２０に接続される複数のバンプ１４が形成されている。また、第一基板１０の第一面１１又は第二面には、外部接続用のコネクタ（図４、図７参照）が形成されている。

回路モジュール２０は、セラミック多層基板２１と、その一面（第一面）の所定領域（ＩＣ搭載領域）に搭載された半導体ＩＣ２２，２３と、他面（第二面）に設けられたアンテナ素子２４とを含むアンテナモジュールである。

セラミック多層基板２１は、内部配線としてグランド線２５と、電源（ＤＣ：Direct Current）線２６と、図示しない信号線を有している。

半導体ＩＣ２２，２３は、セラミック多層基板２１の一面に規定されたＩＣ搭載領域にフリップチップ実装される。すなわち、半導体ＩＣ２２，２３は、セラミック多層基板２１の内部配線にバンプ２７を介して接続される。

半導体ＩＣ２２は、例えば送信回路であり、半導体ＩＣ２３は、例えば最終段電力増幅器である。半導体ＩＣ２２は、送受信回路であってもよく、受信回路であってもよい。半導体ＩＣ２２が送信回路の場合、ミキサー、移相器、分配器、アンプ及びＰＬＬ（Phase Looked Loop）等の送信回路を構成する要素を１チップに集積したものとすることができる。また、半導体ＩＣ２２が受信回路の場合、ミキサー、移相器、合成器、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）及びＰＬＬ等の受信回路を構成する要素を１チップに集積したものとすることができる。半導体ＩＣ２２が送受信回路の場合には、送信回路を構成する要素と受信回路を構成する要素とを１チップに集積したものとすることができる。また、半導体ＩＣ２３が電力増幅器である場合には、ＧａＮを用いてＩＣを作製してもよいし、ＧａＡｓを用いてＩＣを作製してもよい。

本実施の形態では、半導体ＩＣの数が二つの場合を例示したが、半導体ＩＣの数は、一つであっても三つ以上であってもよい。また、セラミック多層基板２１のＩＣ搭載領域には、半導体ＩＣ以外の回路素子が設けられてもよい。さらにまた、本実施の形態では、半導体ＩＣ２２，２３をバンプ２７によりセラミック多層基板２１の内部配線に接続する例を示したが、ボンディングワイヤ等を用いてもよい。

アンテナ素子２４は、セラミック多層基板２１の内部配線を介して半導体ＩＣ２２，２３に接続される。図ではアンテナ素子２４は一つであるが、各回路モジュール２０に複数のアンテナ素子が設けられてよい。その場合、複数のアンテナ素子２４は、セラミック多層基板２１の第一面上に所定の間隔（等間隔もしくは不等間隔）で配列させることができる。

このように、回路モジュール２０は、アンテナと送（受）信回路とが一体化されたアンテナモジュールを構成する。セラミック多層基板２１を用いることで、回路モジュール２０は、高い周波数の信号に対して、良好な周波数特性（損失特性）を示す。また、回路モジュール２０と第一基板１０と組み合わせることで、必要な配線をすべてセラミック多層基板２１に形成する場合に比べてコストを削減することができる。

回路モジュール２０は、アンテナ素子２４が形成された面（第二面）を外側へ向け、半導体ＩＣ２２，２３が搭載された面（第一面）を第一基板１０に向けて第一基板１０の第一面１１上に搭載される。このとき、半導体ＩＣ２２，２３が第一基板１０の開口部１３内に位置するようにする。なお、半導体ＩＣ２２，２３は、開口部１３と重なる位置にあればよく、必ずしも開口部１３の内部に位置する必要はない。例えば、半導体ＩＣ２２，２３が、セラミック多層基板２１に形成されたキャビティ内に配置されているような場合には、半導体ＩＣ２２，２３は、開口部１３外に位置することになる。

放熱器３０は、半導体ＩＣ２２，２３からの熱を第一基板１０の第二面側から外部へ放散させる放熱手段として機能する。図では、半導体ＩＣ２２，２３と放熱器３０との間に隙間があるが、放熱器３０の形状を工夫することでこれらを直接接触（又は接続）させたり、これらの間に伝熱部材を配置して間接的に接触（又は接続）させたりすることが望ましい。そのようにすることで、半導体ＩＣ２２，２３から放熱器３０へ効率良く熱を伝えることができる。

以上の構成において、半導体ＩＣ２２，２３に生じた熱は、放熱器３０により、第一基板１０の第二面側から外部へ効率良く放散される。

本実施の形態によれば、比較的安価なプリント基板に開口部を形成することにより、比較的高価なセラミック多層基板に複雑な伝熱手段を設けることなく、セラミック多層基板に搭載された半導体ＩＣで発生する熱を、効率良く外部へ放散させることができる。これにより、コストを削減するとともに、セラミック多層基板の配線レイアウトの自由度を向上させることができる。

また、放熱器はアンテナ素子が形成された面とは異なる面に設けられるので、アンテナからの電磁波の放射を妨げることなく放熱を行うことができる。つまり、アンテナからの電磁波の放射を考慮する必要がないので、立体的な大型の放熱器を使用することができる。これにより、平面的なヒートシンクを用いる場合のようにアンテナの平面面積（専有面積）を増大させることなく、放熱効率を高めることができる。また、高い放熱効率を実現できることから、半導体ＩＣに含まれる素子として発熱量の多い高出力増幅器の使用も可能になる。高出力増幅器を備えるフェーズドアレイアンテナは、移動体レーダ装置や航空機等の移動体に搭載される通信衛星装置への利用に適している。

図３乃至図５に実施例１に係る電子機器を示す。

図３に示すように、本実施例では、放熱器３０としてヒートシンク３１を用いた。また、半導体ＩＣ２２，２３とヒートシンク３１との間には、熱伝導シート３２等の伝熱部材を介在させた。これにより、半導体ＩＣ２２，２３の熱を効率良くヒートシンク３１から外部へ放散させることができた。

図４に示すように、各々第二面にそれぞれ９個のアンテナ素子２４が二次元に配列形成された複数の回路モジュール２０が、第一基板１０の第一面１１上に二次元に配列形成されている。第一基板１０の第一面１１には、内部配線に接続された制御信号用コネクタ４１及びＲＦ（Radio Frequency）信号入力用コネクタ４２が形成されている。

ヒートシンク３１は、図４及び図５に示すように、各回路モジュール２０に一対一に対応するように第一基板の第二面１２に設けられている。ヒートシンク３１は、回路モジュール２０に一対一で対応するのみならず、２以上の回路モジュール２０で構成されるグループ毎にヒートシンクを一つずつ設けるようにしてもよい。あるいは、すべての回路モジュール２０に対して一つのヒートシンクを設けてもよい。

ヒートシンク３１は、第一基板１０に形成された開口部１３を覆うように第一基板１０の第一面に接着等により固定され、開口部１３内に露出する半導体ＩＣ２２，２３に伝熱シートを介して接触し又は接続される。

図６乃至図８に実施例２に係る電子機器を示す。

本実施例では、放熱器３０として冷却用配管３３内に冷却水等の冷却液や冷却ガスを循環させる冷却機構を用いた。冷却機構は、冷却用配管３３の他に、図示しない循環ポンプや熱交換器等を備えている。その他の点は、実施例１と同様である。

冷却用配管３３は、一方向に並ぶ回路モジュール２０を一グループとして各グループに一つ設けられた複数の直線部と、これら複数の直線部を連結する屈曲部とを含む。冷却用配管３３は、冷却液等が全回路モジュール２０に対応する開口部１３上を通過するように設けられている。

図６に見られるように、冷却用配管３３と半導体ＩＣ２２，２３との間に隙間が存在する場合には、これらの間の伝熱部材を配置するようにしてもよい。それによって、放熱効率を高めることができる。

図９に実施例３に係る電子機器を示す。

本実施例では、放熱器３０としてヒートパイプ３４を用いた。その他の点は、実施例１と同様である。

図９では、実施例２の冷却用配管３３と同様に全ての開口部１３上を通過するようにヒートパイ３４が設けられている。しかしながら、ヒートパイプ３４は、一方向に並ぶ回路モジュール２０を一グループとして各グループに一つ設けるようにしてもよい。

ヒートパイプ３４の低温部にはヒートシンク等の冷却装置３５が取り付けられる。ヒートパイプ３４を用いることで、ヒートシンク３１を半導体ＩＣに接触させる場合に比べ、より大型の冷却装置３５を使用することが可能となり、放熱効率を高めることができる。

以上、本発明についていくつかの実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変形変更が可能である。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

１０ 第一基板
１１ 第一面
１２ 第二面
１３ 開口部
１４ バンプ
２０ 回路モジュール
２１ セラミック多層基板
２２，２３ 半導体ＩＣ
２４ アンテナ素子
２５ グランド線
２６ 電源線
２７ バンプ
３０ 放熱器
３１ ヒートシンク
３２ 熱伝導シート
３３ 冷却用配管
３４ ヒートパイプ
３５ 冷却装置
４１ 制御信号用コネクタ
４２ ＲＦ信号入力用コネクタ

Claims (10)

1. 回路モジュールと、
   前記回路モジュールの熱を放散させる放熱手段と、
   第一面と第二面とを有し、前記第一面に前記回路モジュールが配置され、前記第二面に前記放熱手段が配置されている第一基板と、を有し、
   前記第一基板は、前記回路モジュールと前記放熱手段との間に開口部を有することを特徴とする電子機器。
2. 前記回路モジュールは、第二基板と、該第二基板の一面上に搭載された集積回路とを含み、前記放熱手段は、前記集積回路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
3. 前記集積回路が前記開口部内に位置するように前記第一基板の前記第一面に搭載されていることを特徴とする請求項２に記載の電子機器。
4. 前記回路モジュールは、前記第二基板の他面に設けられ、前記集積回路に電気的に接続されたアンテナ素子をさらに含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の電子機器。
5. 前記第一基板はプリント基板であり、前記第二基板はセラミック多層基板であることを特徴とする請求項４に記載の電子機器。
6. 前記回路モジュールは、前記アンテナ素子を複数備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の電子機器。
7. アクティブフェーズドアレイアンテナであることを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
8. 前記回路モジュールを複数有し、
   前記開口部は、複数の前記回路モジュールにそれぞれ対応するように複数設けられ、
   前記放熱手段は、複数の前記回路モジュールにそれぞれ対応するように複数設けられている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の電子機器。
9. 前記回路モジュールを複数有し、
   前記開口部は、複数の前記回路モジュールにそれぞれ対応するように複数設けられ、
   前記放熱手段は、２以上の前記回路モジュールを含む１以上のグループにそれぞれ設けられている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の電子機器。
10. 前記放熱手段は、ヒートシンク又はヒートパイプ又は冷却用配管であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載の電子機器。

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