JP2019161480A - アンテナモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】サーマルビアによる冷却力によってキャビティ基板の段数が制限されることのないようにする。【解決手段】本実施形態に係るアンテナモジュール100は、表面にアンテナ素子が実装され、裏面に金属層が形成されるコア基板と、コア基板の裏面に実装され、キャビティ部が形成されている1または2以上のキャビティ基板と、キャビティ基板の裏面に形成される冷却層と、金属層と冷却層とを熱的に接続する金属プレートと、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、アンテナモジュールに関する。
回路規模が大きいアンテナモジュールを小型化するために、複数のキャビティ基板を積層構造に組み立てる場合がある。キャビティ基板とは、回路配線基板の一部をくりぬいたキャビティ部が形成されている基板である。キャビティ部に電子部品を実装することにより、アンテナモジュールの部品高さを低くすることができる。
アンテナモジュールでは、他のキャビティ基板によって電波が遮蔽されないようにするため、最上層のキャビティ基板にアンテナ素子を実装する必要がある。発熱量の大きい部品にヒートシンクを設け、放熱効果を高める技術が知られている。しかし、アンテナモジュールの場合、電波が遮蔽されるのでアンテナ素子にヒートシンクを取り付けることはできない。
発熱量が大きいアンテナ素子が実装されている最上層のキャビティ基板から最下層のキャビティ基板まで貫通するサーマルビアを複数設け、アンテナ素子の発した熱を最下層のキャビティ基板までサーマルビアで熱伝導させ、アンテナモジュールを実装している放熱板にアンテナ素子が発した熱を放熱する方法もある。
特開2001−85804号公報
しかし、サーマルビアに依存した放熱方法の場合、キャビティ基板の段数が増すにしたがって、サーマルビアの長さが長くなり、放熱特性が悪くなる。したがって、キャビティ基板の段数が制限されることになる。
本発明は、上述の事情の下になされたもので、キャビティ基板の段数が制限されることのないアンテナモジュールを提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本実施形態に係るアンテナモジュールは、表面にアンテナ素子が実装され、裏面に金属層が形成されるコア基板と、コア基板の裏面に実装され、キャビティ部が形成されている1または2以上のキャビティ基板と、キャビティ基板の裏面に形成される冷却層と、金属層と冷却層とを熱的に接続する金属プレートと、を備える。
実施形態1に係るアンテナモジュールの斜視図である。 実施形態1に係るアンテナモジュールの断面図である。 実施形態1に係るキャビティ基板の断面図である。 実施形態1に係るアンテナモジュールの回路を模式的に示す図である。 変形例1に係るアンテナモジュールの回路を模式的に示す図である。
(実施形態1)
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態1に係るアンテナモジュール100は、例えば、マイクロ波を用いたレーダシステムに用いられるアンテナモジュールである。本実施形態では、アンテナモジュール100を構成するキャビティ基板が3段に積層されている場合について説明する。
図1は、実施形態1に係るアンテナモジュール100の斜視図である。図2は、実施形態1に係るアンテナモジュール100の断面図である。図1及び図2に示すように、実施形態1に係るアンテナモジュール100は、メタルコア基板(コア基板ともいう)20、複数のキャビティ基板30A,30B,30C、冷却層40、金属プレート50を備える。
メタルコア基板20は、配線基板21と金属層22を備える。配線基板21は、エポキシ樹脂等で形成されている絶縁層と、絶縁層の表裏両面に設けられた信号配線、電源配線、アース配線等を形成する導体層とを有している。配線基板21の表面には、アンテナ素子201が実装されている。
金属層22は、配線基板21の裏面に設けられている。金属層22は、銅、アルミニウム等で形成されている。金属層22は、アンテナ素子201が発した熱を金属層22全体に伝導させて放熱するとともに、金属プレート50に伝導させる。また、金属層22は、キャビティ基板30A,30B,30Cに実装されているIC(Integrated Circuit)、抵抗、コンデンサ等の電子部品202から輻射される電磁波を遮蔽する。
金属層22には、周囲が絶縁されているスルーホール導体(図示しない)が形成されている。アンテナ素子201は、このスルーホール導体を介してキャビティ基板30Aに実装されている電子部品202に接続される。
キャビティ基板30A,30B,30Cは、回路配線基板の一部をくりぬいたキャビティ部が形成されている基板である。図3を参照して、キャビティ基板30Aについて詳細に説明する。
図3は、実施形態1に係るキャビティ基板30Aの断面図である。図3に示すように、キャビティ基板30Aは、複数の配線層31〜36を備えている。配線層31〜36は、エポキシ樹脂等で形成されている。各配線層の両面には、導体層301〜307が形成されている。導体層301〜307は、信号配線、電源配線、アース配線等を形成している。
図3に示すように、配線層34〜36の一部がくりぬかれてキャビティ部を形成している。キャビティ部には、IC、抵抗、コンデンサ等の電子部品202が実装されている。導体層301〜303に形成された信号配線、電源配線、アース配線等は、スルーホール導体310を用いて結線されている。また、導体層301〜307を貫通するスルーホール導体によりサーマルビア320が形成されている。キャビティ基板30B,30Cも、キャビティ基板30Aと同様の構成を有している。
キャビティ基板30A,30B,30Cに形成されたサーマルビア320は相互に接続されている。サーマルビア320は、メタルコア基板20の金属層22と冷却層40とを接続している。サーマルビア320は、アンテナ素子201が発した熱及びキャビティ基板30A,30B,30C内の熱を冷却層40に伝導する効果を有している。また、サーマルビア320は、キャビティ基板30A,30B,30Cに実装されている電子部品202から輻射される電磁波を遮蔽する効果を有している。
金属プレート50は、銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属で形成されている。金属プレート50は、金属層22と冷却層40とに接続されている。金属プレート50は、金属層22の熱を冷却層40に伝導する。金属プレート50は、キャビティ基板30A,30B,30Cから離れるように実装されている。したがって、金属プレート50とキャビティ基板30A,30B,30Cの間には、図4に示すように、間隙51が形成されている。図4は、実施形態1に係るアンテナモジュール100の回路を模式的に示した図である。間隙51は、キャビティ基板30A,30B,30C内の熱が金属プレート50に伝導することが抑制する。したがって、アンテナ素子201が、キャビティ基板30A,30B,30C内の熱の影響を受けにくい構造になっている。
冷却層40は、銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属で形成されている。冷却層40は、キャビティ基板30Cの裏面に接触して形成されている。冷却層40は、放熱板500の上に実装される。放熱板500は、銅やアルミニウム等で形成された金属プレート等である。金属プレートは、アンテナモジュールを実装する基板の導体層を用いて形成されていてもよい。冷却層40は、金属プレート50を介して伝導された熱を放熱板500に放熱する。
冷却層40には、周囲が絶縁されているスルーホール導体(図示しない)が形成されている。アンテナモジュール100の信号配線は、このスルーホール導体を介して放熱板500に設けられている信号配線に接続される。
次に、アンテナモジュール100の製造方法について図4を参照して説明する。最初にメタルコア基板20を製造する。メタルコア基板20は、金属層22の上に配線基板21をプレスで接着する。もしくは、配線基板21と金属層22とを熱伝導性接着剤等で接着して製造する。配線基板21の表面にアンテナ素子201を実装する。次に、キャビティ基板30A,30B,30Cを製造する。キャビティ基板30A,30B,30Cは、配線層と導体層とを順次に接着して形成していく。キャビティ基板30A,30B,30Cそれぞれには電子部品202を実装する。
メタルコア基板20及びキャビティ基板30A,30B,30Cを製造した後、メタルコア基板20及びキャビティ基板30A,30B,30Cを一体化することによりアンテナモジュール100を組み立てる。具体的には、図3に示すキャビティ基板30A,30B,30Cの対応するスルーホール導体310及びサーマルビア320を半田、導電性接着剤等で電気的に接続して、キャビティ基板30A,30B,30Cを結合する。同様にして、メタルコア基板20とキャビティ基板30Aとを半田、導電性接着剤等で電気的に接続する。
次に、メタルコア基板20と金属プレート50とを熱伝導性接着剤等で熱的に接続する。次に、金属プレート50と冷却層40とを熱伝導性接着剤等で熱的に接続する。また、キャビティ基板30Cと冷却層40に設けられた信号配線用のスルーホール導体を半田、導電性接着剤等で電気的に接続する。これにより、複数のキャビティ基板30A,30B,30Cを有するアンテナモジュール100が完成する。
次に、アンテナモジュール100の放熱について図4を参照して説明する。アンテナ素子201が発した熱は、配線基板21を介して金属層22に伝導される。金属層22に伝導した熱は、金属プレート50に伝導される。金属プレート50に伝導された熱は、冷却層40に伝導され、放熱板500に放熱される。
図4に示すように、金属プレート50とキャビティ基板30A,30B,30Cの間には、間隙51が形成されている。間隙51は、キャビティ基板30A,30B,30C内の熱が金属プレート50に伝導することを抑制している。アンテナ素子201の特性は、温度の影響により変化しやすい。間隙51を設けることにより、キャビティ基板30A,30B,30Cの熱によるアンテナ素子201の特性劣化が低減される。
(変形例1)
実施形態1の説明では、アンテナモジュール100の4つの側面に金属プレート50を設ける場合について説明した。他の実施形態としては、アンテナモジュール100の4つの側面の1面のみに金属プレート50を設けるようにしてもよい。また、アンテナモジュール100の4つの側面の2面もしくは3面に金属プレート50を設けるようにしてもよい。金属プレート50を配置する面を削減することにより、アンテナモジュール100の体積を小さくすることができる。
例えば、金属プレート50による遮蔽効果を期待する必要が無い場合には、アンテナモジュール100の4つの側面を金属プレート50で覆わなくてもよい場合がある。具体的には、キャビティ基板30A,30B,30Cを貫通するサーマルビア320をキャビティ基板30A,30B,30Cの周囲に密に配置することにより十分な遮蔽効果を得られる場合である。このような場合、放熱に必要な側面のみに金属プレート50を設けるようにする。
また、上記の説明では、アンテナモジュール100の側面の全面を金属プレート50で覆う場合について説明をした。しかし、アンテナモジュール100の側面の全面を金属プレート50で覆うように限定する必要はない。例えば、金属プレート50を格子状もしくは、網目状に形成してもよい。また、金属プレート50の一部に穴を設けるようにしてもよい。例えば、強勢空冷機能を有する装置の場合、金属プレート50に空気穴を有することにより冷却効果が上がる場合もある。金属プレート50に空気穴を設ける場合も、金属プレート50による放熱効果と金属プレート50に穴を設けることによる空調効果とのバランスをとることが望ましい。また、金属プレート50に穴を設ける場合には、遮蔽効果についても考慮することが望ましい。
(変形例2)
変形例2に係るアンテナモジュール100は、図5に示すように、金属プレート50がキャビティ基板30A,30B,30Cの周囲に接触している。つまり、金属プレート50とキャビティ基板30A,30B,30Cの間には、間隙51が形成されていない。キャビティ基板30A,30B,30Cは、エポキシ樹脂等の熱伝導率が比較的高い素材で形成されている。キャビティ基板30A,30B,30Cの側面と金属プレート50とを接触させることにより、キャビティ基板30A,30B,30C内の熱を金属プレートを介して放熱させることができる。熱伝導率を高めるために、キャビティ基板30A,30B,30Cの側面と金属プレート50とを熱伝導性接着剤等で熱的に接続するようにしてもよい。このような構造にすることにより、アンテナモジュール100全体を効率的に冷却することができる。例えば、上層のキャビティ基板30Aに実装されている電子部品202の発熱量が比較的小さく、アンテナ素子201に対する熱的影響が小さい場合、有効な構成である。
以上説明したように、本実施形態に係るアンテナモジュール100は、メタルコア基板20に形成されている金属層22と冷却層40とを熱的に接続する金属プレート50を備える。これにより、アンテナモジュール100は、金属層22、金属プレート50、冷却層40を介して、アンテナ素子201が発した熱を放熱板500に放熱することができる。
金属プレート50が無い場合、金属層22と冷却層40とは、サーマルビア320のみで接続されることになる。サーマルビア320の1個の断面積は小さい。したがって、キャビティ基板の段数が増えて金属層22と冷却層40とが離れるにしたがって、熱伝導率が悪くなる。サーマルビア320を介してアンテナ素子201の熱を十分に放熱できない場合、アンテナ素子201の温度が上昇し、アンテナ素子201の特性劣化を招くことになる。
金属プレート50の熱伝導率は高いので、キャビティ基板の段数が増えて金属プレート50の長さが長くなっても、熱伝導率の劣化は極めて小さい。したがって、金属プレート50を有するアンテナモジュール100では、キャビティ基板の段数が制限されることのない。
また、金属プレート50は、キャビティ基板30A,30B,30Cが形成する4つの側面を覆うように形成されている。これにより、アンテナモジュール100は、キャビティ基板30A,30B,30Cに実装された電子部品202及び信号配線からアンテナモジュール100の外に輻射される電磁波を低減することができる。
なお、上記の説明では、キャビティ基板が3段の場合について説明したが、キャビティ基板の段数を制限することはない。例えば、キャビティ基板の段数を1段、5段、10段としてもよい。
また、上記の説明では、1個のキャビティ部を有するキャビティ基板を複数積み重ねる場合について説明した。しかし、キャビティ基板の構造を制限する必要はない。キャビティ基板内に複数のキャビティ部が形成されていてもよい。例えば、3×3のマトリクス状にキャビティ部が形成されていてもよい。
また、アンテナモジュール100を放熱板500上に複数実装する場合、複数のアンテナモジュール100の冷却層40を一体に形成してもよい。つまり、1枚の冷却層40に積層されたキャビティ基板を複数実装してもよい。
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100 アンテナモジュール
20 メタルコア基板
21 配線基板
22 金属層
30A〜30C キャビティ基板
31〜36 配線層
40 冷却層
50 金属プレート
51 間隙
201 アンテナ素子
202 電子部品
301〜307 導体層
310 スルーホール導体
320 サーマルビア
500 放熱板

Claims (5)

  1. 表面にアンテナ素子が実装され、裏面に金属層が形成されるコア基板と、
    前記コア基板の裏面に実装され、キャビティ部が形成されている1または2以上のキャビティ基板と、
    前記キャビティ基板の裏面に形成される冷却層と、
    前記金属層と前記冷却層とを熱的に接続する金属プレートと、
    を備えるアンテナモジュール。
  2. 前記金属プレートは、前記キャビティ基板が形成する4つの側面の少なくとも1つの面を覆うように形成されている、
    請求項1に記載のアンテナモジュール。
  3. 前記金属プレートは、前記キャビティ基板が形成する4つの側面の少なくとも1つの面の一部を覆うように形成されている、
    請求項1に記載のアンテナモジュール。
  4. 前記金属プレートは、前記キャビティ部と離れて形成されている、
    請求項1から3の何れか一項に記載のアンテナモジュール。
  5. 前記金属プレートは、前記キャビティ部と接触して形成されている、
    請求項1から3の何れか一項に記載のアンテナモジュール。
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