JP2020191316A - 回路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】発熱源から発せられる熱を、低コストで、効率良く外部へ放熱する回路モジュールを得る。【解決手段】高周波モジュール１０は、一主面である実装面に高周波デバイス１を搭載したプリント基板２と、プリント基板２が固定された底面部４ａと垂直に立設された放熱部４ｂとを有する金属筐体４と、プリント基板２と金属筐体４の間に配置され、高周波デバイス１が発する熱を金属筐体４に伝える熱伝導グリス層１２と、を有する。プリント基板２の他主面に、面内方向に熱を拡散する放熱シート３が配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、回路モジュールに関する。

通信装置、レーダー装置などに用いられる高周波モジュールは、小型化、高出力化が進められている。従来、高周波モジュールにはシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などを用いた半導体が搭載されていたが、シリコン、ガリウム砒素と比較して電子の飽和速度が大きい窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた半導体の実用化により、小型で高出力の高周波モジュールの製造が可能となった。

しかし、高周波デバイスの高出力化による高周波デバイスの発熱量の増加、高周波デバイスの小型化による高周波デバイスの発熱密度の上昇により、高周波デバイスからの放熱の困難性が大きくなった。

この問題に対処するため、特許文献１に開示されている高周波モジュールは、開口が設けられた高周波回路基板と、高周波回路基板の開口内に配置された高周波デバイスと、高周波回路基板の下面に配置され、高周波デバイスの下面に接触する金属コアと、高周波デバイスの下方に開口が形成され、金属コアに積層された制御回路基板と、制御回路基板の開口内に突出し、金属コアと接触する突出部を備え、ヒートシンクとして機能する金属筐体と、を有する。

また、特許文献２には、発熱部品が実装され、放熱用厚銅箔層を内層に有し、放熱用の熱伝導性樹脂で充填されたスルーホールが設けられた多層プリント配線基板が開示されている。スルーホールに熱伝導性樹脂を充填することにより、プリント基板の厚み方向の熱伝導率が高くなる。

また、特許文献３には、送受信モジュールと冷却部との間にＬ字形状の高熱伝導部材を配置することにより、送受信モジュールから発せられた熱を低熱抵抗で冷却部に熱輸送するフェーズド・アレイ・アンテナが開示されている。

特開２０１６−１６３３０４号公報 特開２０１２−２３５０３６号公報 特開２０１８−１８６５４２号公報

高周波デバイスを高密度に実装するため、高周波デバイスのパッケージとしては、底面に球形のはんだをアレイ状に並べて端子とするＢＧＡが主流となっている。しかし、下面に端子が形成されているＢＧＡパッケージを、特許文献１に記載の金属コア上に配置することはできない。また、仮に配置したとしても、金属コアとして使用される銅、アルミニウムは、基板面内方向の線膨張係数が半導体素子にくらべて大きいことから、高周波回路基板と半導体素子の線膨張差による熱膨張と収縮の繰り返しによって、はんだにクラックが入り、断線故障が発生する可能性が高くなる。したがって、特許文献１に開示された高周波モジュールにＢＧＡパッケージのデバイスを搭載することが困難である。

また、特許文献２に開示された構成では、発熱部品で発生した熱は、スルーホールを介して、基板反対側方向に伝達されるものの、放熱用厚銅箔層を介して基板面内方向に伝播して、ヒートシンクに到達する必要がある。このため、低熱抵抗での放熱が困難である。

また、特許文献３では、高熱伝導部材は、熱の伝導方向が異なる高熱伝導性材料層を多層化した構造を有する。このため、高価な高熱伝導材料層が多く必要となり、高熱伝導部材の加工も必要となることから、製造が複雑で製造コストが高額になる。

このように、高周波デバイスの高密度実装を実現しつつ、高周波デバイスからの熱を低コストで効率良く放熱することは困難であった。同様の問題は、高周波デバイスに限らず、発熱源が配置された回路に共通に存在する。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、発熱源から発せられる熱を、低コストで、効率良く外部へ放熱させる回路モジュールを得ることを目的とする。

本発明に係る回路モジュールは、一主面に発熱体を搭載した回路基板と、回路基板を支持する筐体と、回路基板の他主面に配置され、面内方向に熱を拡散する放熱シートを備え、発熱体が発する熱を筐体に伝える熱伝導部と、を有する。

面内方向に高い熱伝導性能を有する放熱シートによって、発熱体で発生した熱は、放熱シートで面内方向に拡散してから筐体に伝熱される。これにより、熱抵抗を低下させることができ、熱を、効率良く放熱することができる。

本発明の実施の形態１に係る高周波モジュールの断面図であり、図２のＩ−Ｉ断面図 本発明の実施の形態１に係る高周波モジュールの平面図 図１及び図２に示す高周波デバイスの底面図 図１及び図２に示すプリント基板の表主面の構成図 図１及び図２に示す放熱シートの断面図 本発明の実施の形態２に係る高周波モジュールの断面図

以下、本発明の実施の形態に係る回路モジュールを、アンテナ装置用の高周波モジュールを例に、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る高周波モジュール１０を、図２に示す平面図と図２のＩ−Ｉ線断面図に相当する図１とを参照して説明する。

図示するように、高周波モジュール１０は、高周波デバイス１と、高周波デバイス１が配置されたプリント基板２と、プリント基板２の下面に配置された放熱シート３と、金属筐体４と、ヒートシンクとして機能する冷却構造部６と、金属筐体４の熱を冷却構造部６に伝達する熱伝導材５とを備える。

高周波デバイス１は高周波信号を処理する機能を有した半導体部品であり、動作することにより発熱する発熱体の一例である。本実施の形態においては、高周波モジュール１０は、例えば、アンテナの送信信号又は受信信号を増幅する高周波増幅器を備える。高周波デバイス１は、図３に底面図を示すように、底面中央部に円形の放熱パッド１ａ、その周囲に接続パッドがマトリクス状に配置された構造を有する。各接続パッドは、はんだボール１ｂによりプリント基板２上の対応する接続パッドに接続される。放熱パッド１ａは、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた半導体チップがマウントされたリードフレームと一体に形成され、はんだにより後述する銅インレイ１１に接続される。なお、放熱パッド１ａは、接地され、基準電圧が印加されることが望ましい。

図１及び図２に示すプリント基板２は、回路基板の一例であり、実装面である一主面に高周波デバイス１が配置されている。図４に示すように、高周波デバイス１の表面の配置予定領域に放熱パッド１ａと同一径の開口２ａが形成され、その周囲に、高周波デバイス１の接続パッドに対向する接続パッド２ｂが形成されている。また、プリント基板２の表面、裏面、内部等には、高周波回路を形成するプリント配線が形成され、さらに、信号処理に必要な、抵抗、コンデンサ等の電子部品７が配置されている。

プリント基板２の開口２ａには、銅インレイ１１が配置されている。銅インレイ１１は、熱伝導性の高い銅から、プリント基板２と同一の厚さに形成され、プリント基板２の開口２ａに圧入されている。

銅インレイ１１と高周波デバイス１の放熱パッド１ａとは、図１に示すように、はんだ層１ｃにより接続されている。

放熱シート３は、厚み方向に比べて面内方向に高い熱伝導率をもつ高熱伝導材で形成されている。放熱シート３の面内方向の熱伝導率は、厚さ方向の熱伝導率よりも８０倍以上、望ましくは１５０倍以上、さらに望ましくは３００倍である。放熱シート３の表面は銅めっきされ、放熱シート３の表面と銅インレイ１１は、はんだ層１ｃで接続されている。なお、プリント基板２の他主面である裏面の放熱シート３と対向する部分にははんだ付け用の銅薄膜がプリントされており、放熱シート３がはんだ付けされている。

放熱シート３の裏面は、熱伝導部材である熱伝導グリス層１２により金属筐体４の底面部４ａに接続されている。放熱シート３の面積は、銅インレイ１１の面積より大きく、望ましくは、２倍以上、さらに望ましくは５倍以上である。熱伝導グリス層１２の面積は、放熱シート３の面積と同等以上である。

図５に、放熱シート３の構成例を示す。図５に断面で示すように、放熱シート３は、面内方向に高い熱伝導率をもつグラファイトシート３１の積層体と、これらを包含する銅めっき層３２とを備える。この構成より、厚み方向に比べ、面内方向に高い熱伝導性が得られる。具体的には、グラファイトシート３１は、面内方向に１５００〜１７００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の高い熱伝導率を有しており、厚み方向は積層数によるが、５〜１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率を有する。

プリント基板２の裏面に形成されたはんだ層、放熱シート３、熱伝導グリス層１２は、発熱体である高周波デバイス１で発生した熱を金属筐体４に伝える伝導部を構成する。

金属筐体４は、アルミニウム、銅などの高伝熱性の金属を含む材料から形成された筐体である。金属筐体４は、プリント基板２に平行な底面部４ａと、底面部４ａに対し垂直方向に立設された放熱部４ｂを備える。

底面部４ａは、プリント基板２を支持するための部材である。プリント基板２は、ねじ１３により、底面部４ａに形成された支持部４ｃに固定される。底面部４ａは、熱伝導グリス層１２を介して高周波デバイス１から伝達された熱を放熱部４ｂに伝達する機能も備える。

放熱部４ｂは、底面部４ａから伝達された熱を冷却構造部６に伝達するための部材である。放熱部４ｂを立設することにより、金属筐体４の占有面積を抑えつつ冷却構造部６との接触面積を大きく確保することが可能となる。

冷却構造部６は、金属材料から形成され、内部には冷媒の流路を備え、熱を冷媒に伝達し、放熱する。冷却構造部６と金属筐体４の放熱部４ｂの間には、熱伝導材５が配置され、放熱部４ｂに伝達された熱を冷却構造部６に伝達する。

冷却構造部６の高周波モジュール１０と反対面側にはアンテナ部２２が形成されている。アンテナ部２２は多数の素子アンテナを備える。１つのアンテナに高周波モジュール１０が複数台並んで接続されている。冷却構造部６には、高周波デバイス１とアンテナ部２２とを電気的に接続するための貫通穴が存在し、この貫通穴を介して、素子アンテナと高周波モジュール１０とは接続されている。

高周波モジュール１０の動作を説明する。
高周波モジュール１０は、例えば、送信信号を変調及び増幅して、アンテナ部２２に供給し、アンテナ部２２に配置されたアンテナより放射する。
また、高周波モジュール１０は、例えば、アンテナ部２２のアンテナで受信した信号を周波数変換、復調、増幅して、外部回路に出力する。

このような信号処理動作の過程で、高周波デバイス１は、発熱する。以下、高周波モジュール１０の熱的性能について説明する。

高周波デバイス１で発生した熱は、高周波デバイス１の放熱パッド１ａにはんだで接続された銅インレイ１１を介して、プリント基板２裏面に伝熱される。高周波デバイス１と熱伝導率の高い銅インレイ１１が接続されることで、高周波デバイス１で発生した熱は、低い熱抵抗でプリント基板の裏面まで伝熱される。

プリント基板２裏面に伝熱された熱は、プリント基板裏面と接続する放熱シート３に伝熱される。放熱シート３は、その厚さ方向と比較して面内方向の熱伝導率が格段に高いため、放熱シート３に伝熱された熱は、放熱シート３の面内方向に拡散される。これにより、プリント基板２の裏面の局所的な温度上昇を抑制でき、プリント基板２と金属筐体４との間の熱抵抗を下げることができる。放熱シート３によって拡散された熱は、熱伝導グリス層１２を介して金属筐体４に伝熱される。

ここで、放熱シート３を備えない場合と放熱シート３を備える場合における、プリント基板２と金属筐体４との間の熱抵抗の違いについて説明する。熱抵抗Ｒは以下の数式で計算できる。
Ｒ（Ｋ／Ｗ）＝Ｌ／（λ＊Ｓ)

ここで、Ｒ：熱抵抗（Ｋ／Ｗ）、Ｌ：熱経路の距離(ｍ)、λ：熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｓ：熱経路の断面積(ｍ^２)。

放熱シート３を備えない場合、高周波デバイス１は、はんだ及びプリント基板２に充填された銅インレイ１１を介して、熱伝導グリス層１２に熱接続される。例えば、銅インレイ１１の直径が５ｍｍ、プリント基板２と金属筐体４の間隔を１００μｍとすると、熱経路として有効な熱伝導グリス層１２は直径５ｍｍで、高さ１００μｍの円柱形状となる。熱伝導グリス層１２の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋとすると、この場合の熱抵抗Ｒは１．７（Ｋ／Ｗ）となる。

高周波デバイス１の発熱が１０Ｗとすると、放熱シート３を取り付けない実施の形態の場合の温度上昇は１７Ｋとなる。

放熱シート３を備える場合、高周波デバイス１で発生した熱は、はんだ及び銅インレイ１１を介して放熱シート３に運ばれ、放熱シート３の面内方向の熱伝導性により、拡散される。放熱シート３の外形は、１辺が１０ｍｍの正方形とし、熱経路の距離は放熱シート３を取り付けない実施の形態の場合と同様に１００μｍとして、熱抵抗を概算すると、実施の形態１における熱抵抗は０．３３（Ｋ／Ｗ）となる。

高周波デバイス１の発熱が１０Ｗとすると、熱経路での温度上昇は３．３Ｋとなり、放熱シート３を取り付けない場合の温度上昇と比較して、１３．７Ｋ低下する効果を得ることができる。

放熱シート３の厚みによって熱の拡散性能に差が出るが、面内方向に１５００〜１７００Ｗ／ｍ・Ｋといった高い熱伝導率のグラファイト系材料等を用いれば、厚みは２０〜３０μｍで十分な熱拡散能力を有する。

なお、熱伝導グリス層１２の熱経路の距離Ｌを小さくすることでも熱抵抗を小さくし、温度上昇を抑えることが可能である。しかしながら、この距離を小さくしすぎると、温度変化の繰り返しにより、金属筐体４、プリント基板２が膨張収縮を繰り返し、熱伝導グリス層１２が抜けてしまうポンプアウト現象が起きやすくなる。そこで、熱伝導グリス層１２のポンプアウト現象の発生を抑制するためには一定の厚みを有することが必要となる。実験によれば、ポンプアウト現象を避ける観点からは、熱経路の距離Ｌは、５０μｍ以上が望ましく、８０μｍ以上がより望ましい。したがって、上記の効果試算では熱伝導グリス層１２の熱経路の距離Ｌを１００μｍとしている。

このように、プリント基板２の裏面に面内方向に高い熱伝導率を持つ放熱シート３を設置することにより、高周波デバイス１で発生した熱は、放熱シート３にて熱拡散されてから、熱伝導グリス層１２を介して金属筐体４の底面部４ａに伝熱される。これにより、プリント基板２の裏面の局所的な温度上昇を抑制でき、プリント基板２と金属筐体４との間の熱抵抗を下げ、高周波デバイス１の温度上昇を防ぐことができる。

金属筐体４に伝熱された熱は、金属筐体４の放熱部４ｂから熱伝導材５を介して、冷却構造部６に伝熱される。冷却構造部６に伝熱された熱は、冷却構造部６内部の冷媒によって熱輸送されて冷却される。

（実施の形態２）
上記実施の形態においては、放熱シート３をプリント基板２と金属筐体４の底面部４ａとの間に配置したが、その配置位置は任意である。以下、放熱シート３の変形例を備える実施の形態２に係る高周波モジュール１０Ａを説明する。

図６に示すように、本実施の形態の放熱シート３Ａは、熱伝導材５を介して冷却構造部６と接続する熱接続部２３を備える。放熱シート３の熱接続部２３と冷却構造部６を熱接続することで、放熱シート３から冷却構造部６に直接熱を伝熱させることができる。これにより、高周波モジュール１０Ａは、実施の形態１で説明した熱経路に加えて、放熱シート３Ａから直接冷却構造部６までの熱経路を持つことになるため、高周波デバイス１から冷却構造部６までの熱抵抗を実施の形態１よりも下げることができる。従って、さらなる高発熱なデバイスを搭載するような高出力な高周波モジュールに対して有効である。

放熱シート３Ａの構成は、図３に例示した構成と同一でよい。この場合、放熱シート３Ａのめっきを含めた厚みは３０〜４０μｍであり、放熱シート３Ａを自在に変形し、折り曲げることができ、放熱シート３Ａを必要な形状に加工することができる。

また、放熱シート３Ａの熱接続部２３は、金属筐体４の放熱部４ｂの放熱面と熱接続部２３をエポキシ接着剤で点接着することで仮止めした後、金属筐体４の放熱部４ｂを冷却構造部６に押し付ける力で取り付けることができる。これにより、放熱シート３Ａの熱接続部２３は、金属筐体４の放熱部４ｂと熱伝導材５に挟まれて、固定される。

（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２におけるプリント基板２と放熱シート３、３Ａは、はんだではなく、高熱伝導接着剤を用いて接続しても良い。プリント基板２の実装面と反対の面に部品がなく、プリント基板２の実装面にのみデバイス、その他の部品を実装する場合は、プリント基板２と放熱シート３の接続に高熱伝導接着剤が用いられることによって、リフロー工程を削減することができる。

この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施の形態においては、発熱素子として、高周波デバイス１を示したが、例えば、所謂パワー半導体などの大電力デバイス等でもよい。

薄い円柱状の銅インレイ１１を例示したが、材質は銅、アルミニウムなどの高熱電性の材料であればなんでもよい。また、平面形状は、円形に限定されず、楕円でも、方形でもよい。

高周波デバイス１として、放熱パッド１ａを有する例を示したが、放熱パッドを備える必要はない。高周波デバイス１のパッケージとして、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）タイプのものを例示したが、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）タイプ、ＤＩＰ（Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）タイプ等への適用も可能である。

回路基板として、プリント基板２を例示したが、電気・電子回路を形成可能ならばその構造は任意である。

１ 高周波デバイス、１ａ 放熱パッド、１ｂ はんだボール、１ｃ はんだ層、２ プリント基板、２ａ 開口、２ｂ 接続パッド、３、３Ａ 放熱シート、４ 金属筐体、５ 熱伝導材、６ 冷却構造部、７ 電子部品、１０、１０Ａ 高周波モジュール、１１ 銅インレイ、１２ 熱伝導グリス層、１３ ねじ、２２ アンテナ部、２３ 熱接続部、３１ グラファイトシート、３２ 銅めっき層、４ａ 底面部、４ｂ 放熱部、４ｃ 支持部。

Claims (8)

1. 一主面に発熱体を搭載した回路基板と、
   前記回路基板を支持する筐体と、
   前記回路基板の他主面に配置され、面内方向に熱を拡散する放熱シートを備え、前記発熱体が発する熱を前記筐体に伝える熱伝導部と、
   を有する回路モジュール。
2. 前記放熱シートは、厚み方向に比べて面内方向に８０倍以上の熱伝導率を有する、
   請求項１に記載の回路モジュール。
3. 前記放熱シートは、グラファイトシートの積層体と表面を覆う銅めっき層とを備える、
   請求項１又は２に記載の回路モジュール。
4. 前記回路基板は、前記発熱体直下に開口を有し、
   前記開口内に熱伝導性のインレイが配置されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の回路モジュール。
5. 前記放熱シートの面方向の面積は、前記インレイの面方向の面積の２倍以上である、
   請求項４に記載の回路モジュール。
6. 前記筐体は、金属から形成され、前記回路基板を支持する底面部と、前記底面部に立設された放熱部とを有し、
   前記放熱シートが、前記放熱部の放熱面に接続された熱接続部を備える、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の回路モジュール。
7. 前記回路基板の他主面と、前記放熱シートとが、はんだ又は熱伝導接着剤により接着される、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の回路モジュール。
8. 前記放熱シートと前記筐体とは、熱伝導グリス層により接続され、前記熱伝導グリス層は、５０μｍ以上の厚さを有する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の回路モジュール。

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