JP3410398B2 - 電力増幅モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話などの通
信機器に用いられる電力増幅モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話をはじめとする通信機器
の普及により、マイクロ波帯の電力増幅モジュールの需
要が高まっている。この種の電力増幅モジュールは、例
えば、National Technical Report Vol. 42 No.1 Feb.1
966 の第１０１頁〜１０９頁に記載されているよう
に、基板に、電力増幅用半導体チップ及び受動回路部品
を搭載して、モジュール化した構造を有する。このよう
に、この種の電力増幅用モジュールは、電力増幅用半導
体チップ及び前記半導体とチップを用いた高周波電力増
幅回路から構成されるので、通信機に用いられる部品の
中で、最も電力消費量の多い部品であり、放熱性が極め
て重要な技術的改善項目になる。

【０００３】具体的には、半導体チップには、数百ｍＡ
から１．５Ａ程度の電流が流れるため、発熱する。発生
した熱を何らかの放熱手段によって放散しないと、半導
体のチャネル温度の上昇につながり、オン抵抗が上昇
し、熱暴走に至り、ひいては、半導体チップが破損す
る。

【０００４】電力増幅モジュールにおける放熱性を改善
する手段として、上記文献には、基板として、熱伝導の
良好な窒化アルミニウムを用いる方法、及び、アルミナ
基板にキャビティを設け、キャビティ内において、基板
の面上に半導体チップを搭載する方法を開示している。

【０００５】しかし、基板として、窒化アルミニウム基
板を用いる方法は、同文献にも記載されているように、
基板価格が高いという難点がある。

【０００６】アルミナ基板にキャビティを設け、キャビ
ティ内において、基板の面上に半導体チップを搭載する
方法は、窒化アルミニウム基板を用いる方法の難点を解
消しようとするものである。

【０００７】しかし、アルミナ基板は、所詮、誘電体材
料であるため、放熱性は、銅などの金属には、遠く及ば
ない。これを補う手段として、誘電体層の厚みを極力薄
くするなどの工夫がなされていたが、この場合には、基
板の構成が複雑になるばかりでなく、基板材質や構造が
限定されることにもなる。そして、基板材質や構造が限
定される関係上、形状の小型化が進展するにつれて、半
導体チップの放熱性能に限界も生じることになる。

【０００８】しかも、キャビティ内にワイヤーボンディ
ング実装用の段差を設けなければならないため、基板の
構成が複雑になる。更に、キャビティ内で半導体チップ
のボンディング作業を行う必要があるため、実装作業性
が悪い等の問題点も生じる。

【０００９】別の放熱性改善手段として、キャビティ内
において半導体チップを支持する基板に、ビアホール
（放熱用貫通孔）を設ける構造も知られているが、十分
な放熱性を確保することができない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、シン
プルな構成で、放熱性に優れた電力増幅モジュールを提
供することである。

【００１１】本発明のもう一つの課題は、形状が小型
で、放熱性に優れた電力増幅モジュールを提供すること
である。

【００１２】本発明の更にもう一つの課題は、実装組立
が容易で、放熱性に優れた電力増幅モジュールを提供す
ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係る電力増幅モジュールは、少なくとも
１枚の基板と、半導体チップと、金属ブロックとを含
む。

【００１４】前記基板は、面内に切り抜き部を有してお
り、前記金属ブロックは、前記基板の前記切り抜き部内
に配置されている。前記半導体チップは、前記金属ブロ
ックの表面に実装されている。

【００１５】上述したように、本発明に係る電力増幅モ
ジュールでは、半導体チップが金属ブロックの表面に実
装されているから、半導体チップに発生した熱を、金属
ブロックを通して放熱できる。金属ブロックは、アルミ
ナ等と比較して、著しく熱伝導度の優れた金属材料を用
いて構成され得る。このため、放熱性の極めて優れた電
力増幅モジュールが得られる。

【００１６】しかも、基板は面内に切り抜き部を有して
おり、金属ブロックはこの基板の切り抜き部内に配置さ
れている。このため、シンプルな構成で、放熱性に優れ
た電力増幅モジュールを得ることができる。また、金属
ブロックを基板の切り抜き部内に配置し、金属ブロック
の表面に半導体チップを実装する構造であるので、実装
組立が容易である。

【００１７】更に、金属ブロックの表面を、基板の表面
と位置合わせすることが容易であり、半導体チップのボ
ンディング作業を、段差のない表面で行うことができる
ため、実装作業が極めて容易になる。

【００１８】具体的な一態様として、基板は、金属ブロ
ックの表面と対向する面側に、誘電体層を有していても
よい。この場合、前記誘電体層は、少なくとも一面側に
導体パターンを有し、前記導体パターンは前記誘電体層
よりも厚い構成とする。この構造によれば、誘電体層に
よる放熱性の影響を限りなく小さくするとともに、薄型
化を図ることができる。

【００１９】更に別の態様として、金属ケースを含み、
前記金属ケースを、前記金属ブロックの前記表面と対向
する面側で、前記金属ブロックに熱結合させてもよい。
この場合には、金属ケースを含む放熱体を構成し、放熱
特性を一層改善することができる。

【００２０】本発明の他の目的、構成及び利点について
は、実施例である添付図面を参照して更に具体的に説明
する。図は、単なる例示に過ぎない。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る電力増幅モジ
ュールの電気回路図である。図１に図示された電気回路
は、携帯電話を含む各種の通信機器において、マイクロ
波帯の電力増幅モジュールとして周知のものである。但
し、図１は単なる例示に過ぎず、本発明に係る電力増幅
モジュールが、図１に示される回路に限定されるもので
ないことは言うまでもない。

【００２２】図１において、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２は２段
電力増幅回路を構成する。入力端子Ｐｉｎから供給され
た入力信号は、コンデンサＣ２及びインピーダンス素子
Ｚ１を通って、ＦＥＴ１のゲートに供給される。コンデ
ンサＣ２及びインピーダンス素子Ｚ１は、入信号ライン
のインピ−ダンス（５０Ω）と、インピーダンス整合を
とる整合回路を構成する。ＦＥＴ１によって電力増幅さ
れた信号は、インピーダンス素子Ｚ２、コンデンサＣ
５、コンデンサＣ６及びインピーダンス素子Ｚ３で構成
されたインピーダンス整合回路を通って、ＦＥＴ２のゲ
ートに供給される。ＦＥＴ２によって電力増幅された信
号は、インピーダンス素子Ｚ４、コンデンサＣ９及びイ
ンピーダンス素子Ｃ１０によって構成されたインピーダ
ンス制御回路を通して、出力端子Ｐｏｕｔに導かれ、出
力端子Ｐｏｕｔから出力される。

【００２３】ＦＥＴ１のゲートには、抵抗Ｒ１〜Ｒ３及
びコンデンサＣ１、Ｃ３による回路が接続されている。
抵抗Ｒ１、Ｒ２は一端が互いに接続され、抵抗Ｒ１の他
端が第１の直流電源Ｖｇｇに接続され、抵抗Ｒ２の他端
が接地されている。抵抗Ｒ３は、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２
の接続点と、ＦＥＴ１のゲートとの間に接続されてい
る。これらの抵抗Ｒ１〜Ｒ３はＦＥＴ１のためのバイア
ス回路を構成する。

【００２４】コンデンサＣ１は一端が第１の電源端子Ｖ
ｇｇに接続され、他端が接地されている。コンデンサＣ
３は一端が抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の接続点に接続され、
他端が接地されている。

【００２５】ＦＥＴ１のドレインにはインピーダンス素
子Ｚ６の一端が接続されている。インピーダンス素子Ｚ
６の他端は、第２の電源端子Ｖｄ１に接続されている。
インピーダンス素子Ｚ６の他端には、コンデンサＣ４の
一端が接続されている。コンデンサＣ４の他端は接地さ
れている。

【００２６】ＦＥＴ２のゲートには、抵抗Ｒ４〜Ｒ６及
びコンデンサＣ７による回路が接続されている。抵抗Ｒ
４、Ｒ５は一端が互いに接続されている。抵抗Ｒ４の他
端は第１の電源端子Ｖｇｇに接続され、抵抗Ｒ５の他端
は接地されている。抵抗Ｒ６は、抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ５
の接続点と、ＦＥＴ２のゲートとの間に接続されてい
る。これらの抵抗Ｒ４〜Ｒ６はＦＥＴ２のためのバイア
ス回路を構成する。コンデンサＣ７は一端が抵抗Ｒ４〜
Ｒ６の接続点に接続され、他端が接地されている。

【００２７】ＦＥＴ２のドレインにはインピーダンス素
子Ｚ７の一端が接続されている。インピーダンス素子Ｚ
７の他端は、第３の電源端子Ｖｄ２に接続されている。
インピーダンス素子Ｚ７の他端には、コンデンサＣ８の
一端が接続されている。コンデンサＣ８の他端は接地さ
れている。

【００２８】インピーダンス素子Ｚ１〜Ｚ７はストリッ
プラインで構成され、高周波に対するインダクタンス成
分として働く。

【００２９】図１の回路図において、ＦＥＴ１及びＦＥ
Ｔ２による電力増幅度は、第１の電源端子Ｖｇｇ、第２
の電源端子Ｖｄ１及び第３の電源端子Ｖｄ２に印加され
る電圧により制御される。この時、ＦＥＴ１及びＦＥＴ
２には、数百ｍＡから１．５Ａ程度の電流が流されるた
め、発熱する。発生した熱を何らかの放熱手段によって
放散しないと、半導体のチャネル温度の上昇につなが
り、オン抵抗が上昇し、熱暴走に至り、終には、半導体
が破損する。本発明は、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２に発生し
た熱を効率よく放熱できる構造を持つ電力増幅モジュー
ルを開示する。

【００３０】図２は図１に示した電気回路図で示された
電力増幅モジュールにおいて、本発明を適用した具体的
実装例を示す図、図３は図２の３ー３線に沿った部分断
面図である。図２、図３において、図１に示された回路
構成部分に対応する部分については、図１と同じ参照符
号を付してある。図示実施例の電力増幅モジュールは、
基板１と、半導体チップ３と、金属ブロック５とを含
む。

【００３１】基板１は、面内に切り抜き部７を有してい
る。図示実施例において、基板１は第１の誘電体基板１
１、第２の誘電体基板１２及び第３の誘電体基板１３を
積層した構成となっている。基板１は互いに独立する第
１〜第３の誘電体基板１１〜１３を順次に積層して接着
してもよいし、あるいは、連続塗布法によって、第１〜
第３の誘電体基板１１〜１３を構成する誘電体層、及
び、必要な導体パターンを積層することによって形成し
てもよい。第１〜第３の誘電体基板１１〜１３は有機系
誘電体材料またはセラミック誘電体材料の何れで構成し
てもよい。

【００３２】第１〜第３の誘電体基板１１〜１３のそれ
ぞれは、切り抜き部７を有しており、積層された状態
で、各切り抜き部７が同一位置で重なり、実質的に連続
する１つの切り抜き部７を構成している。

【００３３】第１〜第３の誘電体基板１１〜１３は、図
１に示された回路図に含まれる回路部品のうち、受動回
路部品を搭載し、かつ、受動回路部品を必要な回路構成
となるように接続する。回路部品の配置については、特
に限定はないが、採用し得る一例を次に示す。例えば、
第１の誘電体基板１１の表面（上面）に、図１におい
て、バイアス回路を構成する回路素子の一部、及び、イ
ンピーダンス整合回路を構成する回路素子を搭載する。
具体的には、抵抗Ｒ１〜Ｒ６及びコンデンサＣ１〜Ｃ１
０、インピーダンス素子Ｚ１〜Ｚ７等である。これらの
回路部品は、チップ部品で構成し、第１の誘電体基板１
１の表面に予め形成された導体パターン１４に対して、
半田付け等の手段によって取り付けることができる。ま
たは、これらの回路部品の一部は、第１の誘電体基板１
１の表面に形成された導体パターンによって構成しても
よい。

【００３４】第２の誘電体基板１２において、第１の誘
電体基板１１の下面と接合される表面に、ＧＮＤパター
ン及びバイアス回路の一部となる導体パターン１５を形
成することができる。

【００３５】また、第３の誘電体基板１３において、第
２の誘電体基板１２の下面と接合される表面には、ＦＥ
Ｔ１、２のバイアス回路の一部１６を形成する。また、
第３の誘電体基板１３の下面にはＧＮＤパタ−ン１７を
形成する。

【００３６】基板１には、所定の適切な位置に、任意数
のスルーホール２１、２２が設けられている。スルーホ
ール２１は、その内部に充填された導体により、例え
ば、第１の誘電体基板１１の表面に形成された導体パタ
ーン１４、第２の誘電体基板１２に形成された導体パタ
ーン１５及び第３の誘電体基板１３の下面に形成された
導体パターン１７を電気的に接続するために使用され
る。スルーホール２２は、その内部に充填された導体に
より、例えば、第１の誘電体基板１１の表面に形成され
た導体パターン１４及び第３の誘電体基板１３の上面に
形成された導体パターン１６を電気的に接続するために
使用される。

【００３７】金属ブロック５は、基板１の前記切り抜き
部７の内部に配置されている。金属ブロック５は、熱伝
導性の良好な金属材料、例えば、銅または銅合金等によ
って構成することができる。金属ブロック５の形状は任
意である。この実施例では、金属ブロック５は、基板１
の厚みとほぼ同じ厚みを有するとともに、切り抜き部７
に嵌り込むような外形形状を有する。金属ブロック５の
表面は、基板１の表面とほぼ一致している。

【００３８】半導体チップ３は、金属ブロック５の表面
に実装されている。半導体チップ３は、図１において、
電力増幅用として用いられるＦＥＴ１及びＦＥＴ２を含
み、基板１の一部に設けられた金属ブロック５上に銀ペ
−ストなどの接着剤を介して接合されている。

【００３９】半導体チップ３の電極は、ワイヤーボンデ
ィング１８により、基板１の表面上に実装されたリ−ド
フレーム１９上に接続され、１層目や３層目の整合回
路、バイアス回路へ接続される。また、半導体チップ３
は、その信頼性確保のため、封止用樹脂２０により、封
止された状態で実装される。封止用樹脂２０は、リ−ド
フレーム１９の段差により部品実装エリアに流出しない
ようにすることが好ましい。

【００４０】基板１には、信号入力用端子Ｐｉｎ、信号
出力用端子Ｐｏｕｔ、接地端子ＧＮＤ及び第１〜第３の
電源端子Ｖｇｇ、Ｖｄ１、Ｖｄ２等が側面電極の形態で
付与される。

【００４１】上述したように、本発明に係る電力増幅モ
ジュールでは、半導体チップ３が金属ブロック５の表面
に実装されているから、半導体チップ３に発生した熱
を、金属ブロック５を通して放熱できる。金属ブロック
５は、アルミナ等と比較して、著しく熱伝導度の優れた
金属材料を用いて構成され得る。このため、放熱性の極
めて優れた電力増幅モジュールが得られる。

【００４２】しかも、基板１は面内に切り抜き部７を有
しており、金属ブロック５はこの基板１の切り抜き部７
内に配置する構造である。このため、シンプルな構成
で、放熱性に優れた電力増幅モジュールを得ることがで
きる。

【００４３】また、金属ブロック５を基板１の切り抜き
部７内に配置し、金属ブロック５の表面に半導体チップ
３を実装する構造であるので、実装組立が容易である。

【００４４】更に、金属ブロック５の表面を、基板１の
表面と位置合わせすることが容易であり、半導体チップ
３のボンディング作業を、段差のない表面で行うことが
できる。このため、実装作業が極めて容易になる。

【００４５】図４は図２、図３に示した電力増幅モジュ
ールの使用状態を示す図である。電力増幅モジュール１
００はシステム基板（マザーボード）２００の上に接合
等の手段によって搭載されている。接合手段としては、
例えば、銀ペースト等を用いることができる。システム
基板２００の接合面は、熱伝導性の良好な金属によって
構成することができる。

【００４６】半導体チップ３に発生した熱は、金属ブロ
ック５を通して、システム基板２００に伝達され、シス
テム基板２００を通して外部に放散される。

【００４７】図５は本発明の電力増幅モジュールの別の
実施例を示す。図において、図１〜４に現れた構成部分
と同一の構成部分については、同一の参照符号を付して
ある。図示実施例において、金属ブロック５は、第３の
誘電体基板（誘電体層）１３の上面に設けられた導体パ
ターン１６の上に、銀ペ一ストなどの接着材を介して実
装される。従って、金属ブロック５は第３の誘電体基板
１３によって支持される。

【００４８】第３の誘電体基板１３の上面に形成された
導体パターン１６、及び、下面に形成された導体パター
ン１７は、その膜厚ｔ２が、第３の誘電体基板１３の厚
みｔ１と同等以上の厚みとなるようにしてある。例え
ば、図５に示す実施例において、導体パターン１６、１
７の膜厚ｔ２＝７０μｍに対して、第３の誘電体基板１
３の厚みｔ１＝６０μｍのように設定する。

【００４９】更に、第３の誘電体基板１３は、金属ブロ
ック５の直下に、任意数、及び、任意大きさのサーマル
ビア２３、２４を有する。

【００５０】金属ブロック５から導体パターン１６ヘ伝
えられた熱は、金属ブロック５の直下に設けられたサー
マルビア２３、２４を介して導体パターン１７ヘ伝えら
れ、モジュール外部へ放熱されるので、導体パターン１
６、１７の厚みｔ２、及び、第３の誘電体基板１３の厚
みｔ１の関係を、ｔ１≦ｔ２のように選定することによ
り、第３の誘電体基板１３による放熱性の影響を限りな
く小さくできる。特に、パタ−ン厚みｔ２を大きくし、
誘電体層厚ｔ１を小さくすることにより、誘電体による
放熱性の影響を限りなく小さくできる。

【００５１】導体パターン１６、１７の材料には、熱伝
導性の高い銅や金などの金属材料を用いることは容易に
可能であるので、結果として、半導体チップ３からの熱
は、効率良く、外部へ放熱される。

【００５２】導体パターン１７は、全面電極とすること
ができる。この場合には、導体パターン１７をシステム
基板に半田付けできるので、外部への放熱性をより一層
高めることができる。

【００５３】図６にまた別の本発明における電力増幅モ
ジュールの構成図を示す。図６に示す例は、図３に示す
実施例を逆さまに構成した形態であり、最上面に金属ケ
ース９が配置され、金属ケース９は金属ブロック５と銀
ペ−ストや半田により接続される。基板１の下端部は、
側面電極の形成のため、部品搭載面より、ある幅で突出
した形態となる。

【００５４】半導体チップ３から発生した熱は、金属ブ
ロック５を伝わり、金属ケース９をへて、金属ケース９
の上部の空気中へ伝わる。この熱伝導経路は、熱が下側
から上方向に向かう自然な経路である。このため、放熱
特性が更に改善される。

【００５５】また、放熱用金属ケ−ス９は、接地端子Ｇ
ＮＤによりシステム基板２００に半田付けされるので、
放熱用金属ケース９で受けた熱は、システム基板２００
へも放熱される。これによっても、放熱が促進される。

【００５６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような効果を得ることができる。 （ａ）シンプルな構成で、放熱性に優れた電力増幅モジ
ュールを提供することができる。 （ｂ）形状が小型で、放熱性に優れた電力増幅モジュー
ルを提供することができる。 （ｃ）実装組立が容易で、放熱性に優れた電力増幅モジ
ュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電力増幅モジュールの電気回路図
である。

【図２】図１に示した電気回路図で示された電力増幅モ
ジュールにおいて、本発明を適用した具体的実装例を示
す図である。

【図３】図２の３ー３線に沿った部分断面図である。

【図４】図２、図３に示した電力増幅モジュールの使用
状態を示す図である。

【図５】本発明に係る電力増幅モジュールの別の実施例
を示す部分断面図である。

【図６】本発明に係る電力増幅モジュールの別の実施例
を示す部分断面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ３ 半導体チップ ５ 金属ブロック ７ 切り抜き部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１枚の基板と、半導体チップ
   と、金属ブロックとを含む電力増幅モジュールであっ
   て、 前記基板は、面内に切り抜き部を有しており、 前記金属ブロックは、前記基板の前記切り抜き部内に配
   置されており、 前記半導体チップは、前記金属ブロックの表面に実装さ
   れており、更に、 前記基板は、前記金属ブロックの前記表面と対向する面
   側に備えられた誘電体層を含んでおり、 前記誘電体層は、少なくとも一面側に導体パターンを有
   しており、前記導体パターンは、前記誘電体層よりも厚
   い 電力増幅モジュール。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された電力増幅モジュー
   ルであって、 更に、金属ケースを含み、 前記金属ケースは、前記金属ブロックの前記表面と対向
   する面側で、前記金属ブロックに熱結合する電力増幅モ
   ジュール。