JP4157449B2

JP4157449B2 - 高周波用モジュール

Info

Publication number: JP4157449B2
Application number: JP2003334386A
Authority: JP
Inventors: 謙治北澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP2005101364A

Description

本発明は携帯電話等の移動体通信機、無線ＬＡＮ、ＷＬＬ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＬｏｃａｌＬｏｏｐ）等の電子機器・電子装置等に用いられる送信用の高周波モジュールに関し、特に組立工数の削減ならびに小型化を可能とした高周波モジュールに関するものである。

近年、アナログあるいはデジタル携帯電話等の移動体通信機などに使用される半導体デバイスや電子部品に対する小型化・軽量化の要望が強くなっている。中でも送信部に用いられる高周波用電力増幅器は、電力増幅用トランジスタの小型化、デュアルバンド化が進んでおり、放熱に関して不利となるため大電力出力時に放熱特性の改善が望まれている。

その放熱対策として、放熱フィンを取り付ける方法や、特開平７−４６００７号では電力増幅用トランジスタが搭載される誘電体基板に熱伝導率が大きな高熱伝導セラミックスである窒化アルミニウム等を用いる方法が知られている。さらに特開２０００−３１３３１号では、電力増幅用トランジスタを配線基板の背面に配置し外部電気回路基板に半田付けすることで放熱性を向上することも提案されている。

また、特開平９−２８３７００号では組立工数の削減ならびに小型化を可能するため、ガラスを主成分とする多層基板に、電力増幅用トランジスタを実装するとともに、電力増幅用トランジスタ直下に放熱用のビアホールを設けることが提案されている。
特開平７−４６００７号特開２０００−３１３３１号特開平９−２８３７００号

しかしながら、特開平９−２８３７００号に開示された高周波用電力増幅器では、ガラスを主成分とする多層基板に放熱用ビアホールを設けることで熱抵抗を低減し、電力増幅用トランジスタにかかる温度を低減することが可能となったが、高周波用電力増幅器を樹脂からなる基板で構成した場合、熱伝導度が低い為、大電力出力時には電力増幅用トランジスタ自身の温度がガラスを主成分とする多層基板に比べて上昇し、電力付加効率が低下する原因となっていた。

さらに、欧州、米国、南米等で使用されているＧＳＭ通信端末の場合、通信速度、通信量の向上に伴ってシステムがＧＰＲＳ、ＥＤＧＥに変わっているが、それに伴って電力増幅用トランジスタから発熱する量も増加している為、ガラスを主成分とする多層基板に放熱用ビアホールを設けても充分な放熱対策を取ることが困難になってきた。さらに電力増幅用トランジスタ自体が急激に小型化しているため、電力増幅用トランジスタから放熱するために必要なビアホールの本数が低下しており、熱抵抗が高くなる傾向にあるため、高周波用電力増幅器の電力付加効率を高くなるように設計することが難しくなってきた。

さらに、最近では、１つの誘電体基板内において、高周波用電力増幅用トランジスタの近傍に弾性表面波素子等の高周波フィルタを配置することも提案されており、その結果、増幅器から発生した熱によって弾性表面波素子のフィルタ特性が変化するといった問題があり、高周波用電力増幅用トランジスタの熱に対する対策が急務となっている。

本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、大電力出力時に電力増幅用トランジスタによる発熱を抑え、充分な放熱を取ることが可能であり、また電力増幅用トランジスタの近傍に、弾性表面波素子等の高周波フィルタを配置することが可能な、携帯型情報端末機、無線ＬＡＮ、ＷＬＬ等の電子機器・電子装置等に好適な高周波モジュールを提供することにある。

本発明は、誘電体基板表面に、複数段のパワーアンプによって構成された電力用トランジスタを実装してなるとともに、該電力用トランジスタ実装部の直下の基板内に、基板表面側から基板裏面に貫通して複数の放熱体を設けてなる高周波モジュールにおいて、前記電力用トランジスタが、該パワーアンプのうち、最終段パワーアンプの直下に設けた放熱体の最小径を、他の放熱体の最小径よりも大きくしたことを特徴とする。

かかる高周波モジュールにおいては、前前記最終段パワーアンプの直下に設けた放熱体の最小径が、他の放熱体の径の１．２倍以上であることが望ましい。

また、前記放熱体は、ビアホール形状を有すること、また、前記誘電体層の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であること、さらに、前記電力用トランジスタは、前記誘電体基板表面または裏面に形成された凹部に収納されていることが望ましい。

また、この高周波モジュールにおいては、上記電力用トランジスタ以外に、弾性表面波素子部品、ＦＢＡＲ、アンテナスイッチ部品の群から選ばれる少なくとも１種の受動部品を実装する場合に好適である。

本発明の高周波モジュールによれば、誘電体基板表面に搭載された電力用トランジスタ内のうち、大電力出力時に発生する熱が一番大きいのは、最終段パワーアンプ部であるために、この電力用トランジスタの熱を効果的に放熱するには、この最終段パワーアンプ部の熱を効率よく外部に熱放散させることが一番の対策となる。

本発明の上記構成によれば、電力用トランジスタの直下に基板表面側から基板裏面に貫通して設けられた複数本の放熱体において、最終段パワーアンプの直下に設けた放熱体の最小径を、他の放熱体の最小径よりも大きくすることによって、限られた空間内で効率的に放熱性を高めることができ、その結果、高周波モジュールの出力付加効率を劣化させることなく特性を出すことが可能となる。

さらに電力用トランジスタから放熱される熱を高周波モジュールの背面に放散するためには、電力用トランジスタを凹部内に実装収納することによって、放熱経路を削減して熱抵抗を改善することができる。上記の対策によって電力用トランジスタから放熱される熱を高周波モジュールの背面に効率的に放散することができることから、弾性表面波素子等の受動素子部品を近傍に配置した場合においても、電力用トランジスタによる熱の影響を低減することが可能となる。その結果、小型で高性能な電子回路モジュールを提供することができる。

また、かかる構成によれば、放熱フィン等の放熱用部材を別途設ける必要がなく、放熱用のビアホールも従来の埋め込み作業で達成することができるため、工程数を増やすことなく低価格な高周波モジュールとなる。

また、上記の高周波モジュールにおいては、電力用トランジスタから発生した熱の受動素子部品の弾性表面波素子、ＦＢＡＲ、アンテナスイッチ等に対して特性劣化などの影響を低減する上で、前記誘電体層の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが挙げられる。

以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下はあくまで本発明の例示であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での種々の変更や改良は何ら差し支えないものである。

図１は本発明の高周波モジュールの一実施例を示す概略断面図である。同図に示した高周波モジュール１によれば、誘電体基板２の内部には、ストリップ線路３が形成され、ストリップ線路３から誘電体基板２上面にかけてバイアホール導体４を介して、表面の導体層５に接続されている。また、誘電体基板１の表面には、電力用トランジスタ６、受動素子部品７、チップ抵抗やチップコンデンサ等のチップ部品８、出力検知制御部品９等が実装されている。

また、電力用トランジスタ６の直下の誘電体基板２内には、図３に示すように、基板表面から裏面まで貫通する複数の放熱体１０が設けられている。また、電力トランジスタ６は、誘電体基板２の表面に設けられた凹部１１内に収納実装され、電力用トランジスタ６の各電極と、凹部１１内におけるストリップ線路３とワイヤ１２によって接続されている。

また、受動素子部品７、チップ部品８、出力検知制御部品９は、誘電体基板２上面の導体層５等に、適宜、半田等によって表面実装されている。

さらに、誘電体基板２の表面には、電力用トランジスタ６、受動素子部品７、チップ部品８、出力検知制御部品９を搭載あるいは実装した後、基板２上面を覆うように絶縁性樹脂１３によって封止されている。

なお、この高周波モジュール１は、マザーボード等の外部回路基板１４に搭載され、高周波モジュール１における誘電体基板１の底面に形成された導体層５と、外部回路基板１４表面に形成された導体層１５とを、半田などの導電性接着材１６で接着することによって高周波モジュール１は、外部回路基板１４に実装されている。

図２は、図１の高周波モジュールにおける電力用トランジスタ６およびその搭載部の平面透視図である。電力用トランジスタ６は、ドライバーアンプ１７、最終段パワーアンプ１８、バイアス制御回路１９から主として構成されている。かかる電力用トランジスタ６内においては、最終段パワーアンプ１８の周囲で最も温度が高くなる。

この例においては、電力用トランジスタ６の直下には、ビアホール形状の放熱体１０が形成されているが、このうち、最終段のパワーアンプ１７の直下に位置する放熱体１０ａの最小径を周囲の放熱体１０ｂよりも大きくすることが重要である。特に、ビアホール１０ｂをビアホール１０ａに対して１．２倍以上、特に１．５倍以上の径とすることが望ましい。

このように、最終段のパワーアンプ１８の直下に位置する放熱体１０ａの最小径を大きくすることによって、電力用トランジスタ６から発生する熱を効率的に放熱することができる。

なお、図２の放熱体１０の形状は、断面が円形のビアホール形状のものであるが、このようなビアホール形状の放熱体を密集して設けると、ビアホール間の誘電体にクラック等が発生する場合があることから、放熱体１０を図３に示すように、断面が多角形状とし、例えば直方体の放熱体１０ｃを設けることも可能である。

本発明の高周波モジュール１における誘電体基板２は、例えば、複数の誘電体層を積層して成るものであり、誘電体層には、例えばアルミナセラミックス、ムライトセラミックス等の高温焼成セラミックス、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックス、有機樹脂材料とセラミック材料との混合材料を用いた複合材料、有機樹脂単独材料などの周知の基板材料を適用することができる。

とりわけ、導体として高熱伝導性のＣｕやＡｇを使用できる点では、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックス、有機樹脂材料とセラミック材料との混合材料のうちのいずれかが挙げられ、熱的安定性に優れる点で、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックスが最も望ましい。

誘電体基板２を構成する誘電体層の熱伝導率は、電力用トランジスタ６から発生した熱が、四方に拡散することなく、放熱体１０ａ、１０ｂ、１０ｃによって効率的に基板下部に伝達されることが望ましい。その結果、誘電体基板の熱伝導率は低い方が望ましく、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、さらには５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、さらに望ましくは３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが望ましい。

また、誘電体基板２の内部や表面に形成されるストリップ線路などの導体層は、例えば誘電体基板としてガラスセラミックスを用いた場合、Ｃｕ、Ａｇなどの導電性ペーストを上記基板２の焼成前のセラミックシートに所望のパターンで印刷し、焼成することによって形成することができ、その厚みは５〜３０μｍに設定される。その他、導体層を銅箔などの金属箔によって形成することもできる。例えば、金属箔を接着した後、エッチングによってパターン形成することもできる。

接続導体４は、誘電体基板２の内部で垂直方向に導体層同士を接続するものであるが、その形状は、種々の形状や構造のものを用いることができる。例えば、基板２に設けた貫通孔の内側にメッキ膜を形成したもの、金属粉末を含有する導体ペーストを誘電体基板に設けた貫通孔内に充填したものが挙げられ、特に製造の容易性から後者がよい。

電力用トランジスタ６としては、例えばｐｎ接合ゲート型電界効果型トランジスタやショットキー障壁ゲート型電界効果型トランジスタ、ヘテロ接合型電界効果型トランジスタ、ｐｎ接合ゲート型へテロ接合型電界効果型トランジスタ等が用いられる。

電力用トランジスタ６は、Ａｕ／Ｓｎ、Ａｕ／Ｓｉや半田、熱硬化型Ａｇペースト等のダイアタッチ材６ａにより固定されるとともに，直下に形成された放熱体１０と熱的に接続される。

なお、凹部１１は、例えば基板２表面側の数層の絶縁層に所定の大きさの開口部を設けて積層することにより形成される。

受動素子部品６としては、送信、受信を切り替えるアンテナスイッチや、周波数帯を分けるダイプレクサ、周波数で送信、受信を分離するＳＡＷデュプレクサ、ＦＢＡＲ（ＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒ）、誘電体デュプレクサ、フィルタリングするＳＡＷバンドバスフィルタ等が用いられる。

チップ部品７としては、高周波電力増幅器の回路として一般に用いられる、表面実装型のチップ抵抗やチップコンデンサ等が用いられる。

出力検知制御部品８としては、カプラ、検波ダイオード、温度補償回路が内蔵された自動出力制御ＩＣやディテクタＩＣ等が挙げられる。

放熱体１０は、接続導体４と同様のものを用いればよく、電力用トランジスタ５の実装直下における絶縁層に貫通孔やトラフ構造の凹部を形成してＣｕ、Ａｌ、Ａｇなどの高熱伝導性材料を導体材料を充填することによって形成される。なお、放熱体１０は、誘電体基板２の裏面において、導体層１０ｂから半田１６を介して外部回路基板１４側の導体層と熱的に接続することが望ましい。これにより放熱体１０を経由した熱を外部回路基板１４側に放熱することができる。

絶縁性樹脂１４には例えばエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂などを用い、電力用トランジスタ６のワイヤボンディング後に真空印刷や金型で絶縁性樹脂をモールドし、乾燥・硬化させることにより、電力用トランジスタ６を封止する。これ以外別にこれにより電力用トランジスタ６を外部環境から保護して電気的特性の安定および防水等の信頼性を確保することができるとともに、電力用トランジスタ６をベアチップ状態で実装することにより高周波モジュール１・１５の小型化を図ることができる。

誘電体材料として、ホウケイ酸ガラス７０質量％、アルミナ３０質量％からなれる熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋのガラスセラミック系誘電体材料を用い、この誘電体材料のグリーンシートに対して、接続導体、導体層形成のために、Ａｇ系導体ペーストを用いて、常法に従い、印刷または貫通孔内に充填して形成した。また、放熱構造として、後述する電力用トランジスタを実装する部分の最終段のパワーアンプの直下に、焼成後の大きさが表１となる放熱用ビアホールまたは断面が長方形のトラフ構造の放熱体を形成した。その後、グリーンシートを積層し、９００℃で焼成した。

これに動作電圧３．４Ｖ・出力電圧１Ｗクラスで、サイズが０．７×０．９ｍｍまたは１．２×１．５ｍｍ、電力付加効率が３８％の８００ＭＨｚ帯の電力用トランジスタを実装した。また、この電力用トランジスタから１．５ｍｍ離間して弾性表面波フィルタを実装した。その後、２８ｄＢｍの最大出力条件で、電力用トランジスタを駆動させ、電力用トランジスタの温度と、弾性表面波フィルタの温度を２５℃の雰囲気中で測定した。また、比較のために、図５に示すように、放熱用ビアホール径がすべて同じものにした高周波モジュールを形成した。

表１より、最終段パワーアンプの直下の放熱体の最小径ａを他の放熱体の最小径ｂよりも大きくすることによって、電力用トランジスタ、弾性表面波素子の温度が共に低下しており、放熱体が図２の構造でａ／ｂを１から１．５とすることによって弾性表面波素子の温度が５４℃から４７℃と７℃以上低下することがわかった。

本発明の高周波モジュールの実施の形態の一例を示す概略断面図である。図１の高周波モジュールにおける電力用トランジスタ実装部の平面透視図である。本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の例を示す概略断面図である。本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の例を示す概略平面図である。比較の高周波モジュールにおける電力用トランジスタ実装部の平面透視図である。

符号の説明

１高周波モジュール
２誘電体基板
３ストリップ線路
４接続導体
５導体層
６電力用トランジスタ
７受動素子部品
８チップ部品
９出力検知制御部品
１０放熱用ビアホール
１１凹部

Claims

誘電体基板表面に、複数段のパワーアンプによって構成された電力用トランジスタを実装してなるとともに、該電力用トランジスタ実装部の直下の基板内に、基板表面側から基板裏面に貫通して複数の放熱体を設けてなる高周波モジュールにおいて、前記電力用トランジスタが、該パワーアンプのうち、最終段パワーアンプの直下に設けた放熱体の最小径を、他の放熱体の最小径よりも大きくしたことを特徴とする高周波モジュール。
前記最終段パワーアンプの直下に設けた放熱体の最小径が、他の放熱体の径の１．２倍以上であることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記放熱体が、ビアホール形状を有することを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記誘電体層の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記電力用トランジスタは、前記誘電体基板表面または裏面に形成された凹部に収納されていることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記誘電体基板上に、弾性表面波素子部品、ＦＢＡＲ、アンテナスイッチ部品の群から選ばれる少なくとも１種の受動部品が実装されてなることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。