JP5361694B2

JP5361694B2 - 高周波モジュール

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Publication number: JP5361694B2
Application number: JP2009284023A
Authority: JP
Inventors: 修森谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: JP2011129571A

Description

本発明は、高出力化もしくは高利得化と同時にパッケージの大きさを小さくすることが可能な高周波モジュールに関する。

従来、増幅作用を持つ能動デバイスである高周波モジュールは、パッケージの入力端子と出力端子はそれぞれパッケージの対向する面に配置される。そして、この各端子を結ぶ直線上に高周波伝送基板の入力側と出力側、増幅作用を有する半導体素子の入力側と出力側と、が並ぶように配置される（例えば、特許文献１）。

入力端子と出力端子を結ぶ直線上に高周波伝送基板と半導体素子とを上述のように配置することは、伝送路を最短にすることができるため、パッケージ内における損失を小さくできるというメリットがある。

しかし、インピーダンス整合回路を構成するチップコンデンサ、回路基板やバイアス回路などを内蔵する場合は、これらの回路の面積が半導体素子の増幅動作部の面積の数倍以上の大きさになるため、パッケージの大きさが大きくなり、コストが上昇するという問題点がある。また、裏面の平坦性が保ちにくくなるため放熱が十分に行われなかったり、接地状態が悪くなり特性が低下したりするという問題点がある。

また、高周波モジュールにおいては複数の半導体素子を内包することも一般に行われる。各半導体素子を直列に接続した場合には各段の利得が加算されるため高利得なモジュールとなり、並列に接続した場合には各段の出力が加算されるため高出力なモジュールが構成される。

直列に接続した場合には、各半導体素子に接続されるチップコンデンサや回路基板のサイズが加算されるため、パッケージが長くなっていってしまう。一方、パッケージの横方向はパッケージ内部が導波管を構成するため、あまり短くすると信号周波数がパッケージの使用に適する周波数外になってしまい、性能が低下する問題がある。このため、パッケージの実装面積が大きくなってしまう問題があった。

次に、並列に接続した場合には、各半導体素子に効率的に信号を分配するため例えば波長λの1/4の長さを持つ信号線路をもって信号の分配合成を行うことが一般的である。このため、各半導体素子は信号の入出力方向に対して直角方向で並べられることが一般であり、このためパッケージの横方向の幅が広くなる。この場合、冷却性能が低下するという問題点がある。

すなわち、半導体素子は高出力になるにつれてフィンガー電極数が多くなるため長手方向、すなわちフィンガー電極の配列方向の長さが長くなる。半導体素子から発生する熱を冷却するためには、放熱用のヒートシンクを設け、空冷または水冷により冷却する。

空冷の場合、半導体素子のフィンガー電極の配列方向に沿って風を当てると、半導体素子の風流方向手前側で暖められた空気によって風流方向奥側を冷却することとなる。したがって、冷却効率にばらつきが生じるという問題点がある。

一方、半導体素子のフィンガー電極の配列方向に垂直な方向から風を当てる場合、冷却は均等に行われるが、ＲＦ端子と干渉するため、冷却装置の性能乃至配置に制約が生じるという問題点がある。さらに、半導体素子を多段構成した場合、風流方向手前側の半導体素子によって暖められた空気によって、風流方向奥側の半導体素子を冷却することとなるため、風流方向奥側の半導体素子では十分な冷却効果が得られないという問題点がある。

特開平８−４６０７３号公報

本発明は、高出力と高利得化をはかると同時にパッケージの大きさを小さくすることが可能な高周波モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、入力端子と、入力側のマイクロストリップラインを有する入力側の高周波回路基板と、高周波信号を増幅する半導体素子と、出力側のマイクロストリップラインを有する出力側の高周波回路基板と、出力端子と、底面に金属部を含み、入力側の高周波回路基板、半導体素子、及び出力側の高周波回路基板を囲むパッケージと、を備える高周波モジュールであって、半導体素子は、半導体素子のフィンガー電極の配列方向を、パッケージに対する信号入力方向に平行な信号出力方向への方向である入出力端子方向に対して９０°より小さい角度をつけ、前記半導体素子を冷却する冷却媒体の流入方向に対して９０°の角度をつけて配置されることを特徴とする高周波モジュールを提供する。

本発明によれば、高出力化に伴って半導体素子のフィンガー電極の配列方向が長くなっても半導体素子の均等かつ効率的な冷却が可能となり、また高利得化に伴ってパッケージ内部の半導体素子数が増えた場合においても高密度な配置が可能となり、パッケージの小型化が可能となるという効果がある。

第１の実施形態の高周波モジュールを示す図である。半導体素子を示す図である。半導体素子の動作を示す図である。高周波モジュールの冷却システムの構成例を示す図である。第２の実施形態の高周波モジュールを示す図である。第２の実施形態の高周波モジュールの応用例を示す図である。第３の実施形態の高周波モジュールを示す図である。第４の実施形態の高周波モジュールを示す図である。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の一実施形態に係る高周波モジュールを、図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の高周波モジュール１０を示す図である。図１に示すように、高周波モジュール１０は、入力端子１５と、入力側のマイクロストリップライン１２Ｂを有する入力側の高周波回路基板１２Ａと、高周波信号を増幅する半導体素子１１と、出力側のマイクロストリップライン１３Ｂを有する出力側の高周波回路基板１３Ａと、出力端子１６と、底面に金属部を含み、入力側の高周波回路基板１２Ａ、半導体素子１１、及び出力側の高周波回路基板１３Ａを取り囲むパッケージ１４と、パッケージ１４を封止する蓋部１７と、を備える。

半導体素子１１は、半導体素子１１のフィンガー電極の配列方向Ｙを、高周波モジュール１０の入出力端子方向Ｘに対して９０°より小さい角度θをつけて配置される。角度θは０°であることが望ましい。

図１に示す例においては、フィンガー電極の配列方向Ｙと高周波モジュール１０の入出力端子方向Ｘとのなす角θは０°、すなわち平行であるためθは図示されていない。

ここで、高周波モジュール１０の入出力端子方向Ｘについて説明する。高周波モジュール１０の入力端子１５はパッケージ１４の第１の側面に設けられる。高周波モジュール１０の出力端子１６はパッケージ１４の第１の側面に対向する第２の側面に設けられる。

入出力端子方向Ｘは、入力端子１５と出力端子１６とが一直線上に設けられる場合は、入力端子１５から出力端子１６に向かう方向である。

また、入力端子１５と出力端子１６とが一直線上にない場合は、パッケージ１４の第１の側面から第２の側面に向かう方向である。

すなわち、入出力端子方向Ｘは、パッケージ１４に対する信号入力方向に平行な信号出力方向への方向である。

入力側の高周波回路基板１２Ａは、信号の進行方向を変化させる入力側のマイクロストリップライン１２Ｂを有し、入力端子１５と半導体素子１１の入力信号端子部２１（図２参照。）と、を接続する。

出力側の高周波回路基板１３Ａは、信号の進行方向を変化させる出力側のマイクロストリップライン１３Ｂを有し、半導体素子１１の出力信号端子部２２（図２参照。）と、を接続する。

図２は、半導体素子１１を示す図である。図２には典型的な半導体素子１１であるＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）の例を示す。

図２（Ａ）に示すように、半導体素子１１は、ゲートである入力端子部２１と、ドレインである出力端子部２２と、ソースである接地端子部２３と、裏面に設けられる接地面２４と、を有する。図２（Ａ）に示した半導体素子１１を記号としてあらわしたものが図２（Ｂ）に示す図である。信号は入力端子部２１から入力され出力端子部２２から出力される。

図３は、半導体素子１１の動作を示す図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）はともに時間経過に対する電流波形を示す。図３（Ａ）においては、横軸は時間経過、縦軸は瞬時電流を示し、入力信号を曲線３１により示す。図３（Ｂ）においては、横軸は時間経過、縦軸は瞬時電流を示し、出力信号を曲線３２により示す。

入力端子部２１に入力された高周波信号は、半導体素子１１において負電圧のバイアス電圧Ｖｇｓｑをかけて動作される。入力端子部２１における電流波形は図３に示す曲線３１のような波形となる。

ゲート電圧が０に近い場合は、出力端子部２２の電流を流しやすくなり、逆にゲート電圧が負側に大きい場合には電流を流しにくくなる。したがって、出力端子部２２の電流波形は図３（Ｂ）に示す曲線３２のような波形となる。

ここで、出力電力Ｐは負荷インピーダンスＺが一定の場合、曲線３２に示すドレイン電流に対しＰ＝Ｉ^２Ｚにて示す電力値となるため、出力電力を増やすためにはドレイン電流を増やすことが必要となる。すなわち、入力端子部２１、出力端子部２２、接地端子部２３の長さを長くすることによって出力電力を増やすことができる。

図２（Ａ）における横方向の長さを長くすると、各端子の幅が細いためインダクタンス成分が大きくなり、また端子内の各位置での信号の位相がずれるため高周波特性が悪くなる。したがって、有効な長さには限界がある。よって、出力電力を増やすにはフィンガー電極の数を多くし、図２（Ａ）の縦方向、すなわちフィンガー電極の配列方向に、半導体素子１１の長さを長くすることが一般に行われる。

図４は、高周波モジュール１０の冷却システムの構成例を示す図である。図４においては、バイアス回路等の回路素子、並びに外部接続用のコネクタは省略されている。図４に示すように、冷却システムは、増幅器基板４２にビス４１によって係止された高周波モジュール１０と、放熱を行うヒートシンク４３と、冷却媒体である空気を送出する冷媒送出装置であるファン４４と、を備える。冷却媒体は矢印Ｙの方向に流れ、ヒートシンクを冷却する。図４においては、冷却媒体は例えば空気の場合を表しているが、媒体が液状のもの、あるいはヒートパイプ等を使った冷却素子でも同等である。

ここで、パッケージ１４は、図４に示すように半導体素子１１のフィンガー電極の配列方向Ｘを、半導体素子１１を冷却する冷却媒体の流入方向Ｙに対して０°より大きく１８０°より小さい角度θをつけて配置される。したがって、角度θが９０°のとき、冷却媒体は半導体素子１１のフィンガー電極の配列方向に対して９０°の方向から当たることとなり、高出力化に伴って半導体素子１１のフィンガー電極の配列方向が長くなっても均等かつ効率的な冷却が可能となる。

以上述べたように、本実施形態の高周波モジュール１０は、入力端子１５と、入力側のマイクロストリップライン１２Ｂを有する入力側の高周波回路基板１２Ａと、高周波信号を増幅する半導体素子１１と、出力側のマイクロストリップライン１３Ｂを有する出力側の高周波回路基板１３Ａと、底面に金属部を含み、入力側の高周波回路基板１２Ａ、半導体素子１１、及び出力側の高周波回路基板１３Ａを取り囲むパッケージ１４と、パッケージ１４を封止する蓋部１７と、を備え、半導体素子１１は、半導体素子１１のフィンガー電極の配列方向Ｙを高周波モジュール１０の入出力端子方向Ｘに対して９０°より小さい角度θをつけて配置される。

したがって、高出力化に伴って半導体素子１１のフィンガー電極の配列方向が長くなっても半導体素子１１の均等かつ効率的な冷却が可能となり、パッケージの小型化が可能となるという効果がある。この効果は、水冷の冷却パイプ、またはヒートパイプが矢印Ｙの方向に配置されている場合により顕著に表れる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態の高周波モジュール１０Ｂを示す図である。図５に示すように、高周波モジュール１０Ｂは、入力端子１５と、入力側のマイクロストリップライン１２Ｂを有する入力側の高周波回路基板１２Ａと、ボンディングワイヤ５２により入力側のマイクロストリップライン１２Ｂと接続された入力チップコンデンサ５１Ａと、ボンディングワイヤ５２によって入力チップコンデンサ５１Ａと接続され、高周波信号を増幅する半導体素子１１と、ボンディングワイヤ５２によって半導体素子１１と接続された出力チップコンデンサ５１Ｂと、ボンディングワイヤ５２によって出力チップコンデンサ５１Ｂと接続された出力側のマイクロストリップライン１３Ｂを有する出力側の高周波回路基板１３Ａと、出力端子１６と、底面に金属部を含み、入力側の高周波回路基板１２Ａ、入力チップコンデンサ５１Ａ、半導体素子１１、出力チップコンデンサ５１Ｂ、及び出力側の高周波回路基板１３Ａを取り囲むパッケージ１４と、を備える。

半導体素子１１は、半導体素子１１のフィンガー電極の配列方向Ｙを、高周波モジュール１０Ｂの入出力端子方向Ｘに対して９０°より小さい角度θをつけて配置される。角度θは０°であることが望ましい。

入力チップコンデンサ５１Ａは高周波モジュール１０Ｂへの入力信号の方向を変化させ、出力チップコンデンサ５１Ｂは半導体素子１１の出力信号の方向を変化させる。

図６は、第２の実施形態の高周波モジュール１０Ｂの応用例を示す図である。図６に示すように、高周波モジュール１０Ｂは、出力チップコンデンサ５１Ｂと出力側の高周波回路基板１３Ａとの間に、マイクロストリップライン６１Ｂを有する接続部６１Ａと、第２の半導体素子１１Ｂと、を備える。

ここで、第１の半導体素子１１のフィンガー電極の配列方向Ｙが高周波モジュール１０Ｂの入出力端子方向Ｘに対して０°であると、第１の半導体素子に接続されるチップコンデンサ５１Ａおよびチップコンデンサ５１Ｂが高周波モジュール１０Ｂの入出力端子方向Ｘに対して直角に配列されるため、その分高周波モジュール１０Ｂの入出力端子方向Ｘ方向の長さを必要とせずパッケージを小型化することが可能である。

また、高周波モジュール１０Ｂは半導体素子１１および半導体素子１１Ｂが２段直列に配置されるため、モジュールとしてみた場合の利得は各素子の利得を足したものに近くなり、１素子分の利得よりはるかに高い利得を実現することができる。

以上、述べたように、本実施形態の高周波モジュール１０Ｂは、入力チップコンデンサ５１Ａが高周波モジュールの信号の方向を変化させ、出力チップコンデンサ５１Ｂが半導体素子１１の出力信号の方向を変化させ、半導体素子１１は、半導体素子１１のフィンガー電極の配列方向Ｙを、高周波モジュール１０Ｂの入出力端子方向Ｘに対して９０°より小さい角度θをつけて配置され、さらに出力信号が半導体素子１１Ｂの入力信号に接続され、各段で増幅される。したがって、高周波モジュール１０Ｂは、高利得な半導体パッケージを実現しつつ、従来の配置方法に比較して小型化が可能となるとともに、均等かつ効率的な冷却が可能となり出力の向上にも対応することができる。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態の高周波モジュール１０Ｃを示す図である。図７に示すように、高周波モジュール１０Ｃは、入力端子１５と、入力側のマイクロストリップライン１２Ｂを有する入力側の高周波回路基板１２Ａと、ボンディングワイヤ５２により入力側のマイクロストリップライン１２Ｂと接続された入力チップコンデンサ５１Ａと、ボンディングワイヤ５２によって入力チップコンデンサ５１Ａと接続され、高周波信号を増幅する半導体素子１１と、ボンディングワイヤ５２によって半導体素子１１と接続されたマイクロストリップライン６１Ｂを有する接続部６１Ａと、ボンディングワイヤ５２によって接続部６１Ａと接続された第２の半導体素子１１Ｂと、ボンディングワイヤ５２によって第２の半導体素子１１Ｂと接続された出力側のマイクロストリップライン１３Ｂを有する出力側の高周波回路基板１３Ａと、出力端子１６と、底面に金属部を含み、入力側の高周波回路基板１２Ａ、半導体素子１１、及び出力側の高周波回路基板１３Ａを取り囲むパッケージ１４と、を備える。

半導体素子１１及び第２の半導体素子１１Ｂは、半導体素子１１及び第２の半導体素子１１Ｂのフィンガー電極の配列方向Ｙを、高周波モジュール１０Ｃの入出力端子方向Ｘに対し、９０°より小さい角度θをつけて配置される。角度θは０°であることが望ましい。

入力チップコンデンサ５１Ａは高周波モジュール１０Ｃへの入力信号の方向を変化させ、接続部６１Ａは半導体素子１１の出力信号の方向および半導体素子１１Ｂの入力信号の方向を変化させる。さらに出力基板１３Ａは半導体素子１１Ｂの出力信号の方向を変化させる。

これらの配置により、入力チップコンデンサ５１Ａおよび接続部６１Ａの左半部は半導体素子１１と、接続部６１Ａの右半部および高周波回路基板１３Ａは半導体素子１１Ｂと、それぞれ図７の高周波モジュール１０Ｃの入出力端子方向Ｘに対し直角に並べて配置されるため、平行に並べて配置する場合に比較してＹ方向の距離を短縮される。また、半導体素子１１および半導体素子１１Ｂのフィンガー電極の配列方向Ｙは高周波モジュール１０Ｃの入出力端子方向Ｘと平行になる。

以上述べたように、本実施形態の高周波モジュール１０Ｃは、パッケージ内部の半導体素子１１、半導体素子１１Ｂ、チップコンデンサ５１Ａ、接続基板６１Ａおよび高周波回路基板１３Ａ、の配列を高周波モジュール１０Ｃの入出力端子方向Ｘに対し直角方向に配列するため、複数の半導体素子を内包しつつパッケージの大きさを小さくすることが可能である。また、複数の半導体素子１１、１１Ｂが複数の半導体素子１１、１１Ｂのフィンガー電極の配列方向Ｘを、半導体素子１１を冷却する冷却媒体の流入方向Ｙに対して０°より大きく１８０°より小さい角度θをつけて配置される。したがって、複数の半導体素子１１、１１Ｂの均等かつ効率的な冷却が可能となる効果もある。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態の高周波モジュール１０Ｄを示す図である。図８に示すように、高周波モジュール１０Ｄは、入力端子１５と、入力側のマイクロストリップライン８１と、高周波信号を増幅する複数の半導体素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃと、出力側のマイクロストリップライン８２と、出力端子１６と、を備える。

複数の半導体素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、複数の半導体素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃのフィンガー電極の配列方向Ｘを、半導体素子１１を冷却する冷却媒体の流入方向Ｙに対して０°より大きく１８０°より小さい角度θをつけて配置される。角度θは９０°であることが望ましい。複数の半導体素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃのフィンガー電極の配列方向Ｘは、それぞれ厳密に平行でなくともよい。

複数の半導体素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、半導体素子を冷却する冷却媒体の流入方向Ａに対して垂直方向に、互いに重なりあわないようにずらして配置される。ずらす方向は、半導体素子を冷却する冷却媒体の流入方向Ｙに対して垂直方向が望ましい。

以上述べたように、本実施形態の高周波モジュール１０Ｄは、複数の半導体素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、複数の半導体素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃのフィンガー電極の配列方向Ｘを、半導体素子を冷却する冷却媒体の流入方向Ｙに対して０°より大きく１８０°より小さい角度θをつけて配置され、かつ風流方向Ａに対して互いに重ならないようにずらして配置される。したがって、複数の半導体素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを均等に効率よく冷却するとともに、パッケージの小型化が可能となるという効果がある。

１１：半導体素子、
１２Ａ：入力側の高周波回路基板、
１２Ｂ：入力側のマイクロストリップライン、
１３Ａ：出力側の高周波回路基板、
１３Ｂ：出力側のマイクロストリップライン、
１５：入力端子、
１６：出力端子。

Claims

入力端子と、
入力側のマイクロストリップラインを有する入力側の高周波回路基板と、
高周波信号を増幅する半導体素子と、
出力側のマイクロストリップラインを有する出力側の高周波回路基板と、
出力端子と、
底面に金属部を含み、前記入力側の高周波回路基板、前記半導体素子、及び前記出力側の高周波回路基板を囲むパッケージと、を備える高周波モジュールであって、
前記半導体素子は、前記半導体素子のフィンガー電極の配列方向を、前記パッケージに対する信号入力方向に平行な信号出力方向への方向である入出力端子方向に対して９０°より小さい角度をつけ、前記半導体素子を冷却する冷却媒体の流入方向に対して９０°の角度をつけて配置されることを特徴とする高周波モジュール。
前記入力側のマイクロストリップライン及び前記半導体素子に接続され、入力信号の方向を変化させる入力チップコンデンサと、
前記半導体素子及び前記出力側のマイクロストリップラインに接続され、出力信号の方向を変化させる出力チップコンデンサと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
複数の半導体素子を備え、前記複数の半導体素子のうち少なくとも１つが、前記半導体素子のフィンガー電極の配列方向を、前記パッケージに対する信号入力方向に平行な信号出力方向への方向である入出力端子方向に対して９０°より小さい角度をつけて配置されることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記半導体波素子は、
前記半導体素子を冷却する冷却媒体の流入方向に対して互いに重ならないようにずらして配置される
ことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。