JP6139585B2 - 高周波モジュール及びマイクロ波送受信装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、高周波モジュール及びマイクロ波送受信装置に関する。

近年、半導体素子の高機能化・多機能化や動作速度の向上に伴い、半導体素子の発熱量が増加する傾向にある。そのため、例えば特許文献１に開示される多層配線基板のように、カーボンファイバ材を包含する絶縁層を有する多層配線基板では、高出力電力増幅器の発熱を効率的に処理することは不可能である。また、この多層配線基板では、電磁シールド効果、電磁干渉シールド効果も期待できないため、電磁波を遮蔽して電磁干渉を防止することも困難である。

電力増幅器が実装される配線基板には、電力増幅器から発生する熱を効率的に放熱するための措置がなされている（例えば特許文献２参照）。特許文献２に開示される配線基板では、電力増幅器からの熱を、スルーホールと導体パターンを介して配線基板に設けられたヒートシンクに伝達する。ヒートシンクでは、伝達された熱が外部へ放熱される。

しかしながら、スルーホールそれぞれは、熱の伝達能力が十分であるとはいえず、またヒートシンクの大きさには制約がある。そのため、従来の技術では、単位面積当たりの発熱量が比較的多い電力増幅器を配線基板に実装することは困難である。

また、近年では電力増幅器に窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタを用いることで、マイクロ波送受信装置を大型化することなく送信出力の向上を図るための研究開発が行われている。窒化ガリウムトランジスタは、出力が大きいため総発熱量や単位面積当たりの発熱量が比較的多い。その反面、冷却が不十分になると、動作が不安定になったり、寿命が短くなることがある。したがって、この種の電力増幅器を実装するためには、配線基板における放熱効率を向上させることが必要である。

また、従来のマイクロ波送受信装置は、ヒートスプレッダとなる金属板や筐体と、単層基板或いは多層基板とが組み合わされることで構成される。従来のマイクロ波送受信装置は、高周波性能（接地の不連続性）、信頼性（構成品の熱膨張率の乖離による接合部の劣化）、電磁両立性、価格などのいずれか、或いは複数について欠点を有している。

特開２００４−８７８５６号公報 特開２０１２−２３５０３６号公報

本発明は、上述の事情の下になされたもので、半導体素子から発生する熱を効率的に放熱することを課題とする。

上記課題を解決するため、本実施形態に係る高周波モジュールは、開口が形成され、一側の面にマイクロ波を伝送する伝送回路が形成される第１基板と、第１基板の開口に配置される第１デバイスと、第１基板の他側に配置され、第１デバイスの制御回路が形成されるとともに、第１デバイスと重なるところに開口が形成される第２基板と、第１基板と第２基板の間に配置され、第１デバイスが接する金属コアと、第２基板に設けられる開口を介して、金属コアに接続される接続部を有する金属からなる筐体と、を有する。

高周波モジュールの斜視図である。 モジュール本体の展開斜視図である。 配線基板の断面図である。 マイクロ波伝播用多層配線基板の斜視図である。 半導体素子の平面図である。 高周波モジュールのＸＺ断面を示す図である。 配線基板の製造手順を説明するための図である。 配線基板の製造手順を説明するための図である。 配線基板の製造手順を説明するための図である。 配線基板の製造手順を説明するための図である。 高周波モジュールの変形例を示す図である。 高周波モジュールの変形例を示す図である。 マイクロ波送受信装置を示す図である。 マイクロ波送受信装置の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。説明には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ座標系を用いる。

図１は、本実施形態に係る高周波モジュール１０の斜視図である。高周波モジュール１０は、例えばマイクロ波信号を増幅するための装置である。高周波モジュール１０は、モジュール本体１１に設けられたコネクタ１２を介して、例えば、通信装置及びアンテナに接続される。

図２は、モジュール本体１１の展開斜視図である。図２に示されるように、モジュール本体１１は、ケース２０、配線基板５０、カバー３０を有している。

ケース２０は、例えば、アルミニウムなどの導電性が高く、かつ熱伝導性が高い金属からなる金属筐体である。このケース２０は、底板部２２と、底板部２２の外縁に沿って形成される枠状のフレーム部２１と、底板部２２の中央部に設けられる突出部２３を有している。突出部２３は、底板部２２の上面から上方に突出している。

カバー３０は、ケース２０と同様にアルミニウムなどの導電性の高い金属からなり、天板部と、この天板部の外縁に沿って形成される枠状のフレーム部を有している。

図３は、配線基板５０の断面図である。図３に示されるように、配線基板５０は、金属コア５５と、金属コア５５の上面に配置されるマイクロ波伝播用多層配線基板５１と、金属コア５５の下面に配置される電源回路・制御回路用多層配線基板７０を有している。

金属コア５５は、例えば厚さが０．５ｍｍ程度で、熱伝導率が高い銅やアルミニウムからなる。

マイクロ波伝播用多層配線基板５１は、例えばエポキシ樹脂あるいはフッ素樹脂等を主成分とする基板であり、下面が金属コア５５に接着されている。マイクロ波伝播用多層配線基板５１の中央部にはキャビティ５１ａが形成されている。このキャビティ５１ａから、金属コア５５の上面が露出している。

図４に示されるように、キャビティ５１ａの−Ｘ側には、マイクロ波能動デバイス５３を実装するためのパッド５１ｃが形成されている。このパッド５１ｃは、図３に示されるように、マイクロ波伝播用多層配線基板５１に設けられる複数のサーマルスルーホール５１ｄを介して、金属コア５５に電気的に接続される。

サーマルスルーホール５１ｄは、熱抵抗を低減し、熱伝導率を高めたスルーホールである。このサーマルスルーホール５１ｄは、マイクロ波伝播用多層配線基板５１に貫通孔を設け、この貫通孔の内壁に銅めっきを、厚さを厚く施すことにより形成することができる。内壁に銅めっきが形成される貫通孔に、熱伝導率に優れた導電性ペーストを充填して、サーマルスルーホール５１ｄを形成してもよい。また、サーマルスルーホール５１ｄは、銅めっきを形成することなく、貫通孔に導電性ペーストを充填することによっても、形成することができる。なお、表面実装に適したパッド５１ｃを形成するため、サーマルスルーホール５１ｄ上には、カバーめっきが施される。

マイクロ波伝播用多層配線基板５１の上面には、マイクロ波伝播用多層配線基板５１の−Ｘ側端部中央から＋Ｘ側端部中央に至るマイクロ波伝送路５１ｂが形成されている。

マイクロ波伝送路５１ｂは、マイクロ波伝播用多層配線基板５１の−Ｘ側端からパッド５１ｃ近傍に至る伝送路と、パッド５１ｃ近傍からキャビティ５１ａに至る伝送路と、キャビティ５１ａからマイクロ波伝播用多層配線基板５１の＋Ｘ側端に至る伝送路の３部分からなる。また、マイクロ波伝播用多層配線基板５１には、図示は省略されているが、例えばフィルタ、方向性結合器などのマイクロ波受動回路が形成される。

電源回路・制御回路用多層配線基板７０は、マイクロ波高出力電力増幅器５２と、マイクロ波能動デバイス５３の制御回路や電源回路が形成される多層配線基板である。制御回路や電源回路は、電源回路・制御回路用多層配線基板７０に形成される導体パターンと、当該電源回路・制御回路用多層配線基板７０に実装（リフロー実装）される電子部品とによって形成される。

図３に示されるように、電源回路・制御回路用多層配線基板７０には、キャビティ７０ａが形成されている。電源回路・制御回路用多層配線基板７０は、キャビティ７０ａが、マイクロ波伝播用多層配線基板５１のキャビティ５１ａと重なるように位置決めされた状態で、金属コア５５の下面に、例えば、プリプレグを介して接着されている。金属コア５５の下面は、電源回路・制御回路用多層配線基板７０のキャビティ７０ａから露出した状態になっている。

図４に示されるように、配線基板５０には、マイクロ波高出力電力増幅器５２とマイクロ波能動デバイス５３が実装される。

マイクロ波高出力電力増幅器５２は、マイクロ波伝送路５１ｂを伝送するマイクロ波信号を増幅するための増幅器である。図４に示されるように、マイクロ波高出力電力増幅器５２の＋Ｘ側の面と−Ｘ側の面には、電極５２ａが形成されている。

マイクロ波高出力電力増幅器５２は、はんだあるいは導電性接着剤などにより、マイクロ波伝播用多層配線基板５１のキャビティ５１ａを介して、金属コア５５の上面に接着される。また、マイクロ波高出力電力増幅器５２に設けられた電極５２ａそれぞれは、図２に示されるように、端子６０によって、マイクロ波伝送路５１ｂに接続される。接続方法はこの限りではない。

また、マイクロ波高出力電力増幅器５２の他の電極は、図示は省略されているが、金属コア５５と絶縁されたスルーホール導体によって、電源回路・制御回路用多層配線基板７０の導体層と接続される。これにより、電源回路・制御回路用多層配線基板７０に形成される制御回路により、マイクロ波高出力電力増幅器５２への電源の印加や、その制御が可能となる。

マイクロ波能動デバイス５３は、例えば移相器、スイッチ、減衰器、緩衝増幅器、リミッタ、低雑音増幅器、或いはこれらの複数がパッケージ化されることにより形成されるデバイスである。

図５に示されるように、マイクロ波能動デバイス５３の下面（−Ｚ側の面）には、矩形の放熱パッド５３ａが形成されている。そして、放熱パッド５３ａの＋Ｘ側及び−Ｘ側には、マイクロ波伝送路５１ｂに接続される電極パッド５３ｂが形成され、主に＋Ｙ側及び−Ｙ側には、電源回路・制御回路用多層配線基板７０に接続される電極パッド５３ｃが形成されている。

図４を参照するとわかるように、マイクロ波能動デバイス５３は、マイクロ波伝播用多層配線基板５１に実装される。はんだなどにより、放熱パッド５３ａは、マイクロ波伝播用多層配線基板５１に形成されるパッド５１ｃに接続され、電極パッド５３ｂは、マイクロ波伝送路５１ｂに接続される。また、電極パッド５３ｃは、図示は省略されているが、金属コア５５と電気的に絶縁される不図示のスルーホール導体を介して、電源回路・制御回路用多層配線基板７０に形成される回路に接続される。これにより、電源回路・制御回路用多層配線基板７０に形成される制御回路により、マイクロ波能動デバイス５３への電源の印加や、その制御が可能となる。

図６は、高周波モジュール１０のＸＺ断面を示す図である。図６を参照するとわかるように、上述した配線基板５０は、ケース２０に搭載される。そして、はんだや導電性接着材などにより、ケース２０の突出部２３が、電源回路・制御回路用多層配線基板７０のキャビティ７０ａを介して、金属コア５５に接着される。また、カバー３０は、配線基板５０を介して、ケース２０に、例えば、ねじなどにより固定される。これにより、ケース２０、カバー３０、配線基板５０が一体化され、モジュール本体１１が形成される。このモジュール本体１１に、マイクロ波伝送路５１ｂに接続されるコネクタ１２が取り付けられる。これにより、高周波モジュール１０が完成する。

以上説明したように、本実施形態では、図６に示されるように、出力の大きいマイクロ波高出力電力増幅器５２が、熱伝導率の高い金属からなる金属コア５５に密着している。そして、金属コア５５は、マイクロ波高出力電力増幅器５２と密着する部分が、ヒートシンクとして機能するケース２０の突出部２３に密着している。このため、マイクロ波高出力電力増幅器５２とケース２０の間の熱抵抗を小さくすることができる。したがって、マイクロ波高出力電力増幅器５２から発生する熱を、ケース２０まで効率よく熱伝導し、ケース２０はヒートシンクとして効率よく放熱することができる。その結果、マイクロ波高出力電力増幅器５２の温度上昇を抑制することができ、高周波モジュール１０の性能安定性や動作安定性を向上させることができる。また、マイクロ波高出力電力増幅器５２が過熱されることによる劣化を抑制し、装置の長寿命化を図ることが可能となる。

本実施形態では、マイクロ波能動デバイス５３が、図６に示されるように、例えばめっきなどからなる複数のサーマルスルーホール５１ｄによって、金属コア５５に接続されている。このため、マイクロ波能動デバイス５３から発生する熱を、金属コア５５を介してケース２０へ伝え、その後ケース２０をヒートシンクとして効率よく放熱することができる。その結果、マイクロ波能動デバイス５３の温度上昇を抑制することができ、高周波モジュール１０の性能安定性や動作安定性を向上させることができる。また、マイクロ波能動デバイス５３が過熱されることによる劣化を抑制し、装置の長寿命化を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、マイクロ波伝送路５１ｂが形成されるマイクロ波伝播用多層配線基板５１と、制御回路が形成される電源回路・制御回路用多層配線基板７０の間に、金属からなる金属コア５５が位置している。このため、金属コア５５がシールドとして機能し、マイクロ波伝播用多層配線基板５１と電源回路・制御回路用多層配線基板７０相互間が、電磁的に遮蔽される。このため、高周波モジュール１０の誤動作や異常動作を回避して、性能安定性や動作安定性を向上させることが可能となる。

本実施形態では、金属コア５５を接地することで配線基板５０の基準電位が金属コア５５の電位となる。そして、マイクロ波伝送路５１ｂは、接地の不連続点を持たない。このため、マイクロ波を性能劣化なく伝送することが可能となる。

例えば、従来のマイクロ波送受信装置は、ヒートスプレッダとなる金属板や筐体と、種々の基板から構成される。この種のマイクロ波送受信装置は、高周波性能（接地の不連続性）、線膨張係数が異なる各部が熱膨張することによる接合部への影響による信頼性、電磁波干渉、価格面に関する種々の問題点があった。本実施形態に係るマイクロ波送受信装置は、マイクロ波伝送路に不連続点を持たず、マイクロ波伝送路に直列的に接続される部品も比較的少ない。このため、上記問題を改善することが可能となる。

一例として、図７に示されるように、上述したマイクロ波伝播用多層配線基板５１と金属コア５５は、絶縁樹脂層５１０と、絶縁樹脂層５１０の上面に接着される銅箔５１０ｂと、絶縁樹脂層５１０の下面に接着される金属層５５０を有する銅張積層板５００から形成することができる。絶縁樹脂層５１０の上面の銅箔５１０ｂは、パターニングされることにより、マイクロ波伝播用多層配線基板５１のマイクロ波伝送路５１ｂや、パッド５１ｃなどを構成する。また、絶縁樹脂層５１０の下面の金属層５５０は、金属コア５５を構成する。パッド５１ｃとなる銅箔５１０ｂは、絶縁樹脂層５１０に形成されたサーマルスルーホール５１ｄを介して、金属層５５０に電気的に接続される。

上述の銅張積層板５００と、電源回路・制御回路用多層配線基板７０は、例えばプリプレグ８００を介して接着される。これにより、図８に示されるように、銅張積層板５００と電源回路・制御回路用多層配線基板７０とが一体化する。

そして、例えば、レーザを用いて、図９に示されるように、銅箔５１０ｂと絶縁樹脂層５１０にわたるキャビティ５１ａを銅張積層板５００に形成するとともに、電源回路・制御回路用多層配線基板７０にキャビティ７０ａを形成する。これにより、配線基板５０が完成する。

また、上述した製造方法の説明では、マイクロ波伝播用多層配線基板５１と金属コア５５が、銅張積層板５００から形成されることとした。これに限らず、例えば、マイクロ波伝播用多層配線基板５１だけを、絶縁樹脂層５１０と、この絶縁樹脂層５１０の上面に貼り付けられた銅箔５１０ｂと、下面に貼り付けられた銅箔５１０ａを有する銅張積層板５００を用いて形成することとしてもよい。

この場合は、銅張積層板５００の銅箔５１０ｂをパターニングしてマイクロ波伝送路５１ｂや、パッド５１ｃなどを形成する。そして、銅張積層板５００の下面に、例えば、導電性接着剤を用いて、金属コア５５を接着する。これにより、図１０に示されるように、銅張積層板５００と金属コア５５が一体化する。

次に、図１０を参照するとわかるように、金属コア５５と、電源回路・制御回路用多層配線基板７０を、プリプレグ８００を介して接着する。これにより、銅張積層板５００、金属コア５５、及び電源回路・制御回路用多層配線基板７０が一体化する。そして、銅箔５１０ｂと絶縁樹脂層５１０にわたるキャビティ５１ａを形成するとともに、電源回路・制御回路用多層配線基板７０にキャビティ７０ａを形成すると、配線基板５０が完成する。

また、本実施形態では、マイクロ波伝播用多層配線基板５１と電源回路・制御回路用多層配線基板７０との接続が、スルーホール導体によって実現される。このため、マイクロ波伝播用多層配線基板５１と電源回路・制御回路用多層配線基板７０を接続する作業が必要なく、製品の低価格化が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、マイクロ波伝播用多層配線基板５１に、マイクロ波能動デバイス５３が表面実装されている場合について説明した。これに限らず、例えばマイクロ波伝播用多層配線基板５１を多層化し、マイクロ波能動デバイス５３を、マイクロ波伝播用多層配線基板５１の内部に実装することとしてもよい。

また、図１１に示されるように、マイクロ波能動デバイス５３が実装されるパッド５１ｃが、銅インレイなど、円柱状あるいは直方体状の金属部材５１ｅの上面によって形成されていてもよい。金属部材５１ｅを、マイクロ波伝播用多層配線基板５１に埋め込んで、例えばさらに上面を研磨することで、パッド５１ｃとすることができる。金属部材５１ｅによって、マイクロ波能動デバイス５３を金属コア５５に接続することで、マイクロ波能動デバイス５３と金属コア５５の間の熱抵抗を極めて小さくすることができる。このため、サーマルスルーホール５１ｄによって、マイクロ波能動デバイス５３を金属コア５５に接続する場合に比較して、さらに効率よく、マイクロ波能動デバイス５３を冷却することが可能となる。

上記実施形態では、マイクロ波高出力電力増幅器５２を、金属コア５５に接着することとしたが、これに限らず、例えば、図１２に示されるように、マイクロ波高出力電力増幅器５２を、ねじ１２０を用いて、ケース２０の突出部２３に固定することとしてもよい。この場合には、ねじ１２０によって、マイクロ波高出力電力増幅器５２と、金属コア５５と、ケース２０とが密着する。このため、マイクロ波高出力電力増幅器５２からの熱を、ケース２０をヒートシンクとして、効率的に放熱することが可能となる。

上記実施形態では、マイクロ波伝播用多層配線基板５１にマイクロ波能動デバイス５３が１つ実装されている場合について説明した。これに限らず、マイクロ波伝播用多層配線基板５１には、複数のマイクロ波能動デバイス５３が実装されていてもよい。

図１３に示されるように、高周波モジュール１０は、例えばプリントダイポールアンテナ素子などの放射器９１と、通信装置９２が接続されることで、マイクロ波送受信装置２００を構成する。高周波モジュール１０は、ケース２０とカバー３０によってパッケージ化されている。このため、これらのマイクロ波送受信装置２００を複数備える送受信装置を構成することも容易である。

図１４に示されるように、通信装置９２のマイクロ波配線基板９３を、マイクロ波伝播用多層配線基板５１に直接接続することとしてもよい。この場合には、通信装置９２のマイクロ波配線基板９３を、金属コア５５上に載せて密着させる。これにより、本実施形態に係る高周波モジュール１０と他の通信装置９２の接地（ＧＮＤ）電位基準を統一し、マイクロ波伝播用多層配線基板５１とマイクロ波配線基板９３の間に不連続点がない構造とすることができる。

本発明のいくつか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。

１０ 高周波モジュール
１１ モジュール本体
１２ コネクタ
２０ ケース
２１ フレーム部
２２ 底板部
２３ 突出部
３０ カバー
５０ 配線基板
５１ マイクロ波伝播用多層配線基板
５１ａ キャビティ
５１ｂ マイクロ波伝送路
５１ｃ パッド
５１ｄ サーマルスルーホール
５１ｅ 金属部材
５２ マイクロ波高出力電力増幅器
５２ａ 電極
５３ マイクロ波能動デバイス
５３ａ 放熱パッド
５３ｂ，５３ｃ 電極パッド
５５ 金属コア
６０ 端子
７０ 制御回路用多層配線基板
７０ａ キャビティ
９１ プリントダイポールアンテナ素子
９２ 通信装置
９３ マイクロ波配線基板
１２０ ねじ
２００ マイクロ波送受信装置
５００ 銅張積層板
５１０ 絶縁樹脂層
５１０ａ 銅箔
５１０ｂ 銅箔
５５０ 金属層
８００ プリプレグ

Claims (7)

1. 開口が形成され、一側の面にマイクロ波を伝送する伝送回路が形成される第１基板と、
   前記第１基板の開口に配置される第１デバイスと、
   前記第１基板の他側に配置され、前記第１デバイスの制御回路が形成されるとともに、前記第１デバイスと重なるところに開口が形成される第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に配置され、前記第１デバイスが接する金属コアと、
   前記第２基板に設けられる開口を介して、前記金属コアに接続される接続部を有する金属からなる筐体と、
   を有する高周波モジュール。
2. 前記第１デバイスは、いずれかの面が前記金属コアに密着している請求項１に記載の高周波モジュール。
3. 前記第１デバイスは、電力増幅器である請求項２に記載の高周波モジュール。
4. 前記第１基板には、前記第１デバイス以外の第２デバイスが実装され、前記第２デバイスは、前記第１基板に設けられた導体を介して、前記金属コアに接続されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の高周波モジュール。
5. 前記第１基板に設けられた前記導体は、サーマルスルーホールである請求項４に記載の高周波モジュール。
6. 前記第１基板に設けられた前記導体は、銅インレイである請求項４に記載の高周波モジュール。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の高周波モジュールを用いたマイクロ波送受信装置。

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