JP6910313B2

JP6910313B2 - 高周波デバイスおよび空中線

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Publication number: JP6910313B2
Application number: JP2018025464A
Authority: JP
Inventors: 実人木村; 幸宣垂井; 勝巳宮脇; 石田　清; 清石田; 靖朗白井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2038-02-15
Also published as: JP2019145536A

Description

本発明は、ヒートスプレッダを有する高周波デバイスおよび空中線に関する。

マイクロ波帯、ミリ波帯などの高周波帯で動作する高周波回路などの発熱部品を搭載する高周波デバイスでは、発熱部品の性能低下、信頼性低下などを抑制するために、放熱性能を確保することが重要である。

特許文献１に開示される高周波デバイスである半導体パッケージは、表面側キャップ部と、表面側キャップ部に接続される裏面側キャップ部と、表面側キャップ部と裏面側キャップ部との間に形成される空間に封止される発熱部品である半導体チップとを有する。半導体チップの裏面電極と裏面側貫通電極とが熱的に接続されることで、半導体チップが発した熱が裏面側貫通電極を介して半導体パッケージの外に放熱される。

特開２０１３−２０７１３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体パッケージは、裏面側貫通電極の断面積が半導体チップに設けられた裏面電極の表面積に比べて小さい。このため、半導体チップと裏面側キャップ部との間の熱抵抗が大きくなって、半導体チップで発生した熱が裏面側キャップ部に伝わりにくくなり、半導体パッケージの放熱性能が低下してしまう場合があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱性能を向上させることが可能な高周波デバイスおよび空中線を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高周波デバイスは、第１の多層樹脂基板と、第１の多層樹脂基板に設けられる発熱部品と、発熱部品に接する第１のヒートスプレッダと、第１のヒートスプレッダに接する第２のヒートスプレッダと、第２のヒートスプレッダに接する導電膜と、を備え、第１のヒートスプレッダは、発熱部品と第２のヒートスプレッダとの間に設けられ、第２のヒートスプレッダは、第１の多層樹脂基板と平行な面の面積が第１のヒートスプレッダよりも大きい。導電膜は、第１の多層樹脂基板のグランドビアホールと電気的に接続され、導電膜は、第２のヒートスプレッダと接する面の裏面に複数の凹凸を有する。

本発明によれば、高周波デバイスの放熱性能を向上させることが可能であるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる高周波デバイスの断面構成を示す図図１に示す高周波デバイスを備える空中線の断面構成を示す図図１に示す高周波デバイスの機能構成を示す図本発明の実施の形態２にかかる高周波デバイスの断面構成を示す図図４に示す高周波デバイスを備える空中線の断面構成を示す図本発明の実施の形態３にかかる高周波デバイスの断面構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る高周波デバイスおよび空中線を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る高周波デバイス１００の断面構成を示す図である。高周波デバイス１００は、マイクロ波帯、ミリ波帯などの高周波帯で動作する。マイクロ波帯で動作する高周波デバイス１００は、マイクロ波デバイスとも呼ばれる。

高周波デバイス１００は、第１の多層樹脂基板であるデバイス用の多層樹脂基板１と、多層樹脂基板１に設けられるＩＣ（Integrated Circuit）４およびＩＣ６と、ＩＣ４に接するヒートスプレッダ５と、ＩＣ６に接するヒートスプレッダ７と、ヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７に接するヒートスプレッダ９とを有する。ＩＣ４およびＩＣ６は、高周波帯で動作する高周波回路であり、通電時に熱を発する発熱部品の一例である。具体的にはＩＣ４は、ドライバ増幅器（Driver Amplifier：ＤＡ）であり、ＩＣ６は、高出力増幅器（High Power Amplifier：ＨＰＡ）である。

ヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７は、発熱部品に接する第１のヒートスプレッダの一例である。ヒートスプレッダ９は、第１のヒートスプレッダに接する第２のヒートスプレッダの一例である。ヒートスプレッダ５は、ＩＣ４が発する熱を効率的に伝えるように、ヒートスプレッダ５のＩＣ４に接する面は、面全体がＩＣ４に接するように設けられることが望ましい。同様に、ヒートスプレッダ７のＩＣ６に接する面は、面全体がＩＣ６に接するように設けられることが望ましい。またヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７の全面がヒートスプレッダ９に接するように設けられることが望ましい。高周波デバイス１００は、チップ部品８をさらに有する。チップ部品８は、多層樹脂基板１のＩＣ４およびＩＣ６が設けられている面に表面実装されている。チップ部品８は、ＲＦ（Radio Frequency）重畳波を抑圧するバイパスキャパシタである。

多層樹脂基板１は、第１の板面１ａと、第２の板面１ｂとを有する。多層樹脂基板１の第２の板面１ｂには、ＩＣ４およびＩＣ６が設けられる。本明細書では、多層樹脂基板１上でＩＣ４およびＩＣ６が並ぶ方向をＸ軸方向とし、多層樹脂基板１の板厚方向をＹ軸方向とし、多層樹脂基板１の板面内方向であって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とする。

多層樹脂基板１には、複数のグランドビアホール１１と、信号ビアホール１２と、信号ビアホール１３とが形成されている。多層樹脂基板１の第１の板面１ａには、グランドパターン１９と、信号入出力端子２０と、信号入出力端子２１とが設けられている。多層樹脂基板１の第２の板面１ｂには、グランドパターン１４と、信号線路１５と、パッド１６と、パッド１７と、複数のパッド１８とが設けられている。

グランドビアホール１１、信号ビアホール１２および信号ビアホール１３は、多層樹脂基板１を板厚方向に貫通する孔である。信号線路１５は、入力ＲＦ線路、ゲートバイアス供給線路、出力ＲＦ線路などである。

Ｙ軸方向において、複数のグランドビアホール１１のそれぞれの第１の板面１ａ側の端部は、グランドパターン１９と電気的に接続されており、複数のグランドビアホール１１のそれぞれの第２の板面１ｂ側の端部は、グランドパターン１４と電気的に接続されている。またＹ軸方向において、信号ビアホール１２の第１の板面１ａ側の端部は、信号入出力端子２０と電気的に接続されており、信号ビアホール１２の第２の板面１ｂ側の端部は、パッド１６と電気的に接続されている。Ｙ軸方向において、信号ビアホール１３の第１の板面１ａ側の端部は、信号入出力端子２１と電気的に接続されており、信号ビアホール１３の第２の板面１ｂ側の端部は、パッド１７と電気的に接続されている。信号線路１５は、チップ部品８と電気的に接続されている。

複数のグランドビアホール１１は、多層樹脂基板１の外周に沿って、信号線路１５と、パッド１６と、パッド１７と、パッド１８と、信号入出力端子２０および信号入出力端子２１などの信号パッドと、信号ビアホール１２と、信号ビアホール１３とを取り囲むように形成されている。

ＩＣ４のＹ軸方向の一端面を第１端面４ａと称し、他端面を第２端面４ｂと称する。ＩＣ４の第１端面４ａには、入出力端子４１および入出力端子４２が設けられている。入出力端子４１は、微細接合剤３０を介してパッド１６と電気的に接続される。入出力端子４２は、微細接合剤３０を介してパッド１８と電気的に接続される。微細接合剤３０は、導電性の銅ピラー、ソルダーボールなどである。ＩＣ４は、例えば複数の微細接合剤３０を介して多層樹脂基板１にフリップチップ実装される。これによりＩＣ４と多層樹脂基板１との間に空間を生じる。なお、この空間には、微細接合剤３０が存在しない部分において、後述する封止部５０が充填されている。

ＩＣ４の第２端面４ｂには、ヒートスプレッダ５が設けられている。ヒートスプレッダ５のＹ軸方向の一端面を第１端面５ａと称し、他端面を第２端面５ｂと称する。ＩＣ４は、ヒートスプレッダ５の第１端面５ａに接している。このため、ＩＣ４とヒートスプレッダ５とは熱的に接続されている。以下、第１の部品と第２の部品とが「熱的に接続されている」とは、第１の部品と第２の部品との間に断熱部材が存在せず、第１の部品と第２の部品との間で熱移動が生じる状態を言う。以下、第１の部品と第２の部品とが「熱的に接続されている」とは、第１の部品と第２の部品とが直接接している状態、または、第１の部品と第２の部品との間に伝熱性を有する部品が介在している状態などである。例えばＩＣ４の第２端面４ｂは、ヒートスプレッダ５の第１端面５ａに直接接触する。或いはＩＣ４の第２端面４ｂは、熱導電性接着剤または放熱シートを介在してヒートスプレッダ５の第１端面５ａに当接する。第２端面４ｂは、第１端面４ａの裏面であり、ＸＺ面に平行である。第２端面５ｂは、第１端面５ａの裏面であり、ＸＺ面に平行である。

ＩＣ６のＹ軸方向の一端面を第１端面６ａと称し、他端面を第２端面６ｂと称する。ＩＣ６の第１端面６ａには、入出力端子６１および入出力端子６２が設けられている。入出力端子６１は、微細接合剤３０を介してパッド１８と電気的に接続される。入出力端子６２は、微細接合剤３０を介してパッド１７と電気的に接続される。ＩＣ６は、例えば複数の微細接合剤３０を介して多層樹脂基板１にフリップチップ実装される。これによりＩＣ６と多層樹脂基板１との間に空間を生じる。なお、この空間には、微細接合剤３０が存在しない部分において、後述する封止部５０が充填されている。

ＩＣ６の第２端面６ｂには、ヒートスプレッダ７が設けられている。ヒートスプレッダ７のＹ軸方向の一端面を第１端面７ａと称し、他端面を第２端面７ｂと称する。ＩＣ６は、ヒートスプレッダ７の第１端面７ａに接している。このため、ＩＣ６とヒートスプレッダ７とは熱的に接続されている。例えばＩＣ６の第２端面６ｂは、ヒートスプレッダ７の第１端面７ａに直接接触する。或いはＩＣ６の第２端面６ｂは、熱導電性接着剤または放熱シートを介在してヒートスプレッダ７の第１端面７ａに当接してもよい。ＩＣ６の第２端面６ｂが、熱導電性接着剤または放熱シートを介在してヒートスプレッダ７の第１端面７ａに当接するよりも、ＩＣ６の第２端末６ｂがヒートスプレッダ７の第１端面７ａに直接接触する方が、熱抵抗を小さくすることができる。第２端面６ｂは、第１端面６ａの裏面であり、ＸＺ面に平行である。第２端面７ｂは、第１端面７ａの裏面であり、ＸＺ面に平行である。

ヒートスプレッダ５の第２端面５ｂと、ヒートスプレッダ７の第２端面７ｂとは、ヒートスプレッダ９の第１端面９ａに接している。このため、ヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７と、ヒートスプレッダ９とが熱的に接続されている。例えば、ヒートスプレッダ５の第２端面５ｂおよびヒートスプレッダ７の第２端面７ｂのそれぞれは、ヒートスプレッダ９の第１端面９ａに直接接触する。或いは、ヒートスプレッダ５の第２端面５ｂおよびヒートスプレッダ７の第２端面７ｂのそれぞれは、熱伝導性接着剤または放熱シートを介在してヒートスプレッダ９の第１端面９ａに当接してもよい。ヒートスプレッダ５の第２端面５ｂおよびヒートスプレッダ７の第２端面７ｂのそれぞれが、熱伝導性接着剤または放熱シートを介在してヒートスプレッダ９の第１端面９ａに当接するよりも、ヒートスプレッダ５の第２端面５ｂおよびヒートスプレッダ７の第２端面７ｂのそれぞれが、ヒートスプレッダ９の第１端面９ａに直接接触する方が、熱抵抗を小さくすることができる。

ヒートスプレッダ５、ヒートスプレッダ７およびヒートスプレッダ９は、導電性を有し、伝熱性が高い。多層樹脂基板１と平行な面において、ヒートスプレッダ５の第１端面５ａの面積は、ＩＣ４の第２端面４ｂの面積と同程度であり、ヒートスプレッダ７の第１端面７ａの面積は、ＩＣ６の第２端面６ｂの面積と同程度である。またヒートスプレッダ９は、ヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７のそれぞれよりも、多層樹脂基板１に平行な面の面積が大きい。多層樹脂基板１に平行な面とは、ＸＺ面に平行な面であり、多層樹脂基板１の第１の板面１ａおよび第２の板面１ｂに平行な面である。

ＩＣ４およびＩＣ６は、微細接合剤３０を介して多層樹脂基板１に接合されている。ＩＣ４およびＩＣ６が接合された多層樹脂基板１上には、封止部５０が成形されている。封止部５０は、モールド樹脂であり、ＩＣ４、ＩＣ６、ヒートスプレッダ５、ヒートスプレッダ７、ヒートスプレッダ９、チップ部品８、信号線路１５、パッド１６、パッド１７およびパッド１８を内部に含むように成形されている。ＩＣ４、ＩＣ６、ヒートスプレッダ５、ヒートスプレッダ７およびヒートスプレッダ９の周囲は、封止部５０で覆われている。

第２端面４ｂを除くＩＣ４の外周面は、封止部５０で覆われている。第２端面６ｂを除くＩＣ６の外周面は、封止部５０で覆われている。第１端面５ａおよび第２端面５ｂを除くヒートスプレッダ５の外周面は、封止部５０で覆われている。第１端面７ａおよび第２端面７ｂを除くヒートスプレッダ７の外周面は、封止部５０で覆われている。第１端面９ａの一部および第２端面９ｂを除くヒートスプレッダ９の外周面は、封止部５０で覆われている。封止部５０の成形方法は、従来から採用されている工法であり、高周波デバイス１００を安価に製造することが可能である。

ヒートスプレッダ９の第２端面９ｂを、封止部５０で覆うことなく露出させるために、ヒートスプレッダ９の第２端面９ｂと、封止部５０の表面とが同一平面となるように、樹脂材を、ＩＣ４、ＩＣ６、ヒートスプレッダ５、ヒートスプレッダ７およびヒートスプレッダ９の周囲にモールド成形することができる。或いは、ＩＣ４、ＩＣ６、ヒートスプレッダ５、ヒートスプレッダ７およびヒートスプレッダ９の周囲に樹脂材をモールド成形した後、ヒートスプレッダ９の第２端面９ｂと封止部５０の表面とが同一平面となるように、封止部５０を研磨してもよい。

封止部５０の表面およびヒートスプレッダ９の第２端面９ｂには、導電膜２が形成されている。導電膜２は、無電解メッキまたは導電性接着剤など導電性を有する被膜である。メッキ被膜の材料は、Ｎｉ（ニッケル）、銀などである。導電性接着剤は、銀粒子を含むエポキシ材料などである。なお導電膜２として無電解メッキを用いる場合は、封止部５０とヒートスプレッダ９との境界付近に、導電性接着剤または薄膜導電金属シートを接触させて、封止部５０とヒートスプレッダ９との境界領域における電気的接続および電磁遮蔽機能、つまりシールド機能を強化してもよい。導電膜２は、多層樹脂基板１のグランドパターン１４を介してグランドビアホール１１と電気的に接続されている。

多層樹脂基板１と導電膜２との間には、空間３が形成されており、空間３に封止部５０が充填されている。多層樹脂基板１に設けられた導電膜２の内側面２ａは、ヒートスプレッダ９の第２端面９ｂと熱的に接続される。多層樹脂基板１に設けられた導電膜２のＹ軸方向の端部は、グランドパターン１４と電気的に接続される。

上記の高周波デバイス１００では、信号入出力端子２０に送信信号が入力される。信号入出力端子２０に入力された送信信号であるＲＦ信号は、信号ビアホール１２、パッド１６、微細接合剤３０および入出力端子４１を介して、ＩＣ４に入力される。ＩＣ４に入力されたＲＦ信号は、入出力端子４２、微細接合剤３０、パッド１８、微細接合剤３０および入出力端子６１を介して、ＩＣ６に入力される。ＩＣ６に入力されたＲＦ信号は、入出力端子６２、微細接合剤３０、パッド１７および信号ビアホール１３を介して、信号入出力端子２１に伝送される。

パッド１６、信号ビアホール１２および信号入出力端子２０は、同軸構造の信号端子部８４を構成する。パッド１７、信号ビアホール１３および信号入出力端子２１は、同軸構造の信号端子部８５を構成する。

図２は、図１に示す高周波デバイス１００を備える空中線５００の断面構成を示す図である。図２に示す空中線５００は、高周波モジュール２００と、放熱板１４０と、弾性を有する放熱シート１５０と、制御基板１６０とを備える。高周波モジュール２００、放熱シート１５０、放熱板１４０および制御基板１６０は、Ｙ軸方向に記載された順で配置されており、放熱板１４０は、放熱シート１５０と制御基板１６０との間に設けられている。

高周波モジュール２００は、第２の多層樹脂基板であるモジュール用の多層樹脂基板１１０と、複数の高周波デバイス１００と、制御用ＩＣ１２０と、チップ部品１３０と、複数のアンテナ素子２１０とを備える。高周波モジュール２００の備える高周波デバイス１００がマイクロ波デバイスである場合、高周波モジュール２００は、マイクロ波モジュールとも呼ばれる。

多層樹脂基板１１０の一端面を第１の板面１１０ａと称し、他端面を第２の板面１１０ｂと称する。複数の高周波デバイス１００と制御用ＩＣ１２０とチップ部品１３０とは、多層樹脂基板１１０の第１の板面１１０ａに設けられている。制御用ＩＣ１２０およびチップ部品１３０は、多層樹脂基板１１０に表面実装されている。チップ部品１３０は、抵抗、コンデンサなどである。複数のアンテナ素子２１０は、多層樹脂基板１１０の第２の板面１１０ｂに設けられている。

放熱シート１５０は、Ｙ軸方向の一端面が放熱板１４０に接しており、Ｙ軸方向の他端面が複数の高周波デバイス１００の導電膜２に接している。放熱シート１５０は、高い弾性力を有すると共に高い熱伝導性を有するシートである。放熱シート１５０の弾性率は、高周波デバイス１００が放熱シート１５０と接触する面である導電膜２の弾性率よりも小さいことが望ましい。放熱シート１５０の材料は、カーボン、銀などの高熱伝導材が埋め込まれたシリコンゴムなどである。

多層樹脂基板１１０および制御基板１６０は、放熱シート１５０および放熱板１４０を介して、第１のコネクタである電源制御コネクタ１７０と、第２のコネクタであるＲＦコネクタ１８０とにより相互に接続されている。

多層樹脂基板１１０は、Ｙ軸方向に圧力が加えられながら放熱板１４０にねじなどの固定部品を用いて固定されているため、高周波デバイス１００の導電膜２が弾性を有する放熱シート１５０に押し当てられた状態となる。このような構成をとることで、高周波デバイス１００の導電膜２、放熱シート１５０および放熱板１４０が熱的に接続される。

多層樹脂基板１１０には、同軸構造の信号端子部１１５および信号端子部１２１と、内層信号線路であるＲＦ伝送線路１１６およびＲＦ伝送線路１１７とが設けられている。ＲＦコネクタ１８０と高周波デバイス１００とは、ＲＦ伝送線路１１６および信号端子部１１５を介して相互に接続される。アンテナ素子２１０と高周波デバイス１００とは、ＲＦ伝送線路１１７および信号端子部１２１を介して相互に接続されている。

制御基板１６０では、高周波モジュール２００に供給される電源と制御信号とが生成される。制御基板１６０で生成された電源および制御信号は、電源制御コネクタ１７０を介して多層樹脂基板１１０上の高周波デバイス１００に入力される。

高周波モジュール２００の送信入力信号であるＲＦ信号および高周波モジュール２００の受信出力信号であるＲＦ信号は、ＲＦコネクタ１８０を介して、アンテナ素子２１０と送受信機６００との間で伝送され、またはアンテナ素子２１０と分配合成回路７００との間で伝送される。送受信機６００と分配合成回路７００との間の接続順は任意である。

送受信機６００から出力されるＲＦ送信信号は、ＲＦコネクタ１８０と、ＲＦ伝送線路１１６と、信号端子部１１５とを介して、図１に示す信号入出力端子２０に伝送される。図１に示す信号入出力端子２１から出力されたＲＦ送信信号は、ＲＦ伝送線路１１７を介してアンテナ素子２１０へ伝送され、アンテナ素子２１０から出力される。

アンテナ素子２１０で受信されたＲＦ受信信号は、ＲＦ伝送線路１１７を介して、図１に示す信号入出力端子２１へ伝送され、図１に示す信号入出力端子２０およびＲＦコネクタ１８０を介して、送受信機６００に伝送される。

本実施の形態では、多層樹脂基板１１０の第１の板面１１０ａに複数の高周波デバイス１００が設けられ、第２の板面１１０ｂにアンテナ素子２１０が設けられている。このため、アンテナ一体型の高周波モジュール２００を実現することができ、部品点数を削減することができる。

図３は、図１に示す高周波デバイス１００の機能構成を示す図である。高周波モジュール２００には、複数の高周波デバイス１００が設けられている。複数の高周波デバイス１００のそれぞれには、アンテナ素子２１０および送受信機６００が接続されている。

複数の高周波デバイス１００のそれぞれは、上述した高出力増幅器ＨＰＡおよびドライバ増幅器ＤＡ以外にも、低雑音増幅器ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）、サーキュレータＣＩＲ（CIrculatoR）、移相器ＰＳ（Phase Shifter）などを備える。送受信機６００から出力されるＲＦ送信信号は、移相器ＰＳ、ドライバ増幅器ＤＡ、高出力増幅器ＨＰＡおよびサーキュレータＣＩＲを介して、アンテナ素子２１０に伝送される。アンテナ素子２１０で受信されたＲＦ受信信号は、サーキュレータＣＩＲ、低雑音増幅器ＬＮＡおよび移相器ＰＳを介して、送受信機６００に伝送される。移相器ＰＳは、送受信機６００側の送受切替回路であり、サーキュレータＣＩＲは、アンテナ素子２１０側の送受切替回路である。ここで、アンテナ素子２１０側の送受切替回路には、サーキュレータＣＩＲの代わりにスイッチＳＷ（SWitch）が用いられてもよい。

以上説明したように本発明の実施の形態１にかかる高周波デバイス１００は、第１の多層樹脂基板である多層樹脂基板１と、第１の多層樹脂基板に設けられる発熱部品であるＩＣ４およびＩＣ６と、発熱部品に接する第１のヒートスプレッダであるヒートスプレッダ５，７と、第１のヒートスプレッダに接する第２のヒートスプレッダであるヒートスプレッダ９とを有する。ヒートスプレッダ５はＩＣ４とヒートスプレッダ９との間に配置され、ヒートスプレッダ７はＩＣ６とヒートスプレッダ９との間に配置される。ヒートスプレッダ９は、多層樹脂基板１と平行な面の面積が、ヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７のそれぞれよりも大きい。このため、発熱部品であるＩＣ４およびＩＣ６が発した熱は、第１のヒートスプレッダであるヒートスプレッダ５または７を介して、第２のヒートスプレッダであるヒートスプレッダ９に伝わる。また、ヒートスプレッダ９が放熱面と接触することによって、ヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７のそれぞれを放熱面と直接接触させるよりも、放熱面との接触面積を大きくすることが可能になる。したがって、放熱性能を向上させることが可能になる。

なお、高周波デバイス１００を製造する際には、ヒートスプレッダ５上にＩＣ４を搭載した後、反転させて、多層樹脂基板１にフリップチップ実装を行う。同様に、ヒートスプレッダ７上にＩＣ６を搭載した後、反転させて、多層樹脂基板１にフリップチップ実装を行う。このように多層樹脂基板１上に複数の高周波回路が搭載される場合、１つのヒートスプレッダに複数の高周波回路を搭載した後、フリップチップ実装を行うと、多層樹脂基板１の接続パッドの位置と高周波回路の位置とを合わせることが困難になる。したがって、多層樹脂基板１の接続パッドにずれなくフリップチップ実装するために、１つの高周波回路に対して１つのヒートスプレッダを設けることが望ましい。この場合、実装スペースの制約から、高周波回路と直接接する第１のヒートスプレッダのサイズを大きくすることは困難である。このため、本実施の形態では、高周波回路と直接接する第１のヒートスプレッダであるヒートスプレッダ５，７の面積を大きくするのではなく、第１のヒートスプレッダと接し、第１のヒートスプレッダよりも面積が大きい第２のヒートスプレッダを設けた。

また本発明の実施の形態１にかかる高周波デバイス１００は、複数の発熱部品であるＩＣ４およびＩＣ６と、ＩＣ４およびＩＣ６のそれぞれに対応して設けられる複数の第１のヒートスプレッダであるヒートスプレッダ５，７とを備える。ヒートスプレッダ５，７のそれぞれは、対応する発熱部品であるＩＣ４およびＩＣ６のそれぞれに接し、ヒートスプレッダ９は、ヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７に接している。このように複数の発熱部品が搭載されており、発熱部品の面積と同程度の面積のヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７を放熱面に直接接触させると、接触熱抵抗が大きく放熱性能が低下してしまうような場合であっても、ヒートスプレッダ９を使用することで、放熱面との接触面積を大きくすることが可能になり、放熱性能を向上させることが可能になる。

また、複数の高周波デバイス１００の間で高さにばらつきがあったり、多層樹脂基板１１０が反っていたり、高周波デバイス１００と多層樹脂基板１１０との接合層の高さにばらつきがあったりして、複数の高周波デバイス１００のそれぞれの導電膜２のＹ軸方向の位置が異なる場合であっても、放熱シート１５０が弾性を有しているため、導電膜２と放熱シート１５０との間を熱的に接続することができる。

また高周波デバイス１００は、ＩＣ４、ＩＣ６、ヒートスプレッダ５、ヒートスプレッダ７およびヒートスプレッダ９の周囲が封止部５０で覆われている。このため、高周波デバイス１００が放熱シート１５０に押し付けられた状態で固定された場合でも、導電膜２を介してＩＣ４およびＩＣ６に加えられる圧力が封止部５０にも分散され、ＩＣ４およびＩＣ６に設けられた端子に加わる機械的なストレスが軽減される。したがって、ＩＣ４およびＩＣ６と放熱シート１５０との間の熱抵抗を低下させるために高周波デバイス１００が放熱シート１５０に押し付けられた状態で固定された場合でも、多層樹脂基板１とＩＣ４およびＩＣ６との機械的な接続強度の低下を抑制することができ、高周波デバイス１００の寿命の低下を抑制することができる。

また高周波デバイス１００では、封止部５０およびヒートスプレッダ９の周囲が導電膜２で覆われ、多層樹脂基板１のグランドビアホール１１と導電膜２とが電気的に接続され、さらに同軸構造の信号端子部８４および信号端子部８５が、多層樹脂基板１１０に形成された同軸構造の信号端子部１１５および信号端子部１２１のそれぞれと接続されている。このため、ＩＣ４およびＩＣ６から放射された電磁波は、高周波デバイス１００の内部に閉じ込められる。したがって、多層樹脂基板１１０の全体をシールドで覆う必要がなく、構造を簡単にすることができる。

また高周波デバイス１００では、複数の発熱部品であるＩＣ４およびＩＣ６が、高周波デバイス１００に格納されている。この場合、高周波デバイス１００のサイズは１０ｍｍ角程度になる。ここで、導電性材料で覆われるパッケージ内にヒートスプレッダ５、ヒートスプレッダ７およびヒートスプレッダ９が設けられていない場合、共振周波数は１０ＧＨｚ帯近くまで低下する。具体的には、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのモールド樹脂である封止部５０の外周の全体を導体で覆い、封止部５０の誘電率が３．５である場合、最低次の共振周波数は１１．３３ＧＨｚである。実施の形態１では、グランド電位の導電性のヒートスプレッダ５、ヒートスプレッダ７およびヒートスプレッダ９によってパッケージ内が短絡されるため、共振周波数を動作周波数よりも高く設定することが可能になる。したがって、高周波デバイス１００内部でのＲＦ信号結合による発振を抑制することができる。

また高周波デバイス１００とアンテナ素子２１０との間の損失は最小化することが望ましいのに対して、高周波デバイス１００と送受信機６００との間では一定の損失が許容される。このため、空中線５００の製造時においては、ＲＦ線路を多層樹脂基板１１０内に引き回して配線し、放熱性能への影響が小さい位置で複数のＲＦコネクタ１８０をまとめた後に、放熱板１４０に貫通させることができる。このような構成をとることで、ヒートスプレッダ９の放熱性能を優先した放熱板１４０の設計が可能になる。また空中線５００の仕様によっては、多層樹脂基板１１０内でＲＦ信号の伝送経路を分配および合成することによって、放熱板１４０に貫通するＲＦコネクタ数を低減させることができる。

また空中線５００では、放熱板１４０、高周波モジュール２００およびアンテナ素子２１０が層状に配置されているため、空中線５００の厚み方向であるＹ軸方向の大きさを低減することができ、小型かつ軽量な空中線５００を実現することが可能である。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる高周波デバイス１００−１の断面構成を示す図である。高周波デバイス１００−１は、高周波デバイス１００のヒートスプレッダ７の代わりに、ヒートスプレッダ７Ａを有し、高周波デバイス１００のＩＣ６の代わりに、第１の半導体基板３２０および第２の半導体基板３１０を含む発熱部品を有する。以下、高周波デバイス１００と異なる点について主に説明する。

第１の半導体基板３２０には、窒化ガリウムなどを材料とするトランジスタが設けられ、第２の半導体基板３１０には、ガリウムヒ素などを材料とする整合回路が設けられる。第１の半導体基板３２０に設けられるトランジスタは、高耐電力および高電圧の電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタなど高出力高周波信号を増幅出力するトランジスタである。第２の半導体基板３１０にはトランジスタが設けられてもよいが、第１の半導体基板３２０よりも低電圧のトランジスタが設けられるので、第１の半導体基板３２０よりも第２の半導体基板３１０の方が発熱量が低い。

第１の半導体基板３２０は、Ｙ軸方向の一端面がヒートスプレッダ７Ａと接しており、ヒートスプレッダ７Ａと熱的に接続されている。第１の半導体基板３２０のＹ軸方向の他端面には、信号パッド３２０ａが設けられている。

第２の半導体基板３１０は、一端面に信号パッド３１０ａが設けられている。信号パッド３１０ａは、第１の半導体基板３２０に設けられた信号パッド３２０ａと微細接合剤３３０を用いてフリップチップ接合される。第２の半導体基板３１０の信号パッド３１０ａが設けられる一端面には、導電性の表面パターン３１３および表面パターン３１４が形成されている。また第２の半導体基板３１０には、板厚方向に貫通するスルーホール３１５およびスルーホール３１６が設けられている。表面パターン３１３の一端は信号パッド３１０ａに接続され、他端はスルーホール３１５の一端に接続される。スルーホール３１５の他端は、第２の半導体基板３１０の他端面に設けられた入出力端子３１１に接続される。入出力端子３１１は、微細接合剤３０を用いて多層樹脂基板１上のパッド１８と接続される。表面パターン３１４の一端は信号パッド３１０ａに接続され、他端はスルーホール３１６の一端に接続される。スルーホール３１６の他端は、第２の半導体基板３１０の他端面に設けられた入出力端子３１２に接続される。入出力端子３１２は、微細接合剤３０を用いて、多層樹脂基板１上のパッド１７と接続される。

第２の半導体基板３１０に設けられた入出力端子３１１は、スルーホール３１５を介して表面パターン３１３と電気的に接続される。また入出力端子３１１は、微細接合剤３０を介して、多層樹脂基板１上のパッド１８と電気的に接続される。

第２の半導体基板３１０に設けられた入出力端子３１２は、スルーホール３１６を介して表面パターン３１４と電気的に接続される。また入出力端子３１２は、微細接合剤３０を介して、多層樹脂基板１上のパッド１７と電気的に接続される。

図５は、図４に示す高周波デバイス１００−１を備える空中線５００−１の断面構成を示す図である。空中線５００−１は、空中線５００の高周波モジュール２００の代わりに、高周波デバイス１００−１を有する高周波モジュール２００−１を備える。

高周波モジュール２００−１は、アンテナ基板４５０と、導電性シャーシ４２０と、多層樹脂基板１１０とを備える。導電性シャーシ４２０には、部品実装部となる溝部４２１が形成される。導電性シャーシ４２０を削出して溝部４２１を形成してもよいし、穴の開いた複数の基板を積層して、複数の基板を蝋付けまたは拡散接合することで導電性シャーシ４２０を形成し、複数の基板に設けられた複数の穴が連通して形成される空間を溝部４２１としてもよいし、金属粉の焼結による３次元造形によって溝部４２１を有する導電性シャーシ４２０を形成してもよい。アンテナ基板４５０、導電性シャーシ４２０および多層樹脂基板１１０は、Ｙ軸方向にアンテナ基板４５０、導電性シャーシ４２０、多層樹脂基板１１０の順で配置される。

多層樹脂基板１１０の第１の板面１１０ａには、複数の高周波デバイス１００−１と、制御用ＩＣ１２０と、チップ部品１３０とが設けられている。多層樹脂基板１１０の第２の板面１１０ｂには、複数のサーキュレータ４００と、制御ＩＣ４１０とが表面実装されている。サーキュレータ４００は、導電性シャーシ４２０の溝部４２１に格納され、多層樹脂基板１１０の第２の板面１１０ｂ上のグランド面と導電性シャーシ４２０とを電気的に接続することにより、シールド構造になる。

導電性シャーシ４２０には、ＲＦコネクタ４７０が設けられ、アンテナ基板４５０に設けられたアンテナ素子２１０は、ＲＦコネクタ４７０と電気的に接続される。多層樹脂基板１１０には、内層信号線路であるＲＦ伝送線路１１８およびＲＦ伝送線路１１９が設けられている。サーキュレータ４００は、ＲＦ伝送線路１１８を介してＲＦコネクタ４７０に接続される。またサーキュレータ４００は、ＲＦ伝送線路１１９を介して高周波デバイス１００−１に接続される。

以上説明したように、本発明の実施の形態２にかかる高周波デバイス１００−１は、実施の形態１における発熱部品であるＩＣ６の代わりに、第１の半導体基板３２０および第２の半導体基板３１０から構成される発熱部品が設けられる。その他の構成については実施の形態１と同様であり、本実施の形態においても、ヒートスプレッダ９が放熱面と接触することになり、ヒートスプレッダ５およびヒートスプレッダ７のそれぞれを放熱面と直接接触させるよりも、放熱面との接触面積を大きくすることが可能になる。したがって、放熱性能を向上させることが可能になる。

高周波デバイス１００−１では、第１の半導体基板３２０にトランジスタのみ実装されているため、チップ面積を小さくすることができる。また第２の半導体基板３１０に整合回路が構成されているため、第１の半導体基板３２０にトランジスタ整合回路がモノリシックに製造される図１のＩＣ６と比較して、高周波デバイス１００−１の製造コストを低減することが可能である。

空中線５００−１では、高周波デバイス１００−１の外部にサーキュレータ４００が用いられている。サーキュレータ４００は、多層樹脂基板１１０のＹ軸方向の他端面、つまり多層樹脂基板１１０のアンテナ素子２１０が設けられる側の面に設けられている。このような構成によってアンテナ素子２１０が設けられる面における負荷インピーダンスの変動に起因するＩＣ４のと特性変化を低減することができる。

また、空中線５００−１のサーキュレータ４００は、導電性シャーシ４２０に設けられる溝部４２１に格納されているが、高周波デバイス１００および高周波デバイス１００−１と同様のシールド構造をサーキュレータ４００に施すことにより、導電性シャーシ４２０の溝部４２１のシールド構造を簡易化することができる。またサーキュレータ４００を高周波デバイス１００−１と同一面に実装することで、溝部４２１を省略することも可能である。

空中線５００−１では、アンテナ素子２１０と放熱板１４０との間に多層樹脂基板１１０が配置される。このため、多層樹脂基板１１０とアンテナ基板４５０との間に放熱板１４０が配置される場合と比較して、ＲＦ配線およびＲＦコネクタ１８０を配置する際の制約が軽減され、放熱性能が向上する。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかる高周波デバイス１００−２の断面構成を示す図である。高周波デバイス１００−２の構成は、実施の形態１にかかる高周波デバイス１００と導電膜２の表面形状が異なり、その他の構成要素については同様であるため、ここでは説明を省略し、差異点について主に説明する。また、高周波デバイス１００の代わりに高周波デバイス１００−２を使用した空中線５００を構成することも可能である。

導電膜２のヒートスプレッダ９と接している面の裏面は、複数の凹凸を有する。凹凸は、導電膜２の表面の全体に渡って設けられることが望ましい。放熱シート１５０との接触面積を拡大するために、導電膜２には細かい凹凸が多数設けられることが望ましい。このような構成をとることで、放熱シート１５０との接触面積が拡大し、ヒートスプレッダ９と放熱シート１５０の接触熱抵抗をさらに低減することが可能になる。したがって、ＩＣ４およびＩＣ６で発生した熱を効率的に放熱板１４０へ伝えることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１１０多層樹脂基板、１ａ，１１０ａ第１の板面、１ｂ，１１０ｂ第２の板面、２導電膜、２ａ内側面、３空間、４，６ＩＣ、４ａ，５ａ，６ａ，７ａ，９ａ第１端面、４ｂ，５ｂ，６ｂ，７ｂ，９ｂ第２端面、５，７，７Ａ，９ヒートスプレッダ、８，１３０チップ部品、１１グランドビアホール、１２，１３信号ビアホール、１４，１９グランドパターン、１５信号線路、１６，１７，１８パッド、２０，２１信号入出力端子、３０，３３０微細接合剤、４１，４２，６１，６２，３１１，３１２入出力端子、５０封止部、８４，８５，１１５，１２１信号端子部、１００，１００−１，１００−２高周波デバイス、１１６，１１７，１１８，１１９ＲＦ伝送線路、１２０制御用ＩＣ、１４０放熱板、１５０放熱シート、１６０制御基板、１７０電源制御コネクタ、１８０，４７０ＲＦコネクタ、２００，２００−１高周波モジュール、２１０アンテナ素子、３１０第２の半導体基板、３１０ａ，３２０ａ信号パッド、３１３，３１４表面パターン、３１５，３１６スルーホール、３２０第１の半導体基板、４００，ＣＩＲサーキュレータ、４１０制御ＩＣ、４２０導電性シャーシ、４２１溝部、４５０アンテナ基板、５００，５００−１空中線、６００送受信機、７００分配合成回路、ＤＡドライバ増幅器、ＨＰＡ高出力増幅器、ＬＮＡ低雑音増幅器、ＰＳ移相器。

Claims

第１の多層樹脂基板と、
前記第１の多層樹脂基板に設けられる発熱部品と、
前記発熱部品に接する第１のヒートスプレッダと、
前記第１のヒートスプレッダに接する第２のヒートスプレッダと、
前記第２のヒートスプレッダに接する導電膜と、
を備え、
前記第１のヒートスプレッダは、前記発熱部品と前記第２のヒートスプレッダとの間に設けられ、
前記導電膜は、前記第１の多層樹脂基板のグランドビアホールと電気的に接続され、
前記導電膜は、前記第２のヒートスプレッダと接する面の裏面に複数の凹凸を有し、
前記第２のヒートスプレッダは、前記第１の多層樹脂基板と平行な面の面積が前記第１のヒートスプレッダよりも大きいことを特徴とする高周波デバイス。
複数の前記発熱部品と、
複数の前記発熱部品のそれぞれに対応して設けられる複数の前記第１のヒートスプレッダと、
を備え、
複数の前記第１のヒートスプレッダのそれぞれは、対応する前記発熱部品に接し、
前記第２のヒートスプレッダは、複数の前記第１のヒートスプレッダに接することを特徴とする請求項１に記載の高周波デバイス。
前記発熱部品は、高周波帯で動作する高周波回路であることを特徴とする請求項１に記載の高周波デバイス。
前記発熱部品は、前記第１のヒートスプレッダに接する第１の半導体基板と、前記第１の半導体基板と前記第１の多層樹脂基板との間に設けられる第２の半導体基板とを含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波デバイス。
前記第１の半導体基板には、トランジスタが設けられていることを特徴とする請求項４に記載の高周波デバイス。
前記トランジスタは、窒素ガリウムから形成されていることを特徴とする請求項５に記載の高周波デバイス。
前記第２の半導体基板には、ガリウムヒ素から形成される回路が設けられることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の高周波デバイス。
前記発熱部品、前記第１のヒートスプレッダ、および前記第２のヒートスプレッダの周囲を覆う樹脂、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波デバイス。
第１の多層樹脂基板と、前記第１の多層樹脂基板に設けられる発熱部品と、前記発熱部品に接する第１のヒートスプレッダと、前記第１のヒートスプレッダに接する第２のヒートスプレッダと、を備える高周波デバイスと、
前記高周波デバイスと電気的に接続される第２の多層樹脂基板と、
前記高周波デバイスの前記第２のヒートスプレッダに接する放熱シートと、
前記放熱シートに接する放熱板と、
前記高周波デバイスと電気的に接続される制御基板と、
前記高周波デバイスと電気的に接続され、高周波信号を送受信する送受信機と、
を備え、
前記第１のヒートスプレッダは、前記発熱部品と前記第２のヒートスプレッダとの間に設けられ、
前記第２のヒートスプレッダは、前記第１の多層樹脂基板と平行な面の面積が前記第１のヒートスプレッダよりも大きく、
前記放熱板は、前記放熱シートと前記制御基板との間に設けられることを特徴とする空中線。
前記放熱シートの弾性率は、前記高周波デバイスが前記放熱シートに接触する面の弾性率よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の空中線。
導電性シャーシと、
複数のアンテナ素子を有するアンテナ基板と、
を備え、
前記第２の多層樹脂基板は、前記高周波デバイスと前記導電性シャーシとの間に設けられ、
前記導電性シャーシは、前記第２の多層樹脂基板と前記アンテナ基板との間に設けられ、
複数の前記アンテナ素子は、前記高周波デバイスを介して、前記送受信機と接続されることを特徴とする請求項９に記載の空中線。
前記導電性シャーシは、前記第２の多層樹脂基板に実装された部品を格納する溝部を有し、
前記導電性シャーシの前記溝部が形成される面は、前記第２の多層樹脂基板のグランド面に接し、
複数の前記アンテナ素子は、前記導電性シャーシに設けられた高周波コネクタと、前記高周波デバイスとを介して、前記送受信機と相互に接続されることを特徴とする請求項１１に記載の空中線。