JP2005072954A - 高周波回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の所定箇所に断熱構造を備えながらも基板強度の低下を防止し、製造を容易にした高周波回路装置を提供する。
【解決手段】 基板１の上面には低雑音増幅素子等の消費電力が小さく且つ温度変化に対する特性変化の大きな第２の素子６とともに、この第２の素子に比べて消費電力の大きな第１の素子（電力増幅素子）を実装している。基板１の下面には第２の素子６の実装位置を取り囲むように、接地電極非形成部３を設けるとともに、この接地電極非形成部３で取り囲まれた内側を内側接地電極２ｉ、外側を外側接地電極２ｈとして形成する。この接地電極非形成部３によって第１の素子から第２の素子６への熱伝導を抑制する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、消費電力の大きな発熱する素子を含む増幅回路等の高周波回路装置に関するものである。

従来、消費電力が大きくて発熱する第１の素子と、この第１の素子に比べて消費電力が小さく且つ温度変化に対する特性変化の大きな第２の素子とを備えた装置において、第１の素子と第２の素子とを熱的に分離する断熱構造を備えたものとして特許文献１，特許文献２が開示されている。

ここで特許文献１，２の装置の構造を図１０・図１１を参照して説明する。
図１０は特許文献１の半導体装置の構造を示している。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。半導体基板２１の主面に発熱部としてのパワー部２２と回路部２３とが分離形成されていて、回路部２３内に高精度回路２４が形成されている。高精度回路２４の外周には熱分離溝２７が形成されている。熱分離溝２７の深さはパワー部２２および高精度回路２４のいずれよりも深く形成されている。

この構造によってパワー部２２から高精度回路２４への横方向の熱流が遮られて高精度回路２４の温度変化による特性変動を抑えることができる。

図１１は特許文献２の制御機器の構成を示す図である。ここでプリント基板３１には、感熱部３２とリード線３３からなる温度センサを取付け部パターン３４部分で取り付けている。この温度センサの周囲にはスリット３６を設けている。このスリット３６を設けたことにより、プリント基板３１上の制御回路３５から温度センサ側への熱伝導を小さく抑えた区画部３７を形成している。
特開平８−２２２７００号公報 特開２００１−２２１４８６号公報

携帯電話の基地局用の受信回路では、低雑音特性と高出力特性が共に要求される増幅器として、低雑音増幅器と高出力増幅器を組み合わせた回路が用いられている。このような構成の回路では、高出力増幅器の発熱が大きいため、その影響で低雑音増幅器の温度が上昇し、低雑音増幅器の低雑音特性を劣化させてしまうという問題があった。

そこで特許文献１，２に開示されているような断熱構造を備えることが考えられる。しかし特許文献１に示されているような熱抵抗の大きな材料を埋め込んだ熱分離溝２７を設けるような構造では、加工が難しく高コストになる問題があった。また、特許文献２に示されているようなスリットを設ける構造では、その部分で基板の強度が低下する問題があった。

この発明の目的は、基板強度の低下を防止し製造を容易にするとともに断熱構造を備えるようにした高周波回路装置を提供することにある。

この発明は、一方の面の略全面に接地電極が形成された基板に、第２の素子に比べて消費電力の大きな第１の素子と、第１の素子に比べて消費電力が小さく、且つ温度変化に対する特性変化の大きな第２の素子とを実装してなる高周波回路装置において、第２の素子の実装位置を取り囲むように、前記一方の面にスリット状の接地電極非形成部を設けたことを特徴としている。

また、この発明は前記接地電極非形成部を取り囲む内側の接地電極とそれより外側の接地電極とを接地電極非形成部で分離し、内側の接地電極と外側の接地電極との間にコンデンサ素子を実装したことを特徴としている。

また、この発明は前記外側の接地電極にヒートシンクを設けたことを特徴としている。

また、この発明は、第１の素子を終段の電力増幅素子、第２の素子を初段の低雑音増幅素子とする複数段の増幅素子からなる増幅回路を構成したことを特徴としている。

後に詳述するように、第１の素子が発生する熱の大部分は基板の素体部分に比べて熱抵抗の低い接地電極部分を介して伝導される。そのため、接地電極の途切れている部分で熱抵抗が高くなる。この発明によれば、第１の素子の実装位置をスリット状の接地電極非形成部が取り囲んでいるため、基板の強度を低下することなく接地電極非形成部の熱抵抗が高くなり、第２の素子が第１の素子から断熱されて、第２の素子の温度上昇が抑制できる。

また、この発明によれば、内側の接地電極と外側の接地電極との間にコンデンサ素子を実装することによって、内側の接地電極と外側の接地電極とが直流的に分離されていても、両者はコンデンサ素子によって高周波的に導通する。そのため第２の素子は熱的に断熱状態にありながら高周波的には確実に接地される。

また、この発明によれば、外側の接地電極にヒートシンクを設けたことにより、第１の素子による熱を効果的に放熱するとともに第２の素子への熱伝導をより抑えることができる。

また、この発明によれば、第１の素子を終段の電力増幅素子、第２の素子を初段の低雑音増幅素子として増幅回路を構成することによって、低雑音増幅素子の熱雑音を抑え、且つ第２の素子を第１の素子に対して距離的に近い位置に配置できるので、全体に小型化が図れる。

第１の実施形態に係る高周波回路装置の構成を図１に示す。図１の（Ａ）は高周波回路装置の主要部の上面図、（Ｂ）はその正面図、（Ｃ）はその下面図である。基板１の上面にはゲート接続電極４ｇ、ドレイン接続電極４ｄ、ソース接続電極４ｓをそれぞれ形成している。基板１の下面にはほぼ全面に接地電極２を形成している。基板１の下面には、それぞれコ字型の２つの接地電極非形成部３，３を設けている。したがって、この接地電極非形成部３，３には基板１の素体が露出している。以降、この接地電極非形成部３によって囲まれた内側の接地電極の領域を「内側接地電極」２ｉ、外側の接地電極の領域を「外側接地電極」２ｈと言う。２つの接地電極非形成部３，３の間には隣接接地電極２ｃを形成していて、この隣接接地電極２ｃを介して内側接地電極２ｉと外側接地電極２ｈとを電気的に導通させている。

基板１の上面のソース接続電極４ｓと下面の内側接地電極２ｉとの間は、内面に電極を形成したスルーホール５によって電気的に接続している。また、ドレイン接続電極４ｄとゲート接続電極４ｇをそれぞれ連続したマイクロストリップラインの線路導体として作用させるために、ドレイン接続電極４ｄとゲート接続電極４ｇの対向する位置に上記隣接接地電極２ｃをそれぞれ配置している。この構造により、線路導体と接地電極との間に電界が発生して高周波信号を伝搬するマイクロストリップラインとして作用する。

基板１の上面にはゲート接続電極４ｇにゲート端子、ドレイン接続電極４ｄにドレイン端子、ソース接続電極４ｓにソース端子をそれぞれ半田付けすることによって低雑音増幅素子６を実装している。この低雑音増幅素子６がこの発明の「第２の素子」に相当する。

図１では現れていないが、基板１の上面には、低雑音増幅素子６に比べて消費電力が大きくて発熱する第１の素子を実装している。この第１の素子による熱は基板１およびその下面の接地電極２へ伝わるが、特に接地電極２は基板１の素体より熱抵抗の低い銅箔であるので、この接地電極２を介して基板１の面方向に熱伝導する。しかし接地電極非形成部３部分で接地電極が途切れているので、接地電極非形成部３で囲まれた領域への熱伝導量は少なく、接地電極非形成部３で囲まれた領域の温度上昇も低く抑えられる。その結果、熱雑音による雑音特性の劣化を招くことがない。

上記接地電極非形成部３は、基板１の素体に銅箔を貼り付け、他の電極パターンの形成と同時にエッチング法により部分的に接地電極を取り除くことによって形成する。そのため、この接地電極非形成部３を形成するためだけの特別な工程は不要である。

図２は第２の実施形態に係る高周波回路装置の構成を示している。ここで（Ａ）は高周波回路装置の主要部の上面図、（Ｂ）はその正面図、（Ｃ）はその下面図である。基板１の上面にはゲート接続電極４ｇ、ドレイン接続電極４ｄ、ソース接続電極４ｓをそれぞれ形成している。基板１の下面にはほぼ全面に接地電極２を形成している。基板１の下面には、矩形リング状の接地電極非形成部３を設けている。したがって、この接地電極非形成部３には基板１の素体が露出している。そして、この接地電極非形成部３により囲まれた内側の内側接地電極２ｉと外側の接地電極２ｈとの間に２つのチップ状コンデンサ素子７，７を実装している。すなわち内側接地電極２ｉと外側の接地電極２ｈとの間をコンデンサを介して高周波的に接続している。その他の構成は、第１の実施形態の場合と同様である。

図１に示した構造では接地電極非形成部３がループ状を成さずに２箇所で途切れているので、その途切れている部分で比較的熱抵抗が低くなっている。それに対し、この図２に示す例では接地電極非形成部３が内側接地電極２ｉを外側の接地電極２から完全に分離していて、且つコンデンサ素子７の熱抵抗が接地電極２の熱抵抗より高いので、接地電極非形成部３による断熱効果を更に効果的に高めることができる。

なお、ドレイン接続電極４ｄとゲート接続電極４ｇをそれぞれ連続したマイクロストリップラインの線路導体として作用させるために、ドレイン接続電極４ｄとゲート接続電極４ｇの対向する位置にコンデンサ素子７をそれぞれ配置している。この構造により、コンデンサ素子７が等価的な接地電極として作用し、線路導体と接地電極との間に電界が発生して高周波信号を伝搬するマイクロストリップラインとしての機能を維持することができる。

図３の（Ａ）〜（Ｃ）は第３の実施形態に係る高周波回路素子の構成を示す図である。（Ｄ）はそれとは別の高周波回路装置の下面図である。

（Ａ）〜（Ｃ）に示した高周波回路装置は、図１に示した高周波回路装置にヒートシンクを取り付けたものである。基板１の下面には、接地電極非形成部３で取り囲んだ領域を開口させたヒートシンク９を取り付けている。このヒートシンク９は接地電極２に接着して熱的に結合させている。また（Ｄ）に示す例では、第２の実施形態の場合と同様に基板１の下面に矩形ループ状を成す接地電極非形成部３を設け、内側接地電極２ｉと外側の接地電極２ｈとの間にコンデンサ素子７，７を実装している。

このように外側接地電極２ｈにヒートシンク９を設けたことにより、接地電極非形成部３が取り囲む領域より外側に実装した第１の素子による発熱を効率良く放熱し、第２の素子である低雑音増幅素子６をより低温に保つことができる。

次に、接地電極非形成部による断熱効果をシミュレーションした結果を図４〜図７を基に説明する。
図４はこのシミュレーションで用いる装置の正面図である。基板１の上面には第１の素子である電力増幅素子１０と第２の素子である低雑音増幅素子６を実装している。基板１の下面にはヒートシンク９を設けている。

図５はこの装置の斜視図である。ここではシミュレーションであるので、基板１の上面に低雑音増幅素子６と電力増幅素子１０の実装用電極と、その両電極間を通り抜ける線路のみを形成するとともに、それらの実装用電極に低雑音増幅素子６と電力増幅素子１０を実装している。

図６の（Ａ）は基板１の下面側を見た斜視図である。この例では、図１に示した構造と同様に接地電極非形成部３によって囲まれる領域に内側接地電極２ｉ、外側に外側接地電極２ｈを構成している。外側接地電極２ｈにはヒートシンク９を設けている。

また図６の（Ｂ）は比較例であり、接地電極非形成部３を設けることなく基板の下面に全面の接地電極を形成し、全面のヒートシンク９を設けている。

図７は熱分布が定常状態となった時の装置の温度分布を示している。これは基板の上方から赤外線サーモグラフィー装置で撮像した画像に相当する。（Ａ）は図６の（Ａ）に示した構造の高周波回路装置の結果、（Ｂ）は図６の（Ｂ）に示したように断熱構造をもたない高周波回路装置の結果である。

低雑音増幅素子６と電力増幅素子１０の温度は次の〔表１〕のとおりとなった。

〔表１〕
低雑音増幅素子６の温度 電力増幅素子１０の温度
（Ａ）実施形態 （P02 点）３７．８℃ （P01 点）４２．２℃
（Ｂ）比較例 （P12 点）４１．２℃ （P11 点）４２．０℃

ここでシミュレーションの条件は次の通りである。

〔表２〕
厚み[mm] 熱伝導率［W/m/deg]
基板の素体 ０．８ ０．２
電極 ０．０５ ４０２
ヒートシンク ３．０ ４０２
〔その他の条件〕
基板の外形 １００×５０［ｍｍ］
低雑音増幅素子６の発熱量 ０．０５［Ｗ］
電力増幅素子１０の発熱量 １．５［Ｗ］
境界条件 ２５℃の空気への放熱・熱伝 １０．０［W/m/deg]
表１および図７に示した結果から明らかなように、図６の（Ａ）のように断熱構造にすることによって温度上昇を抑制でき、低雑音増幅素子６を低温に保つことができる。その結果、低雑音増幅素子の熱雑音に起因する雑音を抑え、所期の低雑音特性を保つことができる。

次に、第４の実施形態に係る高周波増幅回路の構成を図８，図９を基に説明する。
図８の（Ａ）は高周波増幅器の上面図、（Ｂ）はその下面図である。また、図９はこの高周波増幅器の回路図である。基板１の上面には平衡型増幅回路を構成するために２つの低雑音増幅素子６ａ，６ｂおよび２つの電力増幅素子１０ａ，１０ｂを実装している。基板１の下面には接地電極非形成部３を設けて、これらの接地電極非形成部３で囲まれる領域を内側接地電極２ｉとして構成し、外側を外側接地電極２ｈとして構成している。図中の丸く現れている部分がそれぞれ、基板１の上面側の電極と下面側の接地電極とを電気的に導通させるスルーホールである。低雑音増幅素子６ａ，６ｂは内側接地電極２ｉに対向する位置に実装している。低雑音増幅素子６ａ，６ｂのソース接続電極はスルーホールを介して内側接地電極２ｉに電気的に導通させている。

９０°ハイブリッド回路１１ａは不平衡型の入力信号を平衡型信号に変換し、２つの低雑音増幅素子６ａ，６ｂはそれを平衡増幅する。インダクタＬ１〜Ｌ４、キャパシタＣ１〜Ｃ４は低雑音増幅素子６ａ，６ｂに対するバイアス電圧供給回路である。キャパシタＣ９〜Ｃ１２は直流カット用コンデンサとして作用する。９０°ハイブリッド回路１１ｂは平衡型信号を再び不平衡型信号に変換し、９０°ハイブリッド回路１１ｃはそれを再び平衡型信号に変換する。二つの電力増幅素子１０ａ，１０ｂはこの平衡型信号を平衡増幅する。インダクタＬ５〜Ｌ８、キャパシタＣ５〜Ｃ８は電力増幅素子１０ａ，１０ｂに対するバイアス電圧供給回路である。９０°ハイブリッド回路１１ｄは平衡増幅された信号を不平衡信号として出力する。

第１の実施形態に係る高周波回路装置の構成を示す図 第２の実施形態に係る高周波回路装置の構成を示す図 第３の実施形態に係る高周波回路装置の構成を示す図 シミュレーション用高周波回路装置の構成を示す図 同高周波回路装置の上面側の斜視図 同高周波回路装置とその比較例である高周波回路装置の下面側の斜視図 基板の温度分布を示す図 第４の実施形態に係る高周波増幅器の構成を示す図 同高周波増幅器の回路図 従来の高周波回路装置の構成を示す図 従来の別の高周波回路装置の構成を示す図

符号の説明

１−基板
２−接地電極
３−接地電極非形成部
２ｉ−内側接地電極
２ｈ−外側接地電極
２ｃ−隣接接地電極
４ｇ−ゲート接続電極
４ｄ−ドレイン接続電極
４ｓ−ソース接続電極
５−スルーホール
６−低雑音増幅素子（第２の素子）
７−コンデンサ素子
９−ヒートシンク
１０−電力増幅素子（第１の素子）
１１−９０°ハイブリッド回路

Claims (4)

1. 一方の面の略全面に接地電極が形成された基板に、第２の素子に比べて消費電力の大きな第１の素子と、第１の素子に比べて消費電力が小さく、且つ温度変化に対する特性変化の大きな第２の素子とを実装してなる高周波回路装置において、
   第２の素子の実装位置を取り囲むように、前記一方の面にスリット状の接地電極非形成部を設けたことを特徴とする高周波回路装置。
2. 前記接地電極非形成部が取り囲む内側の接地電極とそれより外側の接地電極とを前記接地電極非形成部で分離し、前記内側の接地電極と前記外側の接地電極との間にコンデンサ素子を実装した請求項１に記載の高周波回路装置。
3. 前記外側の接地電極にヒートシンクを設けた請求項１または２に記載の高周波回路装置。
4. 第１の素子を終段の電力増幅素子、第２の素子を初段の低雑音増幅素子とする、複数段の増幅素子からなる増幅回路を構成した請求項１、２または３に記載の高周波回路装置。