JPH0746007A

JPH0746007A - 電力用基板および高周波用電力増幅器

Info

Publication number: JPH0746007A
Application number: JP5186024A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Maeda; 昌宏前田; Masaaki Nishijima; 将明西嶋; Osamu Ishikawa; 修石川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-07-28
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【目的】組立工程数の低減と体積の小型化を可能とし
た高周波用電力増幅器を提供する。【構成】窒化アルミニウムを主成分とする基板１６上
にマイクロストリップライン１１が形成されている。さ
らに基板１６上に電力用トランジスタチップ１とチップ
部品１２,１３が実装されている。それらはマイクロス
トリップライン１１と電気的に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アナログ用あるいはデ
ジタル用携帯電話などの主に送信用に用いられる高周波
用電力増幅器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話をはじめとする通信機の
普及によりマイクロ波帯の高周波半導体デバイスへの需
要が高まっている。それにともない半導体デバイスに対
する小型化、軽量化の要望が強くなっている。また電波
の有効利用の観点から、今後の移動帯通信においてはア
ナログ伝送からデジタル伝送への転換が図られることが
予想され、送信用電力増幅器の大出力化が求められてく
るであろう。増幅器の大出力化を行う上で重要な課題は
デバイスの放熱特性である。放熱特性が不十分な場合、
電力用トランジスタの温度上昇により、電力が安定的に
取り出せなくなるからであり、トランジスタの温度上昇
は信頼性にも悪影響を与える。さらに電力増幅器が小型
化されればされるほど放熱に関しては不利になるという
問題がある。この問題点を解決するため小型、軽量で放
熱性に優れた高周波用電力増幅器の構造やプリント基板
の素材の開発が精力的に行われている。

【０００３】以下、図面を参照しながら上記した従来の
高周波用電力増幅器について説明する。

【０００４】図７（ａ）に従来の高周波用電力増幅器の
平面図を示す。図７（ｂ）は図７（ａ）のＥ−Ｅ’線に
おける断面図を示す。

【０００５】マイクロストリップライン１１が形成され
たアルミナ基板３５の主面に、チップコンデンサ１２お
よびチップ抵抗１３が実装され、入力整合回路８、およ
び出力整合回路９が形成されている。このアルミナ基板
３５が放熱板３２に半田３６を用いてとり付けられてお
り、さらに放熱が必要な電力用ＦＥＴ１の実装されたト
ランジスタパッケージ３３が、アルミナ基板３５に設け
られた開口部３４を通して放熱板３２に半田３６を用い
てとり付けられている。電力用ＦＥＴ１にはＧａＡｓの
電界効果型トランジスタが用いられており、動作中のチ
ャンネル温度の上昇を抑制するために裏面が研摩されて
いる。リード端子（入力端子Ｐｉｎ、出力端子Ｐｏｕ
ｔ、ゲート端子Ｖｇｇ、ドレイン端子Ｖｄｄ）はアルミ
ナ基板３５上に形成されたマイクロストリップライン１
１と半田付けにより電気的に接続されている。

【０００６】しかしながらこの構成ではアルミナ基板３
５の熱伝導率が悪いため、放熱が必要な電力用ＦＥＴ１
はチップ状態で基板に実装することができず、一度トラ
ンジスタパッケージ３３に実装してからアルミナ基板３
５に実装する必要がある。このため組立工程数が多く量
産に不向きであるばかりでなく、小型化にも不適当であ
った。また、リード端子の半田付けの作業も量産には不
向きな工程であった。またアルミナ基板３５に開口部３
４が必要であり、基板の強度が弱くなり、温度サイクル
試験において開口部３４の周辺にクラックが入などの問
題点があった。

【０００７】図８は従来の窒化アルミニウム基板上の導
体配線である。窒化アルミニウム基板１６上にタングス
テン２１を主成分とする導体層が厚さｔ１＝１５μｍ程
度形成されており、次にニッケルメッキ２２が厚さｔ２
＝４μｍ程度、次に金メッキ２５が厚さｔ５＝１μｍ程
度形成されている。しかしながらこの構成ではタングス
テンおよびニッケルの抵抗率が高く、金メッキが薄いた
めに導体の抵抗率を低くすることができなかった。この
理由に付いて詳細な説明を加える。

【０００８】電力増幅器の基板上に形成されたマイクロ
ストリップラインのパターンはそれぞれ電気的につなが
っていないところが多く、メッキ方法には無電解メッキ
が用いられることが多い。しかし金の無電解メッキ液は
強アルカリ液であり、長時間メッキを行うと、窒化アル
ミニウムの腐食により、基板表面に白濁が生じていた。
このため、金の無電界メッキは厚さがせいぜい１μｍに
制限されていた。また、電解メッキの可能な箇所でも金
のメッキ液が高価なため、製造コストが高くなるという
問題点があり、金メッキの厚みを増加させることによ
る、導体の抵抗率の低減は難しかった。またアルミナ基
板で用いられる、銅の厚膜印刷は導体の抵抗率を低下さ
せるのに有効であるが、窒化アルミニウム基板上の銅の
厚膜印刷は、窒化アルミニウムと銅の密着度が温度サイ
クル試験により極端に劣化するために実用化することが
できないという問題点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の高周波用電力増
幅器では、アルミナ基板の熱伝導率が悪いため、放熱が
必要な電力用ＦＥＴはチップ状態で基板に実装すること
ができず、量産に不向きであり、小型化にも不適当であ
った。また、アルミナ基板にトランジスタ実装用の開口
部が必要であり、基板の強度が弱くなり、温度サイクル
試験においてアルミナにクラックが入などの問題点があ
った。また、リード端子の半田付けの作業も量産には不
向きな工程であった。

【００１０】また、従来の窒化アルミニウム基板では、
基板上の導体の抵抗率を低くすることができなかった。

【００１１】本発明は上記問題点に鑑み、熱伝導率の良
好な窒化アルミニウム基板を用いることにより、放熱が
必要な電力用ＦＥＴをチップ状態で基板に実装すること
を可能にし、量産に適した構成にすると共に、窒化アル
ミニウム基板上の導体の抵抗率を低くすることにより特
性を向上させた高周波用電力増幅器を提供するものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、窒化アルミニウムを主成分とするセラミッ
ク基板を用い、基板上に電力用トランジスタチップをパ
ッケージに実装しないで配置する構成とする。

【００１３】また電力用基板の構成を、窒化アルミニウ
ムを主成分とするセラミック基板と、その上に形成され
た高融点金属と、その上に形成されたニッケルメッキ
と、その上に形成された銅メッキと、その上に形成され
たニッケルメッキと、その上に形成された金メッキを備
えた構成とする。

【００１４】また、導体線の一部が窒化アルミニウム基
板の裏面に形成された構成とする。また、窒化アルミニ
ウム基板の裏面に形成された導体線に金属薄板がロウ付
けされた構成とする。

【００１５】

【作用】本発明は上記した構成によって、基板の熱伝導
率が改善され、放熱が必要な電力用ＦＥＴをチップ状態
で基板に実装することが可能となる。さらに、電力用ト
ランジスタのパッケージ実装や、リード端子の半田付け
など組立工程数の削減により、量産に適した構成とな
る。さらに、セラミック基板にトランジスタ実装用の開
口部が不要となり、基板の強度が改善される。

【００１６】また、窒化アルミニウム基板上の導体の抵
抗率を低くすることにより、高周波用電力増幅器の特性
が向上する。

【００１７】また、ドレインバイアス線を窒化アルミニ
ウム基板の裏面に形成することにより、高周波用電力増
幅器の大幅な小型化が可能となる。

【００１８】また、窒化アルミニウム基板の裏面のドレ
インバイアス線に金属薄板をロウ付けする工程を、リー
ド端子のロウ付けの工程と同時に行うことにより、製造
工程数を増すことなく、ドレインバイアス線の低抵抗化
が可能となり、特性の向上が図られる。

【００１９】

【実施例】以下本発明の高周波用電力増幅器について、
図面を参照しながら説明する。

【００２０】図１（ａ）は第１の発明の高周波用電力増
幅器の正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線に
おける断面図である。以下、本発明の説明において、既
に説明を加えた図面と等価な部分については同一の参照
番号を付して示すものとする。

【００２１】窒化アルミニウム基板１６の主面にマイク
ロストリップライン１１が形成されており、裏面には金
属薄板のリード端子がロウ付けされている（入力端子Ｐ
ｉｎ、出力端子Ｐｏｕｔ、ゲート端子Ｖｇｇ、ドレイン
端子Ｖｄｄ）。裏面のリード端子はそれぞれ基板側面の
メタライズにより主面のマイクロストリップライン１１
と電気的に接続されている。この窒化アルミニウム基板
１６に、電力用ＦＥＴ１、チップコンデンサ１２および
チップ抵抗１３が実装されて、高周波用電力増幅器が構
成されている。電力用ＦＥＴ１はＧａＡｓの電界効果型
トランジスタであり、動作中のチャンネル温度の上昇を
抑制するために裏面が研摩されている。ドレイン電極２
はボンディングワイヤー１０によってドレイン出力電極
６と電気的に接続されている。またソース電極は３はグ
ランド電極７に、ゲート電極４はゲート入力電極５にそ
れぞれボンディングワイヤー１０によって電気的に接続
されている。入力整合回路８、および出力整合回路はそ
れぞれ電力用ＦＥＴ１のインピーダンス整合の働きをし
ている。

【００２２】本発明の高周波用電力増幅器は動作電圧５
Ｖ、９００ＭＨｚ帯の増幅器であり、出力４Ｗクラスで
電力効率は３０％である。窒化アルミニウムは熱伝導率
が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ（室温測定）とアルミナに比較して
約１０倍優れている（アルミナの熱伝導率は１８Ｗ／ｍ
・Ｋ）。この増幅器が高周波出力４Ｗ、電力効率は３０
％で動作している場合、１３Ｗ以上の熱が発生すること
になり、電力用ＦＥＴ１からの放熱が不十分な場合、電
力用ＦＥＴ１のチャンネル温度が上昇し出力電力が低下
するという問題があった。しかし、窒化アルミニウム基
板１６を用いた場合、チャンネル温度の上昇が抑制され
出力電力の低下は確認されなかった。また窒化アルミニ
ウムの比誘電率は約８．５と比較的高く、整合回路を構
成するマイクロストリップライン１１の長さを短くでき
るので、高周波用電力増幅器の小型化にも適している。
さらに、従来のように電力用ＦＥＴをパッケージしたも
のを基板に実装しているのではなく、チップを実装して
いるために高周波用電力増幅器上の実装面積を小さくで
きるので小型化に適している。

【００２３】図２（ａ）は図１（ａ）のマイクロストリ
ップライン１１のＢ−Ｂ’線における断面図である。窒
化アルミニウム基板１６上にタングステン２１を主成分
とする導体層が厚さｔ１＝１５μｍ程度形成されてお
り、次にニッケルメッキ２２が厚さｔ２＝４μｍ程度、
次に銅メッキ２３が厚さｔ３＝２０μｍ程度形成されて
いる。ニッケルメッキ２２はタングステン２１と銅メッ
キ２３との密着性を高めるのに有効である。図２（ｂ）
は図１（ａ）のドレイン出力電極６のＨ−Ｈ’線におけ
る断面図である。図２（ａ）で説明した銅メッキ２３上
にニッケルメッキ２４が厚さｔ４＝４μｍ程度、次に金
メッキ２５が厚さｔ５＝１μｍ程度形成されている。金
メッキ２５はボンディングワイヤー１０を行いやすくす
るために施してある。ニッケルメッキ２４は銅メッキ２
３と金メッキ２５の密着強度を高めると共に、導体表面
の硬度を高めボンディングワイヤー１０を行いやすい状
態にするのに効果的である。ここで、マイクロストリッ
プライン１１上には、ニッケルメッキ２４および金メッ
キ２５が形成されていないが、形成されていても構わな
い。

【００２４】実施例のマイクロストリップラインの説明
を図１のドレインバイアス線１４を例に挙げて詳しく説
明する。ドレインバイアス線１４は高周波の漏洩を防止
するために約λ／４（λは有効波長）の長さに設計され
ることが多い。窒化アルミニウムの誘電率が約８．５で
あるから、周波数９００ＭＨｚではλ／４の長さＬは２
０ｍｍ以上必要である。ドレインバイアス線１４の幅を
２００μｍ、長さＬを２０ｍｍとするとバイアス線の抵
抗値は０．１Ω以下であった。電源電圧５Ｖ、出力４
Ｗ、ＲＦ効率３０％で動作中にドレインバイアス線１４
に流れる電流は２．７Ａ程度であり、この時生じる電圧
降下は０．２７Ｖ以下と小さく、良好な結果が得られ
た。一方、厚さ２０μｍの銅メッキが形成されていない
時、ドレインバイアス線１４の抵抗値は０．５Ω程度あ
り、この時生じる電圧降下は１．３５Ｖと極めて大きく
出力特性に悪影響を与えていた。

【００２５】次に窒化アルミニウム基板の作製方法の一
例を説明する。まず高純度の窒化アルミニウム微粉末と
焼結添加剤を秤量し、有機溶剤を用いて湿式混合する。
次に適当な粘度に調整したものをフィルム上に均一な厚
みになるようにシートを形成する。この薄いグリーンシ
ートをフィルムから剥離する。次に図３に示すように層
間を電気的に接続するためのスルーホール２７を形成す
る。次に図４に示す様にスルーホール２７の形成された
グリーンシート上に導体２８ペーストをスクリーン印刷
法によって所定のパターンを厚膜印刷する。ここで用い
る導体としては窒化アルミニウム基板を１５００℃以上
の高温で焼結しなければならないため、高融点金属を用
いなければならない。本発明ではタングステン金属粉末
を用いた導体ペースト使用した。この印刷工程において
は窒化アルミニウムを貫通するスルーホール２７内に同
様のペーストを埋め込む工程も含まれている。次にグリ
ーンシートを非酸化性雰囲気中で高温で焼結させる。次
にタングステンで形成された導体上にニッケルメッキを
行う。この時ニッケルメッキの厚さは４μｍ程度が適当
である。次に銅メッキを厚さ約２０μｍ程度行う。銅メ
ッキの前に形成したニッケルメッキはタングステンと銅
メッキとの密着性を高めることを目的としている。さら
にワイヤーボンディングを行う必要がある領域には銅メ
ッキの後にニッケルメッキを厚さ４μｍ程度行い、次に
金メッキを厚さ１μｍ程度行う。ここで金メッキの前に
形成したニッケルメッキは、導体表面の硬度を高めワイ
ヤーボンディングが行い易い状態にするのに有効であ
る。

【００２６】図５（ａ）は第４の発明の高周波用電力増
幅器の正面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ’線に
おける断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）の裏面を透視し
た図である。図１において窒化アルミニウム基板１６の
主面に形成しているドレインバイアス線１４を裏面に形
成し、スルーホール２７を介して主面に形成されている
ドレインバイアス用パッド１８に電気的に接続してい
る。裏面のドレインバイアス線１４以外の領域にはグラ
ンド１７パターンが形成されている。ドレインバイアス
線１４の長さＬは約λ／４（λは有効波長）に設計され
ることが多く、増幅器を実装するプリント基板の比誘電
率を８程度に設定すると周波数９００ＭＨｚの増幅器の
場合、Ｌの長さは２５ｍｍ以上必要であった。これを裏
面に形成することにより、高周波用電力増幅器の大幅な
小型化が可能となり、全体で３０％の小型化が可能とな
った。ドレインバイアス線１４を基板の裏面に形成する
ことによる異常発振等の悪影響は確認されなかった。

【００２７】図６は第５の発明の高周波用電力増幅器の
裏面を透視した図である。図５で説明を行った裏面のド
レインバイアス線１４に金属薄板３１をロウ付けしてい
る。この金属薄板３１は図１で説明を加えたリード端子
（Ｐｉｎ、Ｐｏｕｔ、Ｖｇｇ、Ｖｄｄ）をロウ付けする
ときに同時ロウ付けを行ったものであり、製造工程数を
増すことなく作製が可能である。ドレインバイアス線１
４は窒化アルミニウム基板１６上にタングステンの導体
が厚さ１５μｍ形成されており、次にニッケルメッキが
４μｍ程度、次に金メッキが１μｍ程度形成されてい
る。ドレインバイアス線１４は幅が２００μｍ、長さが
２５ｍｍである。金属薄板３１のロウ付けを行わない場
合の抵抗値は０．５Ω以上であった。電源電圧５Ｖ、出
力４Ｗで動作中にドレインバイアス線１４に流れる電流
は３Ａ以上であり、この時生じる電圧降下は１．５Ｖ以
上と極めて大きく、出力電力の低下やＲＦ効率の低下な
ど特性に悪影響を与えていた。この電圧降下による特性
の劣化は取り扱う電力が大きくなればなるほど顕著に現
れてくる。しかし、ドレインバイアス線１４に金属薄板
３１をロウ付けすることにより、抵抗値は０．０５Ω以
下にまで低減され、発生する電圧降下は０．１５Ｖ以下
にまで低減でき、出力電力やＲＦ効率の向上など特性が
大幅に改善された。

【００２８】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明により次
の効果がもたらされる。

【００２９】電力用基板および高周波用電力増幅器にお
いて１）基板の熱伝導率が改善され、放熱が必要な電力用Ｆ
ＥＴをチップ状態で基板に実装することが可能となる。
さらに、電力用トランジスタのパッケージ実装や、リー
ド端子の半田付けなど組立工程数の削減により、量産に
適した構成となる。さらに、セラミック基板にトランジ
スタ実装用の開口部が不要となり、基板の強度が改善さ
れる。

【００３０】２）窒化アルミニウム基板上の導体の抵抗
率が低減でき、高周波用電力増幅器の特性が向上する。

【００３１】３）ドレインバイアス線を窒化アルミニウ
ム基板の裏面に形成することにより、高周波用電力増幅
器の大幅な小型化が可能となる。

【００３２】４）窒化アルミニウム基板の裏面のドレイ
ンバイアス線に金属薄板をロウ付けする工程を、リード
端子のロウ付けの工程と同時に行うことにより、製造工
程数を増すことなく、ドレインバイアス線の低抵抗化が
可能となり、特性の向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例における高周波
用電力増幅器の正面図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図

【図２】（ａ）は本発明の第２の実施例における電力用
基板の断面図（ｂ）は本発明の第２の実施例における電力用基板の断
面図

【図３】（ａ）は本発明の図２の電力用基板の作製方法
の一例を示す図（ｂ）は（ａ）の断面図

【図４】（ａ）は本発明の図２の電力用基板の作製方法
の一例を示す図（ｂ）は（ａ）の断面図

【図５】（ａ）は本発明の第４の実施例における高周波
用電力増幅器の正面図（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線における断面図（ｃ）は（ａ）の裏面を透視した図

【図６】本発明の第５の実施例における高周波用電力増
幅器の裏面を透視した図

【図７】（ａ）は従来の高周波用電力増幅器の正面図（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ’線における断面図

【図８】従来の電力用基板の断面図

【符号の説明】

１電力用ＦＥＴ２ドレイン電極３ソース電極４ゲート領域５ゲート入力電極６ドレイン入力電極７グランド電極８入力整合回路９出力整合回路１０ボンディングワイヤー１１マイクロストリップライン１２チップコンデンサ１３チップ抵抗１４ドレインバイアス線１５ゲートバイアス線１６窒化アルミニウム基板１７グランド１８ドレインバイアス用パッド２１タングステン２２ニッケルメッキ２３銅メッキ２４ニッケルメッキ２５金メッキ２７スルーホール２８導体３１金属薄板３２放熱板３３トランジスタパッケージ３４開口部３５アルミナ基板３６半田

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウムを主成分とするセラミッ
ク基板と、前記基板上に形成されたマイクロストリップ
ラインと、前記基板上に実装され前記マイクロストリッ
プラインと電気的に接続された電力用トランジスタチッ
プと、前記基板上に実装され前記マイクロストリップラ
インと電気的に接続されたチップ部品とを備えたことを
特徴とする高周波用電力増幅器。
【請求項２】窒化アルミニウムを主成分とするセラミッ
ク基板と、前記基板上に形成された高融点金属と、前記
高融点金属上に形成されたニッケルメッキと、前記ニッ
ケルメッキ上に形成された銅メッキとを備えたことを特
徴とする電力用基板。
【請求項３】銅メッキ上に形成されたニッケルメッキ
と、前記ニッケルメッキ上に形成された金メッキを備え
たことを特徴とする請求項２記載の電力用基板。
【請求項４】窒化アルミニウムを主成分とするセラミッ
ク基板と、前記基板上に形成された、高融点金属、前記
高融点金属上に形成されたニッケルメッキ、前記ニッケ
ルメッキ上に形成された銅メッキとからなるマイクロス
トリップラインと、前記基板上に実装され、前記マイク
ロストリップラインと電気的に接続された電力用トラン
ジスタチップと、前記基板上に実装され前記マイクロス
トリップラインと電気的に接続されたチップ部品とを備
えたことを特徴とする高周波用電力増幅器。
【請求項５】導体線の一部が基板の裏面に形成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の高周波用電力増幅
器。
【請求項６】基板の裏面に形成された導体線に金属薄板
がロウ付けされていることを特徴とする請求項４記載の
高周波用電力増幅器。