(57)【要約】【課題】プリント基板に実装されるパワーデバイスの発熱を確実に好適に放散すること。【解決手段】パワートランジスタ１１０は、実装される回路基板１２０の開口部１２１内に配置され、回路基板１２０の下方には、パワートランジスタ１１０が止着部材１５１により脱着自在に止着された第１放熱板１３０が配置されている。第１放熱板１３０の上面には、第１放熱板１３０と回路基板１２０との間に配置された第２放熱板１４０が、連通孔である角穴１４２内にパワートランジスタ１１０が挿通された状態で介設されている。第２放熱板１４０は、第１放熱板１３０より回路基板１２０に熱膨張率が近い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーデバイスと、
前記パワーデバイスが配置される開口部が形成された回路基板と、
前記パワーデバイスが取り付けられる第１放熱板と、
前記回路基板と前記第１放熱板との間に介設され、前記第１放熱板より前記回路基板に熱膨張率が近い前記第２放熱板と、
を具備することを特徴とするパワーデバイス装置。
【請求項２】
前記パワーデバイスは、前記第１放熱板に脱着自在に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のパワーデバイス装置。
【請求項３】
前記第２放熱板は、前記回路基板と略同様の熱膨張率を有する請求項１記載のパワーデバイス装置。
【請求項４】
前記第２放熱板は、熱伝導性を有する複数の板状部材を積層してなる請求項１記載のパワーデバイス装置。
【請求項５】
前記第２放熱板として前記回路基板と前記第１放熱板との間に介設される複数の板状部材のそれぞれの熱膨張率は、前記第１放熱板側に位置する板状部材から前記回路基板側に位置する板状部材に近づくにしたがって前記第１放熱板の熱膨張率より前記回路基板の熱膨張率に近いことを特徴とする請求項４記載のパワーデバイス装置。
【請求項６】
前記回路基板は、前記パワーデバイスの一次側端子部に接続される配線を備える本体基板と、
前記パワーデバイスの二次側端子部に接続される配線を備えるとともに、前記本体基板の基材よりも熱伝導率の高い補助基板とから形成されることを特徴とする請求項１記載のパワーデバイス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワートランジスタ等のパワーデバイスがプリント基板に実装されたパワーデバイス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線インフラを構成する無線基地局又は中継局の送信部では、パワートランジスタなどのパワーデバイスを備えるパワーアンプモジュール（高周波電力増幅モジュール、以下「パワーアンプ」という）が用いられている。
【０００３】
特に、無線基地局では、常に所定量（例えば、１０Ｗ〜５０Ｗ）の送信電力が消費されるため、これに伴い、無線基地局の送信部におけるパワーアンプでは、電流を流すパワートランジスタが発熱する。
【０００４】
このため、従来のパワートランジスタを用いた電子回路には、パワートランジスタ等のパワーデバイスの発熱を放散する放熱板が取り付けられている。
【０００５】
例えば、特許文献１及び特許文献２は、パワートランジスタを実装するプリント基板の下面に放熱板を取り付け、この放熱板に、プリント基板の開口部内に配置したパワートランジスタを直接半田で接合することによってパワートランジスタの発熱を放散している。
【特許文献１】特開平７−１３５２９１号公報
【特許文献２】特開平９−２３２７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、プリント基板は、絶縁材料として、ベークライト、エポキシ樹脂等の樹脂性の基板に銅箔で配線を張り付けることによって形成され、放熱板は、鉄、銅などの導電性を有する金属製材料から形成され、熱膨張率が異なる材料からなることが一般的である。
【０００７】
よって、従来の特許文献１及び特許文献２のように、パワーデバイスが実装される回路基板の真下に放熱板が配置される構造では、放熱板がパワーデバイスの発熱を受けた際に、プリント基板と放熱板の熱膨張率が異なることによって、回路基板に熱応力がかかり悪影響を及ぼしてしまうという問題がある。
【０００８】
また、従来のパワーデバイスの実装構造では、パワーデバイスを放熱板に直接半田付けで接合することによって、パワーデバイスの放熱性及び導電性の向上が図られている。このため、従来の構造では、パワーデバイスを交換する必要が生じた場合、パワーデバイスを取り外す作業に煩雑な手間がかかるという問題がある。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、プリント基板に実装されたパワーデバイスの発熱を確実に好適に放散させるパワーデバイス装置を提供することを目的とする。また、パワーデバイスを交換する必要が生じた場合でも、パワーデバイスを容易に取り外すことができるパワーデバイス装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のパワーデバイス装置は、パワーデバイスと、前記パワーデバイスが配置される開口部が形成された回路基板と、前記パワーデバイスが取り付けられる第１放熱板と、前記回路基板と前記第１放熱板との間に介設され、前記第１放熱板より前記回路基板に熱膨張率が近い前記第２放熱板とを具備する構成を採る。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回路基板に実装されたパワーデバイスの熱は、第１放熱板で受けた後、第１放熱板より回路基板に熱膨張率が近い第２放熱板に伝達するため、回路基板に、パワーデバイスの発熱による熱応力がかかることなく、回路基板に実装されたパワーデバイスの発熱を確実に好適に放散させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、本発明に係るパワーデバイス装置として高周波電力増幅モジュールを例に説明する。なお、パワーデバイス装置は高周波電力増幅モジュールに限らず、動作の際に発熱するパワーデバイスが回路基板に実装される構造を有するものであれば、どのようなものでもよい。
【００１３】
図１は、本発明に係るパワーデバイス装置一例としての高周波電力増幅モジュールの平面図、図２は同高周波電力増幅モジュールの側面図、図３は、同高周波電力増幅モジュールにおけるパワーデバイスであるパワートランジスタの実装構造を示す側断面図、図４は同高周波電力増幅モジュールの概略構成を示す要部分解斜視図である。
【００１４】
図１及び図２に示すように、高周波電力増幅モジュール１００は、パワーデバイスであるパワートランジスタ１１０と、パワートランジスタ１１０が実装される回路基板１２０と、パワートランジスタ１１０の発熱を放散する第１放熱板１３０と、第１放熱板１３０と回路基板との間に配設された第２放熱板１４０とを有する。なお、第１放熱板１３０は、熱伝導性を高めるため、第２放熱板１４０よりも板厚が厚い。  
【００１５】
図１、図３及び図４に示すように、回路基板１２０には、実装されるパワートランジスタ１１０が配置される開口部１２１が形成されている。
【００１６】
回路基板１２０は、絶縁性基材にパターンが形成されてなり、表裏面を連通する開口部１２１を含む開口が形成された本体基板１２２と、本体基板１２２の開口内に、パワートランジスタ１１０とともに、配置された補助基板１２４とを有する。
【００１７】
回路基板１２０は、第２放熱板１４０を挟んで第１放熱板１３０に固定されている。ここでは、本体基板１２２は、止着部材１７０（図１及び図４参照）によって第２放熱板１４０を挟み第１放熱板１３０に固定され、補助基板１２４は、図示しないＧＮＤ端子部を介して第２放熱板１４０に固定されている。
【００１８】
なお、回路基板１２０では、プリント基板である本体基板１２２，補助基板１２４上に図示しない集積回路、抵抗器、コンデンサ等の電子部品が実装されており、これら実装される電子部品とともに、所定の制御回路が構成されている。
【００１９】
回路基板１２０の開口部１２１の周縁部には、パワートランジスタ１１０の端子部１１２，１１４が接続されたランド部１２２ａ，１２４ａ（図３参照）が設けられている。
【００２０】
これらランド部のうち、本体基板１２２のランド部１２２ａは、図３に示すように、開口部１２１内に配置されたパワートランジスタ１１０の一次側の端子部１１２に接続され、補助基板１２４のランド部１２４ａは、パワートランジスタ１１０の二次側の端子部１１４に接合されている。
【００２１】
これら端子部１１２，１１４とランド部１２２ａ，１２４ａとは、例えば、ワイヤボンディングや半田付けによって接合されている。なお、ランド部１２２ａ，１２４ａは、本体基板１２２、補助基板１２４のそれぞれにおける配線パターンに接続されている。
【００２２】
このように、開口部１２１内に配置されたパワートランジスタ１１０の端子部１１２，１１４が本体基板１２２，補助基板１２４のランド部に接合されることによって、パワートランジスタ１１０は回路基板１２０に実装されている。
【００２３】
補助基板１２４は、本体基板１２２より熱伝導率の高い材料により形成され、ここでは、セラミック製のプリント基板を適用し、上述のようにパワートランジスタ１１０の二次側の端子部１１４に接続されることによって、回路基板１２０グランドを確保している。
【００２４】
これら本体基板１２２及び補助基板１２４は同一平面上に配置されており、パワートランジスタ１１０が配置される開口部１２１は、主に、本体基板１２２の開口のうち３辺と補助基板１２４の一辺とで規制されてなる。
【００２５】
このように規制された開口部１２１内に配置されたパワートランジスタ１１０は、回路基板１２０の下部に配設された第２放熱板１４０の角穴１４２に挿通され、第２放熱板１４０の下部に配置された第１放熱板１３０に、着脱自在に取り付けられている。
【００２６】
パワートランジスタ１１０は、大電流を流す半導体からなり、動作時において発熱するパワーデバイスである。なお、本実施の形態では、パワートランジスタ１１０としたが、パワーデバイスであれば、どのようなものでもよく、サイリスタなどを適用してもよい。
【００２７】
パワートランジスタ１１０は、開口部１２１の周面から所定間隔空けて配置されている。これにより、パワートランジスタ１１０の発する熱は、直接、本体基板１２２及び補助基板１２４に伝達されることがない。
【００２８】
第１放熱板１３０は、熱伝導率の高い材料、ここでは、銅板により構成してなり、第２放熱板１４０の角穴１４２を挿通したパワートランジスタ１１０の下面が熱電像率の高いグリス又はシート材を介し直接接続されている。
【００２９】
パワートランジスタ１１０は、第１放熱板１３０に脱着自在に取り付けられている。ここでは、パワートランジスタ１１０は、第１放熱板１３０に下面を直接接触させて、止着部材１５１（例えば、ネジ）を用いてネジ止めにより止着されている。
【００３０】
また、止着部材１５１は、アースプレート１１８を挿通しており、このアースプレート１１８を介してパワートランジスタ１１０を本体基板１２２及び補助基板１２４にそれぞれ接地している。
【００３１】
詳細には、アースプレート１１８は、導線性を有する帯状材に対し、中央部分が断面凹状となるように折曲することで形成され、凹状を形成する対向壁面の上端から互いに離間する方向に折曲されて延びる腕部を有する。アースプレート１１８は、止着部材１５１によるパワートランジスタ１１０の第１放熱板１３０へ脱着自在な止着によって、両腕部の一方が本体基板１２２の上面に当接し、他方が補助基板１２４の上面に当接して、それぞれを下方に押圧する。これにより、パワートランジスタ１１０自体は、止着部材１５１とともに、アースプレート１１８を介して本体基板１２２及び補助基板１２４に接地されることとなる。
【００３２】
なお、第１放熱板１３０に対するパワートランジスタ１１０の接続は、脱着自在に接続する構成であれば、どのように接続してもよい。例えば、パワートランジスタ１１０を第１放熱板１３０に押圧する付勢部材を用いて、パワートランジスタ１１０を第１放熱板１３０上に押圧することによって接続させる構成としてもよい。
【００３３】
このように高周波電力増幅モジュール１００では、パワートランジスタ１１０が脱着自在に取り付けられているため、メンテナンス時において、パワートランジスタ１１０自体の交換が必要な場合でも、従来のようにパワートランジスタ１１０が半田によって放熱板に接合される構造と異なり、容易に取り外して交換することができる。
【００３４】
第２放熱板１４０は、熱伝導性を有するものであり、熱伝導率が第１放熱板１３０よりも回路基板１２０に近い。
【００３５】
ここでは、第２放熱板１４０は、第１放熱板１３０よりも熱伝導率の低く、回路基板１２０の熱伝導率に近い材料として、構造用鋼材であるＳＰＣＣ（冷間圧延軟鋼板）を用いて構成されている。言い換えれば、第２放熱板１４０の熱膨張率は、ここでは、材質の異なる回路基板１２０の熱膨張率に近い。
【００３６】
この第２放熱板１４０の表面には、この表面上に配置される補助基板１２４の位置決め用の突部１４４が形成され、この突部１４４に補助基板１２４の位置決め穴部１２６を嵌合させることによって、補助基板１２４は所定位置に位置決めされる。
【００３７】
第２放熱板１４０には、位置決めされた補助基板１２４が、ＧＮＤ端子部を介して半田付けにより直接接合されている。これにより、第２放熱板１４０は、パワートランジスタ１１０の二次側の端子部１１４や、ＧＮＤに接続された補助基板１２４に電気的に強固に接続されることとなる。
【００３８】
なお、第２放熱板１４０の表面にはニッケルめっき等による被膜層が形成され、被膜層によって、補助基板１２４を含む回路基板１２０を電気的に接続させる際の半田濡れ性の向上が図られている。
【００３９】
この第２放熱板１４０の角穴１４２は、パワートランジスタ１１０が挿通されるものであり、ここでは、パワートランジスタ１１０の外周形状と同様の形状で、当該第２放熱板１４０を鉛直方向に貫通して形成されている。この角穴１４２は、回路基板１２０における開口のうち、本体基板１２２の開口縁と補助基板１２４の一辺とで仕切られる部分、つまり、パワートランジスタ１１０が配置される部分、つまり、回路基板１２０の開口部１２１に連通して形成されている。
【００４０】
このように、パワートランジスタ１１０を備える高周波電力増幅モジュール１００では、回路基板１２０に形成された開口部にパワートランジスタ１１０が配置され、回路基板１２０は、下部に配設された第２放熱板１４０に固定されている。
【００４１】
また、この第２放熱板１４０は、当該第２放熱板１４０の下部に配設されるとともに、第２放熱板１４０を挿通するパワートランジスタ１１０がネジ止め接合された第１放熱板１３０に固定されている。
【００４２】
言い換えれば、回路基板１２０に実装されるパワートランジスタ１１０は、回路基板１２０の開口部１２１内に配置されて、第２放熱板１４０の角穴１４２を介して、第２放熱板１４０の下部に配置された第１放熱板１３０に直接ネジ止めにより接合されている。
【００４３】
回路基板１２０は、第２放熱板１４０を介在させた状態で、第１放熱板１３０に止着部材（ここでは、ネジ）１７０によって固定され、回路基板１２０上のＧＮＤ線は、スルーホールによって、第２放熱板１４０を介して第１放熱板１３０に電気的に接続される。
【００４４】
すなわち、第１放熱板１３０上に固定されたパワートランジスタ１１０は、第１放熱板１３０上の第２放熱板１４０を介して回路基板１２０に実装されている。
【００４５】
このように、高周波電力増幅モジュール１００では、第１放熱板１３０及び第２放熱板１４０といった複数の放熱板によって上部に配設される回路基板１２０に実装されるパワートランジスタ１１０の発熱を放散する。
【００４６】
これにより、パワートランジスタ１１０が発熱した際に、熱は補助基板１２４及び第１放熱板１３０に伝導されるとともに、第２放熱板１４０に伝達する。
【００４７】
高周波電力増幅モジュール１００では、第１放熱板１３０に熱が伝導されて熱膨張した際に、その熱応力を直接、回路基板１２０に伝導させることなく、第１放熱板１３０よりも回路基板１２０に熱膨張率が近い第２放熱板１４０に伝導した後で、回路基板１２０に伝導させる。
【００４８】
これにより、発熱した第１放熱板１３０の熱膨張による熱応力が直接回路基板１２０に加わらず、回路基板１２０を変形させる等の悪影響を与えることがない。
【００４９】
また、パワートランジスタ１１０の端子部が接続される回路基板１２０では、パワートランジスタ１１０の二次側の端子部が、本体基板１２２よりも熱伝導率が高く、第２放熱板１４０に電気的に接続された補助基板１２４に接続されている。
【００５０】
このため、二次側の端子部は、第２放熱板１４０を介して第１放熱板１３０に電気的に接続されることとなり、パワートランジスタ１１０を効率よく接地させることができる。
【００５１】
また、パワートランジスタ１１０は、アースプレート１１８を介して回路基板１２０の本体基板１２２及び補助基板１２４に接触しており、これら本体基板１２２及び補助基板１２４は、第２放熱板１４０とともに第１放熱板１３０に固定されている。
【００５２】
これにより回路基板１２０の発熱も、第２放熱板１４０を介して、第１放熱板１３０に伝導させて放散させることができる。
【００５３】
このように本実施の高周波電力増幅モジュール１００は、開口部１２１が形成された回路基板１２０と、開口部１２１内に配置されたパワートランジスタ（パワーデバイス）１１０と、回路基板１２０の下方に配置され、パワートランジスタ１１０に接合された第１放熱板１３０とを具備する。
【００５４】
これら回路基板１２０と第１放熱板１３０との間には、第１放熱板１３０より回路基板１２０に熱膨張率が近い第２放熱板１４０が、開口部１２１と連通する角穴１４２内に、パワートランジスタ１１０を挿通させて介設されている。この第２放熱板１４０は、第１放熱板１３０上に接合されている。
【００５５】
これにより、回路基板１２０に実装されたパワートランジスタ１１０の熱は、第１放熱板１３０で受けた後、第１放熱板１３０より回路基板１２０に熱膨張率が近い第２放熱板１４０に伝達する。これにより、パワートランジスタ１１０の熱が回路基板１２０に直接伝達されることがなく、回路基板１２０に、パワートランジスタ１１０の発熱による熱応力がかかることなく、回路基板１２０に、パワートランジスタ１１０を、パワートランジスタ１１０の発熱を確実に好適に放散させるように実装できる。
【００５６】
また、本実施の形態では、回路基板１２０は、本体基板１２２と補助基板１２４とによって構成し、補助基板１２４側のランド部にパワートランジスタ１１０の二次側の端子部が接続されている。
【００５７】
これにより、パワートランジスタ１１０のＧＮＤを、本体基板１２２よりも熱伝導率が高いセラミックなどの基材からなる補助基板１２４を介して第２放熱板１４０、第１放熱板１３０に伝導させることができ、効率よくアース、熱を放散できる。
【００５８】
なお、本実施の形態における高周波電力増幅モジュール１００の構成によればパワートランジスタ１１０と形状の異なるパワートランジスタを取り付ける場合、回路基板１２０の開口内に配置される形状であれば、補助基板１２４と第２放熱板１４０を変更するだけで対応することができる。
【００５９】
また、本実施の形態では、第２放熱板１４０を一枚の放熱板で形成したものとしたが、これに限らず、第２放熱板１４０を、熱伝導性を有する複数の板状部材（放熱板）を積層して形成してもよい。この構成の場合、第２放熱板１４０として、回路基板１２０と第１放熱板１３０との間に介設される複数の板状部材のそれぞれの熱膨張率は、第１放熱板１３０側に位置する板状部材から回路基板１２０側に位置する板状部材に近づくにしたがって第１放熱板１３０の熱膨張率より回路基板１２０の熱膨張率に近いことが望ましい。
【００６０】
この構成によれば、回路基板１２０に実装されたパワートランジスタ１１０の熱は、第１放熱板１３０で受けた後、第１放熱板１３０より回路基板１２０に熱膨張率が近い第２放熱板１４０において第１放熱板１３０上に積層された放熱板に伝達する。そして、複数の放熱板からなる第２放熱板１４０において、最下層の放熱板から、上方に向かって順に、回路基板１２０の熱膨張率が近づいていく放熱板に熱が伝達していく。これにより、パワートランジスタ１１０の熱が回路基板１２０に直接伝達されることがなく、回路基板１２０に、パワートランジスタ１１０の発熱による熱応力がかかることなく、回路基板１２０に、パワートランジスタ１１０を、パワートランジスタ１１０の発熱を更に効果的に、確実に放散させるように実装できる。
【００６１】
なお、上記本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、種々の改変をなすことができ、そして本発明が該改変させたものに及ぶことは当然である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係るパワーデバイス装置は、パワーデバイスが実装される回路基板に、パワーデバイスの発熱による熱応力がかかることなく、パワーデバイスの発熱を確実に好適に放散させる効果を有し、無線インフラなどにおける基地局の送信部として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係るパワーデバイス装置の一例としての高周波電力増幅モジュールの平面図
【図２】同高周波電力増幅モジュールの側面図
【図３】同高周波電力増幅モジュールにおけるパワートランジスタの実装構造を示す側断面図
【図４】本発明に係るパワーデバイス装置の一例としての高周波電力増幅モジュールの概略構成を示す要部分解斜視図
【符号の説明】
【００６４】
１００  高周波電力増幅モジュール（パワーデバイス装置）
１１０  パワートランジスタ（パワーデバイス）
１１２  一次側端子部
１１４  二次側端子部
１２０  回路基板
１２１  開口部
１２２  本体基板
１２４  補助基板
１３０  第１放熱板
１４０  第２放熱板
１４２  角穴
１４４  突部
１５１、１７０  止着部材
【図１】
2008171894.tif 000003
【図２】
2008171894.tif 000004
【図３】
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【図４】
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