(57)【要約】マイクロ波乃至ミリ波帯において使用する高周波トランジスタ、ＭＩＣ、ＭＭＩＣのうち少なくとも１つを内蔵し、ベースが金属で形成されてアースとなるパッケージを筐体に実装するパッケージの実装構造において、パッケージのベースと同じ大きさで、熱伝導性が良好で、復元性のある導電性シートを筐体上のパッケージ載置箇所に敷き、該パッケージとシートを２個以上のネジで共締めし、共締めにより１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力でシートを押し付けながら筐体に実装する。
2004044982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともマイクロ波乃至ミリ波帯内のいずれかにおいて使用可能な高周波トランジスタ、ＭＩＣ、ＭＭＩＣのうち少なくとも１つを内蔵し、ベースが金属で形成されてアースとなるパッケージを筐体に実装するパッケージの実装構造において、
パッケージのベースと同じ大きさで、熱伝導性が良好で、復元性のある導電性シートを筐体上のパッケージ載置箇所に敷き、該パッケージとシートを２個以上のネジで共締めして筐体に取り付けてなる、
ことを特徴とする実装構造。
【請求項２】
パッケージに全開あるいは半開の穴を設けると共に筐体にネジ穴を設け、ネジが貫通する部分はシートが無い状態にし、前記ネジの共締めにより１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力でシートを押し付けながら筐体に実装してなる、
ことを特徴とする請求項１記載の実装構造。
【請求項３】
マイクロ波乃至ミリ波帯において使用する高周波トランジスタ、ＭＩＣ、ＭＭＩＣのうち少なくとも１つを内蔵し、ベースが金属で形成されてアースとなるパッケージを筐体に実装するパッケージの実装構造において、
筐体上のパッケージ載置箇所と回路基板載置箇所に段差が存在する場合、パッケージ載置箇所の４辺の段差部分のうちマイクロ波が通らない段差部分を傾斜させ、熱伝導性が良好で、復元性のある導電性シートを筐体上のパッケージおよび回路基板載置箇所全体に敷き、該パッケージと回路基板のそれぞれとシートとを２個以上のネジで共締めして筐体に取り付けてなる、
ことを特徴とする実装構造。
【請求項４】
シートのネジが通る部分には穴を開けてシートが無い状態にし、前記ネジの共締めにより１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力でシートを押し付けながら筐体に実装してなる、
ことを特徴とする請求項３記載の実装構造
【請求項５】
超伝導回路基板を金属筐体に実装する実装構造において、
箱状の金属筐体の底部に、熱伝導性が良好で、復元性のある導電性シートを敷き、シート上に超伝導回路基板を載せ、該超伝導回路基板とシートを２個以上のネジで共締めして金属筐体に取り付けてなる、
ことを特徴とする実装構造。
【請求項６】
シートのネジが通る部分には穴を設けてシートが無い状態にし、前記ネジの共締めにより１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力でシートを押し付けながら筐体に実装してなる、
ことを特徴とする請求項５記載の実装構造
【請求項７】
ネジが通る部分に穴が設けられた復元性のある導電性シートを箱状の金属筐体の周縁頂部に載置し、その上に筐体の蓋を被せ、蓋とシートをネジで共締めしてなる、
ことを特徴とする請求項６記載の実装構造。
【請求項８】
シートの厚み以下の掘り込みを前記筐体の周縁頂部か蓋の一方に形成してなる、
ことを特徴とする請求項７記載の実装構造。
【請求項９】
前記シートはグラファイトシートであることを特徴とする請求項１乃至８記載の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、マイクロ波乃至ミリ波帯において使用する高周波トランジス、ＭＩＣ（マイクロ波集積回路）、ＭＭＩＣ（モノシリックマイクロ波集積回路）の少なくとも１つを内蔵したパッケージや超伝導回路基板の実装構造に係わり、特に、マイクロ波特性を損なうことなく、熱的に良好な状態を容易に得ることができる実装構造に関するものである。
【背景技術】  従来、マイクロ波乃至ミリ波帯の信号を扱うマイクロ波回路を筐体（ヒートシンク）に実装するには、▲１▼筐体とパッケージや基板の間にインジウムのような軟金属を置いて実装する、▲２▼筐体とパッケージや基板の間にシリコン・コンパウンドやグリースを塗って実装する、▲３▼何もしないで直接実装する、▲４▼半田付けにより筐体に直接実装する、のいずれかの方法が行われていた。
また、低周波の回路では、グラファイトシートが熱異方性をもつことを利用し、該グラファイトシートで低周波回路の発熱部から発生する熱を離れたところに輸送して放熱を行う事が成されていた。また、同様にグラファイトシートの性質を利用し、パッケージの発熱部と筐体との間にグラファイトシートを挟み、パッケージに補助金具などで圧力をかけ、熱を逃がす方法がなされていた。しかし、これらは低周波回路への適用であリマイクロ波回路では行われていない。
グラファイトは、黒鉛のことで、炭素の同素体、良く言えばダイアモンドの弟分、悪く言えば鉛筆の芯である。グラファイトシートは結晶の並びがきれいなダイアモンドに近いグラファイトをシート状に成形したもので、ダイアモンドの次に高い熱伝導率を有しています。銅やアルミの熱伝導率はグラファイトの一方向の熱伝導率の１／２以下である。以上より、グラファイトシートは伝熱素材として理想的である。しかし、グリスのように液状でないため完全に密着させるのが困難な問題がある。
・マイクロ波・ミリ波帯の回路の実装構造の問題点
マイクロ波・ミリ波帯の回路の実装構造は、高発熱のトランジシタやＭＩＣ、ＭＭＩＣを内蔵するパッケージを金属筐体上に実装し、該パッケージの回りにマイクロストリップがパターン化された回路基板を配置するのが通常である。そして、パッケージから発生する熱の放熱を良くするために、パッケージと筐体の接触するところは表面粗さをなくして平面度を良くし、できるだけ面接触するように構成する。
しかし、マイクロ波・ミリ波帯ではパッケージの下部は全体がアースになる必要がある。表面粗さと平面度をいかに良くしても、ミクロに見ると点接触となり特にパッケージが熱などで曲がると、アースが不安定で電気特性（マイクロ波特性）の良好なものが得られない。また、放熱効果は限られたものとなり、発熱のため、パッケージが反り、接触をより悪くし、これによりアースがより不安定となる。発熱体の下に反り防止用のネジ等があると良いが、パッケージは上からその周辺をネジ止めするしか方法がない。なんとかアースが取れていても消費電力が大きい場合、熱抵抗を考慮すると半導体の温度が絶対最大定格を超えてしまうことがある。
以上の解決方法としてハンダでパッケージを筐体（ヒートシンク）に止める方法がある。しかし、半田で止めた場合は再び動かすことができないため、故障等が発生するとトランジスタやＭＩＣ、ＭＭＩＣを実装したパッケージのみならず、筐体をそっくり取り替える必要があり、これにより筐体に含まれる全ての回路を取り替える事となりコストが大きくなる問題がある。
また、後から取り替えられるものとしてシリコン・コンパウンドを使用する方法がある。しかし、コンパウンドが絶縁物であるため、アースをとるのがうまくいかない問題がある。また、コンパウンドを薄く上手に塗る技術は難しく、熟練を要する作業である。
アースの取れる方法としてインジュームシートを敷く方法があるが、上からの圧力で押しつぶされ、反発力がないため、長期に使用するとパッケージと筐体の間に隙間を生じることがあり、これにより、信頼度に問題が生じ、電気特性が変わる問題がある。
また、低周波回路では発熱部と筐体との間にグラファイトシートを挟むことが考えられており、図２０の断面図に示すような構成が提案されている。すなわち、パッケージ１内に設けられた発熱源（ＭＰＵ，ＰＡグラフィックチップ等）２とパッケージの上部間の隙間にキャップフィルタ３を挟み、パッケージの上面にグラファイトシート４を敷き、その上から筐体（ヒートシンク）を載せて固定することにより実装する。このようにすると、熱が矢印で示す方向に伝導し、グラファイトシートを用いない不均一な熱分布ＨＴＤ１がグラファイトシート４を用いるとヒートシンク全体で放熱が行われて熱分布ＨＴＤ２のように変化し、発熱部分の熱が放熱される。図２１はＤＶＤ−ＲＡＭの実装構造説明図であり、ＣＰＵ６ａ，６ｂが実装されたプリント基板７の下にピックアップ８が設けられ、該ピックアップ８の発光ダイオードなどの発熱部の上にＰＧＳグラファイトシート４が装着されている。この図２１の構成では、ＣＰＵやピックアップから発生した熱をグラファイトシート４を介して外装ケース９に伝導して放熱する。
しかし、図２０、図２１の実装構造は、マイクロ波回路の実装に適用することは難しい。理由はマイクロ波回路の場合、パッケージ（トランジスタやＭＩＣ、ＭＭＩＣ）に隣接した周りにはマイクロストリップを主体とした回路基板を配置する必要があるからである。
図２１のように低周波回路であればアースは点接触でつながっていても問題はないがマイクロ波回路を内蔵するパッケージでは面接触のアース構造を必要とする。また、図２０、図２１の実装構成において、熱が矢印で示されるように、グラファイトシートは横方向に熱伝導が非常に優れているが、１枚では薄いため、これらの図のように熱が横方向に広がることは少ない。
また、図２０では発熱部をグラファイトシート４に押し当てるために、上から筐体５で抑える構造になっている。この場合、周りの回路上の空間も狭くなり、マイクロ波回路の場合は周辺回路の上の空間が狭くなる。これにより例え周辺回路を配置しても、該回路の上のアースが近すぎて、通常のマイクロ波特性を得ることが困難となる。また、実用的に放熱するには強く押さえるための特別な治具が必要である。
また、図２１では筐体への取り付け方法が明確ではないが、接着層があるグラファイトシート４でＣＰＵパッケージを放熱部（外装ケース）へ固定させていると考えられる。しかし、接着層の存在が熱抵抗を大きくする。また、高発熱のマイクロ波・ミリ波帯のパワー回路に使用するトランジスタやＭＩＣ、ＭＭＩＣのパッケージ下部は１００℃以上になる。接着層は高温で１００℃程度しかもたないため、図２１の実装構造のように接着層のあるシートはマイクロ波回路の実装に使用できない。また、図２１の実装構造は低周波回路対応のため、マイクロ波・ミリ波の高周波回路の特殊性が考慮されておらず、パッケージ（トランジスタやＭＩＣ、ＭＭＩＣを内蔵）に隣接した周りにマイクロストリップを主体とした基板を配置する必要があるマイクロ波回路の実装には、限界がある。
図２２では熱抵抗測定のため、パッケージ１を加圧する図が描かれ、パッケージ１全体を加圧するようになっている。これもパッケージ１を上から押さえる構造となっており、図２０や図２１と同じ問題が起こる。すなわち、図２２のパッケージ１全体を押下する構造では、周りの回路上の空間もパッケージと同じ高さになり、マイクロ波回路の場合は回路の上の空間が小さくなる。これにより例え回路を配置しても回路の上のアースが近すぎて、通常のマイクロ波・ミリ波特性を得ることが困難となる問題があった。まお、上から加圧する場合は誘電率の低いテフロンなどを使用する場合がある。しかし、これはマイクロ波・ミリ波用では補助的で、圧力のみではトランジスタやＭＩＣ、ＭＭＩＣのパッケージを固定することは出来ない。
放熱に関しては、特開平８−２３１８３号、特開平１１−１１００８４号、特願平１１−１４９３２９号、特願平１０−３３３３２０２号、特願平１１−１２８５６７号、特願平１０−５１１７０号公報に見られるように、発熱部からグラファイトシートを利用して放熱部へ持っていく形式が考えられている。しかし、これら従来技術はマイクロ波特有のアースの問題は考慮されていない。また、熱的にはグラファイトシートは横方向の熱伝導率が高いのである程度の効果があるが、シートの厚みが薄いこともあり熱輸送量が少なく、例えばトランジスタやＭＩＣ、ＭＭＩＣの発熱量が１００Ｗ以上ある場合、トランジスタのチャネル温度を１０℃以上、下げる事は困難であった。また、マイクロ波・ミリ波回路の場合、回路基板が直ぐそばにあるため、この回路基板を避けて熱を輸送する必要があり、即ち、ＲＦ特性と関係無い部分からしか熱輸送が出来ず、その場合熱輸送量は少なく十分な効果が得られない。
例えば、特開平８−２３１８３号には、低周波回路の発熱部材を冷却するための冷却構造、すなわち、高配向性を有するグラファイト製の放熱部品を含むことを特徴とする発熱部材の冷却構造が開示されている。そして、この冷却構造における放熱部品は、▲１▼発熱部材としての電子部品を冷却するためのヒートシンク、あるいは▲２▼発熱部材としての電子部品を封止するための封止部材、あるいは、▲３▼発熱部材としての電子部品と熱を放熱する放熱体とを接続する放熱部材であってもよいことが示めされている。
▲１▼の方法では、ヒートシンクとしての放熱特性は良好であるが、マイクロ波・ミリ波回路のように発熱体がパッケージに入っている場合、このパッケージからヒートシンクへの熱伝導が十分でないと十分な放熱効果を得られない問題がある。また、▲２▼の方法では、シートに接着機能が必要であるが、記述されているグラファイト・シートでは接着機能が示されていない。接着剤を用いるとすれば、接着剤により熱伝導効率が下がり、放熱効果が低下する。▲３▼の方法では、接続部材は特開平８−２３１８３号の図１に示されるような形であるが、シートの厚みが薄いこともあり熱輸送量が少なく、例えばトランジスタやＭＩＣ、ＭＭＩＣの発熱量が１００Ｗある場合、トランジスタのチャネル温度を１０℃以上、下げる事は困難である。
また、特開平１０−２８３６５０号公報に示されるように、レーザ光発生装置において連結部材を使ってヒートシンクを固定する例がある。この例のように周波数に関係のない場合は回路装置が独立して用いられることができるが、マイクロ波回路では周りに他のマイクロ波回路が近接しており本構成は実際的ではない。また、この連結部材を用いる方法では、連結部材という新たな部材を必要とする問題がある。すなわち、パッケージを固定する場合この連結部材の素材や連結の条件が必要であるし、通常のパッケージを止めるネジ以外の部材が増える問題がある。
特開平５−７５２８３号公報には、インジュームシートを使って熱を逃がす構造が示されている。しかし、インジュームは殆ど復元力が無く、長期に使用する間に甦生変形して筐体との間に隙間が生じ、発熱体と剥離することがあり、熱伝導性、アース維持の点で問題がある。
以上は、発熱体から発生した熱を放熱する従来技術であるが、マイクロ波・ミリ波の高周波域の電磁界成分を扱う超伝導を用いた高周波回路や高速デジタル回路では、非常な低温に部材を維持する必要がある。図２３は冷却構造説明図であり、（ａ）超伝導を使用した高周波回路装置の上蓋１０を外した斜視図、（ｂ）は上蓋付きのＡＡ′断面図である。図示するように、筐体１１に超伝導ＲＦ回路基板１２などを実装したベース金属基板（インバー、コバール、銅など）１３を基板取り付けネジ１４ａ〜１４ｆで止めている。また、筐体１１とベース金属基板１３の間及び超伝導ＲＦ回路基板１２とベース金属基板１３の間に熱を冷やすためインジウムシート１５ａ，１５ｂが敷かれている。更に、冷却端１６上にインジウムシート１５ｃを介して筐体１１がネジ１７ａ，１７ｂにより固定されている。冷却端１６の内部にはＬＮ，，ＬＨｅ等の霊媒が流すか、または図示しない冷凍機から送られてくる冷却されたＨｅガスを流す構成になっている。液体Ｈｅ（ＬＨｅ）を冷媒とした動作温度約４Ｋでは、Ｎｂ超伝導膜やＹＢＣＯ、ＢＳＣＣＯ膜を用いた超伝導ＲＦ回路を、液体窒素を冷媒とした動作温度約７７Ｋまたは、冷凍機を用いた５０〜８０Ｋでは、ＹＢＣＯ、ＢＰＳＣＣＯ膜を用いた超伝導ＲＦ回路を冷却することができる。尚、図２３において、１８は超伝導ＲＦ回路基板１２上の超伝導膜パターン、１９ａ，１９ｂは同軸コネクタ、２０ａ〜２０ｄはネジ挿通用の孔である。
被冷却部の回路の発熱は通常の半導体回路、配線に比べ、桁違いに小さいが、冷却装置の外部からの侵入熱が筐体１１を経由して、被冷却部（超伝導ＲＦ回路基板１２）に侵入する。この侵入熱による温度の上昇を冷却端１６により冷却する。しかし、インジンムシート１５ａ〜１５ｃは復元率が殆どなく、また多くの筐体材料、基板に対して付着性がある。このため、筐体１１を外すと、インジンムシート１５ｃの形状が変形してしまい、このままでは同じ形状での再使用が困難であり、再使用した場合は筐体との間に隙間が生じやすく、基板内に温度むらが出来、再現性が高い超伝導による能動動作や伝送回路動作がしばしば困難である。
また、図２３の冷却構造ではＥＭＣや内部回路での発振や特性劣化の問題がある。マイクロ波・ミリ波回路の筐体１１は通常ネジ１７ａ〜１７ｂなどで蓋１０や裏ブタを止める。この際、隙間ができるためここから電波が漏れることによりＥＭＣや内部の回路における発振や特性劣化の問題がおきる。ＥＭＣは外へ電波が漏れる現象と、または外の電波が中に入る現象の２点があり、内部回路の発振は出力の一部が隙間をとおり入力にフィードバックして起こることも１因である。また、特性劣化もこの隙間を通した回路間の結合に起因しておこり、例えば亀裂が入った周波数特性になったりする。
以上より本発明の目的は、マイクロ波乃至ミリ波帯において使用する高周波トランジスタ、ＭＩＣ、ＭＭＩＣのうち少なくとも１つを内蔵するパッケージから発生する熱を効率的に放熱して熱的に良好な状態を容易に得ることができる実装構造を提供することである。
本発明の別の目的は、熱的に均一度が必要な超伝導回路基板とグラファイトシートをネジで共締めして筐体に実装することにより、マイクロ波特性を損なうことなく、熱的に良好な状態を容易に得ることができる実装構造を提供することである。
【発明の開示】
本発明の第１は、マイクロ波乃至ミリ波帯において使用する高周波トランジスタ、ＭＩＣ、ＭＭＩＣのうち少なくとも１つを内蔵し、ベースが金属で形成されてアースとなるパッケージを筐体に実装するパッケージの実装構造である。
第１の実装構造においては、パッケージのベースと同じ大きさで、熱伝導率が良好で、復元性のある導電性シート、例えばグラファイトシートを筐体上のパッケージ載置箇所に敷き、該パッケージとシートを２個以上のネジで共締めして筐体に取り付ける。この場合、パッケージに全開あるいは半開の穴を設けると共に筐体にネジ穴を設け、ネジが貫通する部分はシートが無い状態にし、前記ネジの共締めにより１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力でシートを押し付けながら筐体に実装する。第１の実装構造によれば、簡単な方法で、パッケージの温度上昇を押さえることができ、熱的に良好な状態を得ることができ、さらには電力付加効率など電気特性を向上することができる。
第２の実装構造においては、筐体上のパッケージ載置箇所と回路基板載置箇所に段差が存在する場合、該パッケージ載置箇所の４辺の段差部分のうちマイクロ波が通らない段差部分を傾斜させ、熱伝導性が良好で、復元性のある導電性シートを筐体上のパッケージおよび回路基板載置箇所全体に敷き、該パッケージと回路基板のそれぞれとシートとを２個以上のネジで共締めして筐体に取り付ける。この場合、シートのネジが通る部分には穴を設けてシートが無い状態にし、前記ネジの共締めにより１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力でシートを押し付けながら筐体に実装する。第２の実装構造によれば、第１の実装構造と同様の効果に加えて、傾斜段差部分でシートが切れることを防止で、シート全体のアースを維持することができる。
本発明の第２は、超伝導回路基板を金属筐体に実装する実装構造である。この実装構造においては、箱状の金属筐体の底部に熱伝導率が良好で、復元性のある導電性シート、例えばグラファイトシートを敷き、該シート上に超伝導回路基板を載せ、該超伝導回路基板とシートを２個以上のネジで共締めして金属筐体に取り付ける。この場合、ネジが通るシート部分には穴を設けてシートが無い状態にし、前記ネジの共締めにより１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力でシートを押し付けながら筐体に実装する。また、ネジが通る部分に穴が設けられた復元性のある導電性シートを箱状の金属筐体の周縁頂部に載置し、その上に筐体の蓋を被せ、蓋とシートをネジで共締めして筐体内部を密封する。また、シートの厚み以下の掘り込み（溝）を筐体の周縁頂部か蓋の一方に形成して、密封度合を強力にする。この実装構造によれば、熱的に均一度が必要な超伝導回路基板とグラファイトシートをネジで共締めして筐体に実装することにより、マイクロ波特性を損なうことなく、熱的に良好な状態を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は１本のネジでパッケージとシートを共締めして筐体に実装する実装方法の説明図である。
図２は第１実施例のパッケージの実装構造を示す分解斜視図である。
図３は信号方向に沿って切断した場合の断面図である。
図４はパッケージとグラファイトシートのサイズ説明図である。
図５はパッケージとグラファイトシートの穴説明図である。
図６は押し付け力を決定するためのパッケージの接触圧力とパッケージの温度上昇との関係図である。
図７はシートのサイズをパッケージのベースサイズより小さくし、かつ、パッケージの発熱部分のサイズと同じにした変形例の断面図である。
図８は変形例のパッケージとグラファイトシートのサイズ説明図である。
図９は発熱量とパッケージの上昇温度との関係図である。
図１０はシート有り／無しの場合におけるマイクロ波特性図である。
図１１はシートの面積を変えた時の発熱量と温度上昇の関係図である。
図１２はシリコングリースとシートの温度上昇比較図である。
図１３は実装面を荒らした時のシートの効果説明図である。
図１４は第２実施例のパッケージの実装構造を示す分解斜視図である。
図１５はパッケージの実装構造の断面図である。
図１６は第３実施例のパッケージの実装構造を示す分解斜視図である。
図１７は第３実施例のパッケージの実装構造の断面図である。
図１８は超伝導回路基板を金属筐体に実装する実装構造の説明図である。
図１９は超伝導回路基板を金属筐体に実装する実装構造の別の説明図である。
図２０は従来のグラファイトシートを用いた実装方法の第１の説明図である。
図２１は従来のグラファイトシートを用いた実装方法の第２の説明図である。
図２２は従来のグラファイトシートを用いた実装方法の第３の説明図である。
図２３は従来の冷却構造説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】  （Ａ）本発明の原理
通常のマイクロ波乃至ミリ波回路に殆ど新たな実装変更を加えず、効率よくパッケージより発生する熱を放熱できるようにすることが重要である。このため、シートとして、
▲１▼電気伝導度が良好でマイクロ波特性が変化しないもの、
▲２▼クッションのように復元力があり、しかも長期に復元力を保持しているもの、
▲３▼空気以上の熱伝導があり、ネジでパッケージと共締めして、筐体に実装可能なもの、
が良い。なお、シート状のものを使うとグリースのように液状ではないので、実装が簡単になる。
以上のような性質をもったシートとして、グラファイト・シート構造があり、製造方法は例えば特開平１０−３４５６６５号公報より知られている。また、シートとして、グラファイトシートが最適であるが、次善のシートとして、カーボン・ナノ・チューブ膜（２００ｎｍ厚以上）を形成したＳｉＣ基材等もカーボン・ナノ・チューブ膜の部分に復元性の点でグラファイトシートと同様の性質を持つため、有効である。また、マイクロ波乃至ミリ波回路用のパッケージ等ではパッケージがアースとなっており、電気伝導度が小さいものはアースが十分に取れずに問題である。しかし、上記のグラファイト・シート、カーボン・ナノ・チューブ膜を形成したＳｉＣ基材は電気伝導度がよく、アース不良によるマイクロ波特性が劣化することはない。
ネジでパッケージとシートを共締めして筐体に実装する際、相当の押し付け圧力、例えば１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力をシートに加えながら実装する必要がある。これはシートとパッケージ間、シートと筐体間を密接に接触させる（面接触させる）ためである。面接触により熱伝導効率が上昇し、また、アースが十分に取れてマイクロ波特性の劣化を防止できる。
ネジによるパッケージとシートの共締めは、比較的小さい（せいぜい５０〜３００ｍｍ２）マイクロ波回路のパッケージに適用可能である。なぜならば、このマイクロ波回路のパッケージは通常ネジで止められているからであり、このネジを用いることにより、ピンで留めるより大きな押し付け圧力をシートに加えることができる。また、図１に示すように、１個のネジ２１では、ネジが無いＢ点周辺の圧力が弱いために熱を伝えるのに十分な力が得られない。このため、２個以上のネジが必要である。尚、図１において、２２は筐体の面、２３は熱伝導性シート、２４はパッケージ、２５はネジ挿通用の孔である。
２個以上のネジでパッケージとシートを共締めすると共に、１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力でシートを押し付けながら筐体に実装する方法により、既述の特開平８−２３１８３の問題点を解決でき、また、図２１の弱い圧力や接着材による弱熱伝導性の問題を解決できる。また、ネジにより上から特別な治具でシートを押さえることも必要ない。
シートは薄いため、熱伝導を特開平８−２３１８３のようにヒートシンクと接続して発熱体からヒートシンクへ熱を伝えようとしてもその効果は弱い。しかし、パッケージの発熱体の真下にシートを敷き、ネジにより該シートとパッケージとを共締めし、シートに１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力を加えて筐体に実装することにより、押し付け圧力真下に熱を伝えることが可能となり、パッケージの温度上昇を押さえることが可能となる。
この際、マイクロ波・ミリ波回路において、信号伝播部はアースの位置ぎりぎりまであることが必要である。このため、パッケージと同じサイズのシート（シート全面がアースである）が必要である。また、マイクロ波・ミリ波信号がない方向においては、即ち、マイクロ波が伝播する方向と直角方向においては、パッケージとシートのサイズが多少違っても影響はない。
（Ｂ）第１実施例
図２は第１実施例のパッケージの実装構造を示す分解斜視図、図３は信号方向に沿って切断した場合の断面図、図４はパッケージとグラファイトシートのサイズ説明図である。放熱部材としての筐体（ヒートシンク）５１上に、マイクロストリップがパターン化された回路基板５２，５３がパッケージ５４を挟むように装着されている。また、筐体５１上にはパッケージ取り付け用のネジ穴５１ａ，５１ｂが形成されている。
パッケージ５４は、内部にマイクロ波乃至ミリ波帯において使用する高周波トランジスタ、ＭＩＣ、ＭＭＩＣのうち少なくとも１つを内蔵しており、外形は凸状になっており、基部両端部にパッケージ取り付け用のネジ５６ａ，５６ｂを挿通する穴５４ａ，５４ｂが形成されている。また、パッケージ突出部の両側にはパケットの入出力端子５４ｃ，５４ｄ（図３参照、図２では省略）が形成されている。シート５５はパッケージ５４のベースと同じサイズを備え（図４参照）、ネジ５６ａ，５６ｂが貫通する部分には穴５５ａ，５５ｂが明けられて、シートが無い状態になっている。シート５５は、復元率が２０％以上、熱伝導性が良好で、導電性を有する必要があり、例えばグラファイトシートである。
パッケージの筐体への組み付けは、グラファイトシート５５を筐体５１上のパッケージ載置箇所に、穴５５ａ，５５ｂがネジ穴５１ａ，５１ｂと一致するように敷き、ついで、その上にパッケージ５４を穴５４ａ，５４ｂが穴５５ａ，５５ｂと一致するように載せ、２個以上（図では２個）のネジ５６ａ，５６ｂを各穴に挿入してパッケージ５４とシート５５を共締めして筐体５１に取り付ける。この場合、ネジの共締めにより、所定の押し付け圧力でシート５５を押し付けながら筐体５１に実装する必要がある。最後に回路基板５２，５３上のマイクロストリップ５２ａ，５３ａとパッケージの入出力端子５４ｃ，５４ｄ（図３参照）を半田５６で接続する。なお、パッケージ５４及びシート５５に設ける穴５４ａ，５４ｂ；５５ａ，５５ｂを、図５に示すように半開とすることもできる。
図６は押し付け力を決定するためのパッケージの接触圧力とパッケージの温度上昇との関係図で、発熱量が６０Ｗの場合（曲線Ａ）と９０Ｗの場合（曲線Ｂ）を示している。横軸は接触圧力（Ｎ／ｃｍ２）、縦軸はパッケージ温度上昇である。シートの種類や発熱量に関係なく、５〜１０（Ｎ／ｃｍ２）を境に温度の上昇率が違っている。この特性図から、１０（Ｎ／ｃｍ２）以上の接触圧力をかければ、パッケージの温度上昇を押さえることが可能となることが分かる。
図７はシート５５のサイズをパッケージのベースサイズより小さくし、かつ、パッケージの発熱部分のサイズと同じにした変形例の断面図、図８は変形例のパッケージとグラファイトシートのサイズ説明図であり、図３、図４と同一部分には同一符号を付している。
図３、図７から第１実施例と変形例におけるアースの様子がわかる。即ち、第１実施例ではシート５５が金属と同程度の導電性を有するため、パッケージ５４のアースがベース全面から十分に取れている。しかし、変形例では一部ベースがアースを取れていない。熱的には図３の第１実施例も図７の変形例も殆ど同じである。しかし、図７の変形例では一部のベース部分がアース（筐体）から遠くなる問題が出てきてマイクロ波特性が乱れる。
長期信頼度を考えるとシート５５が反発力（復元率２０％以上）を持っている必要がある。この反発力で、本来不安定であったアースが取れ、熱も逃げる効果が上げられるからである。この効果は、パッケージ５４をネジ５６ａ，５６ｂで共締めするだけの簡単な方法で、かつ、シート５５の値段をプラスするだけで達成できる。この際、ネジが貫通するネジ穴をシートに設ける形状が望ましい。
パッケージ５４に１段のＦＥＴ増幅器を納めて発熱量を調べた。図２において、Ｍ２．３の２本のネジ５６ａ，５６ｂで締付けトルクは３．５ｋｇｆである。パッケージ５４の下部の面積は３．５×１．５ｃｍ＝５．２５ｃｍ２である。シート５５はネジを通すためにこの部分に穴があけてあるものを使用した。その時の発熱量とパッケージ上面の温度上昇の値を図９に示す。Ａはシート無しの特性、Ｂはシート有りの特性である。シートなしの特性Ａよりシートを挟んだ特性Ｂの方が熱的に倍以上、良好であることがわかる。
マイクロ波特性が変わると問題である。そこで、マイクロ波特性を評価した実験結果を図１０に示す。Ａはシート有りのときの出力電圧、Ｂはシート無しの場合の出力電力、Ａ′はシート有りのときの電力付加効率、Ｂ′はシート無しのときの電力付加効率である。シート有りの方が入出力特性と効率特性とも良好な値が得られた。これは、シートの電気伝導度が金属と同じ程度に良く、パッケージ全面からアースを取れるためであり、マイクロ波特性に影響を及ぼさないことが分かった。
ところで、シート５５は薄いために熱を横方向に拡散する効果は少ない。このため、シート５５の面積を変えた場合における温度上昇のデータを取ったが、図１１に示すように殆ど同じ温度上昇率となった。特にシートＡではパッケージの面積３．５×１．５ｃｍより広くした場合でも同じ温度上昇であった。このデータからも発熱体の下にシートを配置すると効果があり、放熱体と接続する放熱部材ではあまり効果が得られないことが分かる。
図１２にシリコングリース（ＫＥ１２２３）とシートを挟んだ時の発熱量に対するパッケージの温度上昇の値をプロットした。Ａはシリコングリースを挟んだ時の特性、Ｂはシートを挟んだ時の特性である。熱的特性は、熱伝導度が良い分シートの方が温度上昇が低いことが分かる。電気特性はシリコングリースのような絶縁体では測定できないので、マイクロ波回路には不適である。
図１３は筐体の面を荒らした時の発熱量と温度上昇の特性図であり、Ａはシート無しで面を荒らさない場合の特性、Ｂはシート無しで面を荒らした場合の特性、Ｃはシート有りで面を荒らした場合の特性、Ｄはシート有りで面を荒らさない場合の特性である。シートが無い場合は８０Ｗの発熱量で３２．５℃から５４．１℃へ１６６％と大幅に上昇したが、シートをはさみネジ２本で圧力をかけた場合は温度上昇が１３．８℃から１４．９℃と１０８％とその上昇率は少なかった。図１２と図１３の特性図よりシートと筐体間の密着は十分であり、第１実施例の方法は効果があることが分かる。
以上、第１実施例によれば、パッケージ品を使ったマイクロ波回路において、電気伝導度が金属と同等の、ある程度で復元率があるシートがパッケージのベース全面に接触しているためアースが安定して取れる。また、素子が発熱した場合もシートが面接触しているため、多数の点接触より熱の流れる経路が出来、発熱素子の温度が低くなる。また、シートを間に挟んで複数のネジで止める形態であり、シートはパッケージと筐体に対し圧力をもって接触することが可能でしかも、復元率があるため、形状を長期に保持できる。また、シート代のみがプラスとなり他の構成が増えないため、コストをかけず実施できる。また、ネジで押さえるため、上側のアースの位置はパッケージの高さに左右されることはない。また、第１実施例によれば、、例えばトランジスタのチャネル温度が数１０℃低くなるため、利得、飽和出力、効率、歪特性が向上する。
（Ｃ）第２実施例
図２の第２実施例では筐体５１にパッケージ受容部を形成しないため、パッケージ組み付け時におけるシート５５やパッケージ５４の位置合わせが面倒であった。図１４は第２実施例のパッケージの実装構造を示す分解斜視図、図１５の（ａ）はは信号方向に沿って切断した場合のＡＡ′断面図、（ｂ）は信号方向に直角に切断した場合のＢＢ′断面図であり、図２、図３と同一部分には同一符号を付している。第１実施例と異なる点は、筐体５１にパッケージ受容部６０を形成している点である。この受容部６０を設けたことにより、パッケージ組み付け時において、シート５５及びパッケージ５４をこの受容部６０に入れるだけで簡単に位置合わせが可能となる。尚、６２は金属フタ、６３は５０Ωライン、６４はセラミック部分の断面である。
（Ｄ）第３実施例
第２実施例ではパッケージのベースと同じサイズのシートを受容部６１にセットするだけで良いため何等の問題は生じない。しかし、シート５５を筐体上のパッケージ５５および回路基板５２，５３の載置箇所全体に一体に敷き、パッケージ及び回路基板にシートよりアースを与える場合がある。かかる場合、図１５より明らかなようにパッケージ５４の載置箇所と回路基板５２，５３の載置箇所との間の４辺には直角の段差６１が存在する。この直角の段差６１のために、シートを敷いた上に回路基板５２，５３を装着し、しかる後、パッケージ５５を載置してネジ５６ａ，５６ｂで共締めすると、段差６１の直角部で薄いシート５５が切断する。そこで、第３実施例では、筐体５１上のパッケージ載置箇所と回路基板載置箇所との間に段差６１が存在する場合、パッケージ載置箇所の４辺の段差部分のうちマイクロ波が通らない段差部分を傾斜させる。
図１６は第３実施例のパッケージの実装構造を示す分解斜視図、図１６の（ａ）は信号方向に沿って切断した場合のＡＡ′断面図、（ｂ）は信号方向に直角に切断した場合のＢＢ′断面図であり、図１４、図１５と同一部分には同一符号を付している。
第２実施例と異なる点は受容部６０の４辺の段差部分のうちマイクロ波が通らない段差部分を傾斜させ、傾斜段差部６２とした点である。このように傾斜させれば、段差部でシートが切断することはない。すなわち、復元性のある導電性シート５５を筐体上のパッケージおよび回路基板載置箇所全体に敷き、シート上に回路基板５２，５３を装着し、しかる後、パッケージ５５を載置してネジ５６ａ，５６ｂで共締めしても傾斜段差部６２でシートが切断することはない、これにより、シート全体のアース電位を維持でき、パッケージ、回路基板にアースを与えることができる。なお、図のシートは、傾斜段差部６２以外の段差部分に切り込みが付けられているが、必ずしも切り込みは必要でない。１枚のシートで回路全体を構成することができ、特にトランジスタ、ＭＩＣ，ＭＭＩＣが複数個あるときには有効な方法である。
（Ｅ）第４実施例
図１８、図１９は超伝導回路基板を金属筐体に実装する実装構造の第４実施例であり、図１８の（ａ）は上蓋を外した斜視図、（ｂ）は上蓋付きのＡＡ′断面図である。図示するように、箱状の筐体７１の底部７２に熱伝導が良好で、復元性のある導電性シート、例えばグラファイトシート７３を敷き、該シート上に超伝導ＲＦ回路などを実装した超伝導回路基板７４を載せ、該超伝導回路基板７４とシート７３を２個以上のネジ７５ａ〜７５ｅで共締めし、シート７３を所定の押し付け圧力で押し付けて金属筐体７１に取り付ける。押し付け圧力は第１実施例と同様に１０Ｎ／ｃｍ２以上であり、この押し付け圧力でシート７３を押し付けながら筐体７１に実装する。なお、シートのサイズは基板サイズと同じである。また、冷却端７６上にグラファイトシート７３′を敷き、その上に筐体７１を載せ、４本のネジ７７ａ，７７ｃ，…により固定する。冷却端７６の内部にはＬＮ，，ＬＨｅ等の霊媒が流すか、または図示しない冷凍機から送られてくる冷却されたＨｅガスを流す構成になっている。また、図において、７８は超伝導ＲＦ回路基板７４上の超伝導膜パターン、７９は同軸コネクタ、８０ａ〜８０ｄはネジ挿通用の孔である。
以上のようにグラファイトシート７３設け、１０Ｎ／ｃｍ２以上の押し付け圧力でシート７３を押し付けながら筐体７１に実装することにより、マイクロ波特性を損なうことなく、熱的に良好な状態を得ることができる。
また、筐体７１と冷却端７６間の熱接触をよくするために、シート７３′を追加する場合には、ますます冷却性能を良くでき、熱的に良好な状態を得ることができる。この場合、シート７３′はネジ部を避けるように、穴があけられているかその部分が切り裂かれた構造にする。
（Ｆ）第５実施例
第５実施例はＥＭＣや内部回路の発振や特性劣化の問題を解決するための実施構造である。すなわち、図１９に示すように、ネジが通る部分に穴が設けられた復元性のある導電性シート（例えばグラファイトシート）９１を箱状の金属筐体７１の周縁頂部７１ａ〜７１ｃに載置し、その上に筐体７１の蓋７０を被せ、蓋７０とシート９１間を複数のネジ９２で共締めする。
以上のシート実装法は容易であるが、シート９１がずれる問題があるが、そこで、筐体７１あるいは蓋７０の一方（図では筐体頂部）に掘り込み（溝）を入れておき、そこにシート９１を載置することによりずれないで実装するととができる。この際、蓋７０と筐体７１の接触を図る必要があり、筐体７１において溝深さはシート９１の厚みの８０％以下が適当である。筐体７１の頂部のみぞは全体的に鍵の字型に掘ってある。また、筐体７１は発振や特性の亀裂を避けるために小さな箱状になっている。筐体側の溝は周縁部の頂部７１ａ，７１ｂでは内側が掘り込まれた形になっており、周縁部以外の頂部７１ｃでは凹の字型に掘り込まれている。この掘り込みがガイドになり容易にシート９１の実装が可能となり、しかも、密封が可能となる。
また、シート９１に加える押し付け圧力は複数のネジ９２（図では６本のネジ）で蓋７０を介して筐体７１に押さえることにより可能である。こうすることにより、隙間がふさがるため、ここから電波が漏れることがなく、また外の電波が中に入ることも防止できる。この結果、ＥＭＣや内部回路の発振や特性劣化の問題を解決できる。すなわち、内部回路の発振は出力の一部が隙間をとおり入力にフィードバックして起こるが、かかる要因がなくなり発振することはない。また、特性劣化もこの隙間を通した回路間の結合でおこるが、隙間がなくなったことにより特性劣化、例えば亀裂が入った周波数特性になることはない。
シート９１のネジ貫通部には穴ＨＬがあけられている。また、この例は筐体側を掘り込んだ例であるが、フタ側を掘り込んでも効果は同じである。
超伝導においては電気伝導度が金属と同等で、復元率があるシート７３が超伝導回路基板７４と接触しているため、基板と筐体のアースが良く取れるようになり、特性が安定する。また、シート７３の横方向の熱伝導率が良いため、超伝導体が均一に冷え、特性が安定する。
本発明によれば、例えば８０Ｗ発熱する発熱体を収納したパッケージの場合、パッケージの温度上昇が従来の３５℃から１２℃まで下がる。この効果で１段の増幅器の例では利得、出力が約１．５ｄＢよくなり、効率が約７〜８％、歪は４ｄＢ程度良好となる。また、超伝導などの極低温でも効果がある。
本発明によれば、グリスと違い電気伝導度があるため、マイクロ波用のパッケージや基板のアースとすることが可能である。また、グリスのように塗りムラを気にする必要がなく、装着が容易である。
本発明によれば、グリスと違い、シートは電気伝導度があるため、シールド部に使うことによりＥＭＣ関係も効果がある。
本発明によれば、筐体面が荒れていても荒れていなくてもほとんど同等の効果を奏することができ、筐体の面荒さは最低ランクで良いため大幅なコストダウンが期待できる。また、薄く一定に塗る必要があるジェルと違い経験は必要ない。更に、本発明のシートを用いた実装構造は温度範囲が広く、超伝導のような極低温の世界から数百度の温度範囲でも使用できる。
また、本発明によれば、シートを介してパッケージ及び回路基板を同時にアースさせることができ、しかも、ネジによる共締めにより面接触が得られ、マイクロ波特性の劣化を防止できる。また、パッケージと回路基板の載置箇所に段差があっても傾斜させることによりシートの切断を防止することができる。
また、本発明によれば、電波の放射、電波の受信による誤動作、回路の発振、特性の亀裂がなくなり、ＥＣＭにも効果がある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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