(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に回路パターンが形成され、かつ当該主面及び裏面を貫通して少なくとも１つの繰り抜き穴が設けられた絶縁基板と、
前記絶縁基板の下側に配置され、前記絶縁基板の下面に接するベースプレートと、
前記ベースプレート上に搭載され、上記絶縁基板に設けられた前記繰り抜き穴から露出され、その上面が、前記絶縁基板の主面とほぼ同じ高さにある少なくとも１つのヒートスプレッダと、
パッケージされた半導体デバイスであって、前記パッケージ底面よりほぼ水平に伸びる電気端子を有し、前記少なくとも１つのヒートスプレッダの上面に搭載され、上記絶縁基板上の前記回路パターンと前記電気端子とを電気的に接続されて電力増幅回路を構成する少なくとも一つの半導体デバイスと、
上記絶縁基板の端部に固定されると共に、上記絶縁基板の底面側に曲げて形成された足部を有する複数個のリード端子とを備え、
上記ベースプレート及び上記少なくとも一つのヒートスプレッダは、上記絶縁基板の構成材料よりも大きい熱伝導率を有する材料でそれぞれ形成されており、
前記ベースプレートは、前記リード端子に接触しないように上記絶縁基板に密着して張り合わされ、かつ、上記足部の曲げにより上記絶縁基板が浮き上がる量が、上記ベースプレートの厚みとほぼ等しいことを特徴とする電力増幅モジュール。
【請求項２】
前記少なくとも一つのヒートスプレッダの構成材料は、ＣｕまたはＣｕＷであることを特徴とする請求項１記載の電力増幅モジュール。
【請求項３】
前記ベースプレートの構成材料は、ＣｕまたはＦｅＮｉ合金であることを特徴とする請求項１記載の電力増幅モジュール。
【請求項４】
上記絶縁基板を内部に収容して上記ベースプレートと嵌合される蓋を更に備えた請求項１記載の電力増幅モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力増幅モジュール、特に、樹脂、セラミック等によりパッケージされた半導体デバイスを実装する電力増幅モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化・高機能化の要請に伴って、電子機器に組み込まれる電子部品の更なる小型化・高機能化が図られるようになり、例えば、いわゆるマイクロチップと呼ばれる極めて小さな能動素子や受動素子等を絶縁基板上に配置し、絶縁基板上に形成した回路パターンで互いに接続することによって小型の電子回路基板を形成したものが使用されている。また、この電子回路基板は、パッケージ等に組み込まれモジュール化された電子部品として、例えば電力増幅モジュールと呼ばれるものが多く使用されるようになった。
【０００３】
かかるモジュール化された電子部品の従来例を図１０に基づいて説明する。図１０（ａ）の分解斜視図に示すように、絶縁基板８０に形成されている回路パターン（図示しない）上に、トランジスタ等の能動素子１や抵抗やコンデンサなどのチップ化された受動素子２を接続し電子回路を形成している。ここで、動作中発熱する能動素子が、絶縁基板上に直接固定されている。
【０００４】
さらに、絶縁基板８０の側端には、複数個の金属製リードピン８３ａ〜８３ｄが固定されている。
【０００５】
一方、リードピン８３ａ等は、配線基板８０の側端を挟持する鉤型の固定部８４と絶縁基板８０より下側へ曲げられた足部８５とより構成され、これらを一体成形して作製されたものである。そして、この固定部８４は、回路パターンの所定部分に電気的に接続されている。このように絶縁基板８０より下側へ曲げられた足部８５が形成されている理由は、最終的にモジュール化された後に、このモジュールを各種の電子機器の基板に取り付ける際に、固定部８４の底面がその電子機器の基板（不図示）に接触しないように隙間を持たせるためであり、これにより電子機器の基板上に形成された回路パターンとの短絡を防ぐためである。
【０００６】
さらに、絶縁基板８０の底面には、図１０（ｂ）に示すようなベースプレート３が取り付けられている。このベース３には、その両端が折り曲げ加工されることによって、リードピン８３ａ〜８３ｄの足部８５と同じ高さを有する段差部４，５が形成されている。上述したように、最終的にモジュール化された電子部品を各種の電子機器の基板に取り付ける場合に、リードピン８３ａ〜８３ｄのそれぞれの足部８５とベース３の段差部４，５の高さとを等しくしている。次いで、配線基板８０の上側から箱状のパッケージ蓋６を嵌着することにより、最終的にモジュール化された電子部品が形成されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の様な従来の電力増幅モジュールでは、高出力特性によって多量に発熱する能動素子を備えている。しかしながら、通常、絶縁基板は、アルミナやガラスエポキシ樹脂などで構成されているので比較的小さい熱伝導率しか有しないため、能動素子である出力段トランジスタから発生した熱を外部に効率よく放出することが難しかった。そのため、各種の電子デバイスの動作速度や寿命が低下するという問題点があった。
【０００８】
又、かかる構造を有するモジュール電子部品にあっては、折り曲げ加工によってベース３の段差部４，５を成形しているので、常に均一な高さのベース３が得られず、次に述べるような問題を招いていた。
【０００９】
すなわち、ベース３の段差部４、５の高さが等しくない場合には、この電力増幅モジュールを電子機器の基板上に配置したとき、ガタが生じることがある。そして放熱効果を向上させるために、ベース３の底面と電子機器の基板との間に放熱板（図示しない）を介在させる場合、上記のようなガタの発生により放熱板の密着性が悪くなるので、十分な放熱効果が得られなくなるという問題を生じていた。
【００１０】
このようなモジュールとしては、生産性、信頼性に勝るモールド封止された半導体デバイスを利用することが多いが、このタイプの半導体デバイスを搭載した電力増幅モジュールでは、特に、高周波特性の劣化と放熱性を満足させるのは難しかった。
【００１１】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、パッケージされた半導体デバイスを備えた電力増幅モジュールで、このパッケージされた半導体デバイスから発生した熱を外部に高効率で放出できる構造を備えた電力増幅モジュールを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の電力増幅モジュールは、上記問題点を解決するため、主面に回路パターンが形成され、かつ当該主面及び裏面を貫通して少なくとも１つの繰り抜き穴が設けられた絶縁基板と、前記絶縁基板を搭載する金属製のベースプレートと、ベースプレート上に搭載され、上記絶縁基板に設けられた前記繰り抜き穴から露出され、その上面が、上記絶縁基板の主面とほぼ同じ高さにある少なくとも１つのヒートスプレッダと、パッケージされた半導体デバイスであって、前記パッケージ底面よりほぼ水平に伸びる電気端子を有し、前記少なくとも１つのヒートスプレッダの上面に搭載され、上記絶縁基板上の前記回路パターンと前記電気端子とを電気的に接続されて電力増幅回路を構成する少なくとも一つの半導体デバイスと、上記絶縁基板の端部に固定されると共に、上記絶縁基板の底面側に曲げて形成された足部を有する複数個のリード端子とを備え、上記ベースプレート及び上記少なくとも一つのヒートスプレッダは、上記絶縁基板の構成材料よりも大きい熱伝導率を有する材料でそれぞれ形成されており、前記ベースプレートは、前記リード端子に接触しないように上記絶縁基板に密着して張り合わされ、かつ、上記足部の曲げにより上記絶縁基板が浮き上がる量が、上記ベースプレートの厚みとほぼ等しい。
【００１３】
上記の様に構成してあるため、電力増幅モジュールがパワーアンプとして動作した場合、パッケージされた半導体デバイスから発生した熱は、ヒートスプレッダ及びベースプレートを介して高効率で外部に放出され、電力増幅回路を構成する各種の回路素子は高温に曝されることなく安定に動作する。
【００１４】
上記構成において少なくとも一つのヒートスプレッダの構成材料を、熱伝導性の高いＣｕまたはＣｕＷとすることにより、放熱効果を更に高めることができる。
【００１５】
また、上記構成において、ベースプレートの構成材料を、熱伝導性の高いＣｕまたはＦｅＮｉ合金とすることのより、放熱効果を更に高めることができる。
【００１６】
また、更に、 上記絶縁基板を内部に収容し、上記ベースプレートと嵌合されるパッケージ蓋を設けることにより、電力増幅モジュールの動作をより安定にすることができる。
【００１７】
また、更に、上記絶縁基板の端部に固着されると共に、上記絶縁基板の底面側に曲げて形成された足部を有する複数個のリード端子をさらに備え、ベースプレートは、上記リード端子に接触しないように上記絶縁基板に密着して張り合わされ、かつ、上記足部の曲げにより上記絶縁基板が浮き上がる量が、上記ベースプレートの厚みと等しくすることにより、ベースプレートと電力増幅モジュールを搭載した基板とが密着し、パッケージされた半導体デバイスで発生した熱が、ヒートスプレッダー、ベースプレートを介して、電力増幅モジュールを搭載した基板に流れ、高い放熱効果を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電力増幅モジュールの実施の形態を添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示し、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態による電力増幅モジュールを示す斜視図、図２は、図１の蓋の上部に交差するＸＹ平面に沿った電力増幅モジュールの断面図、図３は、図１の長手方向に延びた中心線を含むＹＺ平面に沿った電力増幅モジュールの断面図、図４は、図１のＸＺ平面に沿った電力増幅モジュールの断面図である。
【００２０】
本実施形態の電力増幅モジュール１０は、略平板状のベースプレート３０と、略角型箱状の金属製パッケージ蓋であるキャップ４０とを接合して構成されたパッケージ２０を備えている。ベースプレート３０上には、略平板状の絶縁基板５０が設置されている。この絶縁基板５０上には、回路パターン５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆが形成されている。又、この絶縁基板５０はキャップ４０で覆われいる。絶縁基板５０には、２個の繰り抜き穴５２ａ，５２ｂが形成されており、この繰り抜き穴５２ａ，５２ｂから露出したベースプレート３０上には、それぞれ略平板状の２個のヒートスプレッダ６０ａ，６０ｂが設置されている。これらヒートスプレッダ６０ａ，６０ｂの各表面上には、樹脂等でパッケージされた半導体デバイス７０ａ，７０ｂが接着剤又は半田付け等により固定設置されている。このパッケージされた半導体デバイス７０ａ、７０ｂは、図８に示すように、底面より水平に伸び、かつその下面が、パッケージされた半導体デバイスの底面にほぼ一致している端子７５ａ、７５ｂ、７５ｃを有している。そしてこの端子７５ａ、７５ｂ、７５ｃは、夫々、絶縁基板５０上に形成した回路パターン５１ａ等に半田で接続されている。ここで、ヒートスプレッダー６０の上面の高さを、絶縁基板５０の上面の高さに一致させてあるため、パッケージされた半導体デバイス７０ａ、７０ｂから伸びる端子の下面の高さが、絶縁基板５０の上面の高さに一致する。従って、絶縁基板上の回路パターンとパッケージされた半導体デバイスの端子と半田等での電気接続が、容易かつ確実に行える。
【００２１】
次にベースプレート３０は、図４に示すように、リードピンの固定部５７ａ等と接触しないように絶縁基板５０の底面に密着されている。また、ベースプレート３０の厚みＷは、リードピン５５ａ〜５５ｄの足部５６ａ〜５６ｄの曲げにより絶縁基板５０が浮き上がる量にほぼ等しくなっている。さらに、リードピン５５ａ〜５５ｄの各固定部５７ａ〜５７ｄとベースプレート３０との間に隙間８７をつくり、電気的に短絡するのを防止している。
【００２２】
なお、絶縁基板５０とベースプレート３０とは、表１に示すように、線膨張係数が互いに近接した素材の組み合わせが使用される。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
さらにベースプレート３０は、絶縁基板よりも大きい熱伝導率を有する材料、例えばＣｕやＦｅＮｉ合金などで形成されている。ベースプレート３０は、略長方形状の主面上に絶縁基板５０の裏面を支持して設置する基板支持部３１と、基板支持部３１の長手方向の両端に延びてキャップ４０を支持する４個のキャップ支持部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ及び３２ｄとで構成されている。
【００２５】
なお、キャップ支持部３２ｂ，３２ｄの短手方向の外側端部分は、略矩形状に切り欠いて加工されている。また、キャップ支持部３２ａ〜３２ｄにおけるベースプレート３０の長手方向の外側端部は、略半円状に切り欠いて加工されている。
【００２６】
また、基板支持部３１の短手方向に配列された２個のキャップ支持部３２ａ，３２ｂの間及び２個のキャップ支持部３２ａ，３２ｂの間には、法線方向に折り曲げられて絶縁基板５０の２個のベースプレート係合部に係合して挟持する２個の基板挟持部３３ａ，３３ｂが設けられている。これらの基板挟持部３３ａ，３３ｂの長手方向の外側表面には、外側に突出してキャップ嵌入部３４ａ，３４ｂが形成され、ここがキャップのベースプレート嵌合部に嵌合する。
【００２７】
次にキャップ４０は、図６に示すように、ベースプレート３０と接合され中空な内部を有する金属製の外囲容器であり、絶縁基板５０の基板本体よりも大きい熱伝導率を有する材料として、例えばＣｕやＦｅＮｉ合金などで形成されている。このキャップ４０は、基板被覆部４１と、この基板被覆部４１の短手方向の１箇所の側板を切り欠いた、リードピン５５ａ〜５５ｄを挿通させて露出するピン挿通部４２とを有する。さらに、基板被覆部４１の長手方向の２箇所の側板には、ベースプレート３０の２個のキャップ嵌入部３４ａ，３４ｂを挿通させて保持する２個のベースプレート嵌合部４３ａ，４３ｂが形成されている。
【００２８】
次に絶縁基板５０には、図７に示すように、その上面に搭載された例えば５個の電子デバイス部品５４ａ〜５４ｅとを備えている。それらは、回路パターン５１ａ等に電気的に接続されている。また、絶縁基板の表面上及び裏面上に部分的に固定され、かつ短手方向に延びてキャップ４０のピン挿通部４２から外部に突出するリードピン５５ａ〜５５ｄが側部に設けられている。
【００２９】
絶縁基板５０は、アルミナ、ガラス等の無機材料や、ＰＰＯ（2,5-dyphenyloxaxole; 2,5-ジフェニルオキサゾール）等を含むガラス布エポキシ樹脂積層材料などで形成されている。この絶縁基板５０は、表面とその裏面との間を貫通して加工された２個の繰り抜き穴５２ａ，５２ｂが形成されている。また、絶縁基板５０の長手方向外側端部には、略直方体状に切り欠いて加工され、ベースプレート３０の２個の基板挟持部に係合して挟持される２個のベースプレート係合部５３ａ，５３ｂが形成されている。
【００３０】
リードピン５５ａ〜５５ｄは、絶縁基板５０の表面及び裏面を同時に挟み、固定された金属製のクリップ式リードピンであり、例えば燐青銅などで形成されている。これらのリードピン５５ａ〜５５ｄは、絶縁基板５０の側端を挟持する鉤型の固定部５７ａ〜５７ｄと、絶縁基板５０より下側へ曲げられた足部５６ａ〜５６ｄとを一体成形して作製されたものであり、固定部８４が絶縁基板５０上に形成された回路パターン５１ａ等の所定部分に電気的に接続されている。なお、絶縁基板５０上の回路パターン５１ａ等は、金属製の箔で配線されたものであり、例えばＣｕなどで形成されている。
【００３１】
次にヒートスプレッダ６０ａは、図８に示すように、絶縁基板の繰り抜き穴中に露出したベースプレート３０上に固定された金属製の半導体デバイス設置台である。そして、その上面が、設置した際、絶縁基板５０の上面に高さが一致するように、その高さが、絶縁基板５０の厚さに一致するように構成されている。なお、ヒートスプレッダ６０ｂもヒートスプレッダ６０ａと同様に構成されている。ヒートスプレッダ６０ａ，６０ｂは、耐熱性を有する接着剤でベースプレート３０上に固定される。また、ヒートスプレッダ６０ａ，６０ｂは、絶縁基板５０よりも大きい熱伝導率を有する材料、例えばＣｕやＣｕＷなどで形成されている。
【００３２】
パッケージされた半導体デバイス７０ａは、少なくとも１つの端子が裏面全体に露出していて、この電極とヒートスプレッダ６０ａとが電気的に接続されると共に、機械的にも固定される。また、半導体デバイス７０ａの側部から突出したリードピン７５ａ〜７５ｃは、絶縁基板５０の電子回路パターンに半田付け等により電気的に接続される。なお、パッケージされた半導体デバイス７０ｂも、パッケージされた半導体デバイス７０ａと同様に構成され、ヒートスプレッダ６０ｂの表面上に固定されている。
【００３３】
次に、本実施形態における電力増幅モジュール１０の動作について説明する。
【００３４】
半導体デバイス７０ａ，７０ｂは、ピン７５ａ〜７５ｃを介して基板本体５１の電子回路パターンと電気的に接続され、電子デバイス部品５４ａ〜５４ｅ及びリードピン５５ａ〜５５ｄと共に電力増幅回路を構成している。このような電力増幅回路にあっては、特にこれが出力段に使用された場合には、半導体デバイス７０ａ，７０ｂは多量に発熱する。
【００３５】
パッケージ２０を構成するベースプレート３０及びキャップ４０とベースプレート３０に接触して固定された２個のヒートスプレッダ６０ａ，６０ｂは、絶縁基板５０の構成材料よりも大きい熱伝導率を有する材料でそれぞれ形成されている。これにより、半導体デバイス７０ａ，７０ｂから発生した熱は、ヒートスプレッダ６０ａ，６０ｂ、ベースプレート３０及びキャップ４０を順次伝導することにより、高い効率でパッケージ２０の外部に放出される。
【００３６】
そのため、電子デバイス５４ａ〜５４ｅは、半導体デバイス７０ａ，７０ｂから発生した熱に影響されず、高温に曝されることなく安定に動作し、温度の上昇に伴う動作速度や寿命の低下を生じない。
【００３７】
次に、本実施形態の電力増幅モジュール１０を作成した実験例に対する放熱特性の測定について説明する。
【００３８】
本実験例の電力増幅モジュールは、以下の表２に示す諸元に基づいて作成した。
【００３９】
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このように構成された本実験例の電力増幅モジュールの熱抵抗を複数回繰り返して測定した結果は、次に示す通りであった。
【００４０】
熱抵抗の測定値：  １４．７〜１６．６Ｋ／Ｗ
このような電力増幅モジュールの熱抵抗θ［Ｋ／Ｗ］は、次式の通りに定義されている。ただし、ΔＴは半導体デバイスのチャネル温度とパッケージの周囲温度との差であり、Ｑは電力増幅モジュールの消費電力［Ｗ］であり、θ＝ΔＴ／Ｑの関係がある。
【００４１】
ここで、パッケージされた半導体デバイスがＦＥＴである場合、そのＦＥＴを正常に動作させるためには、ＦＥＴのチャネル温度を、通常１３０℃以下に保たなければならない。このＦＥＴを使用する環境温度としては、最高８０℃まで要請されている。従って、正常に動作させるためには、ＦＥＴのチャネルの温度上昇を５０℃以下に押さえなければならない。
【００４２】
本実験例の電力増幅モジュールの放熱特性では、図９を参照しても明らかなように、３Ｗ以下の消費電力に対してＦＥＴのチャネルの温度上昇を５０℃以下に保つことができ、上述の条件を満足することが可能となる。
【００４３】
なお、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、種々の変形を行うことが可能である。例えば、上述した実施形態においては、ヒートスプレッダの構成材料はＣｕやＣｕＷなどであり、パッケージの構成材料はＣｕやＦｅＮｉ合金などである。しかしながら、ヒートスプレッダ及びパッケージの構成材料としては、絶縁基板の構成材料よりも大きい熱伝導率を有するものであれば、その他種々の材料を適用してもよい。
【００４４】
また、上述した実施形態においては、パッケージされた半導体デバイスはＦＥＴとして構成されている。しかしながら、半導体デバイスとしては、絶縁基板の電子回路パターンと電気的に接続されることによってパワーアンプとして機能するものであれば、その他種々の電子デバイスを適用してもよい。
【００４５】
さらに、上述した実施形態においては、２個の繰り抜き穴が絶縁基板に形成されている。しかしながら、絶縁基板に形成される繰り抜き穴としては、一つだけであっても、あるいは、多数であってもよく、その形成する位置も絶縁基板の任意の位置に形成することができる。
【００４６】
また、上述した実施形態では、絶縁基板の一方の側端にリードピンを設けた、いわゆるシングルインライン型のパッケージされた半導体デバイスを説明したが、本発明は、配線基板の両側にリードピンを設けたデュアルインライン型のパッケージされた半導体デバイスにも同様に適用することができる。さらに、本発明は、電力増幅モジュールに限定されるものではなく、種々の広範囲な電子部品に適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、電力増幅モジュールがパワーアンプとして動作した場合、半導体デバイスから発生した熱は、絶縁基板にほどんど伝導せずにヒートスプレッダ及びパッケージを伝導するので、熱は高効率でパッケージの外部に放出され、電力増幅回路を構成する各種の電子デバイスはその温度を一定に保持して安定に動作するという効果を奏する。また、電力増幅モジュールを各種電子機器の基板等に設けると、リードピンの高さと同じ厚さのベースプレートが配線基板の底部に密着されているので、十分に放熱効果が得られない等の問題を解決することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電力増幅モジュールを示す斜視図である。
【図２】図１のパッケージ蓋の上部に交差するＸＹ平面に沿った電力増幅モジュールの断面図である。
【図３】図１の長手方向に延びた中心線を含むＹＺ平面に沿った電力増幅モジュールの断面図である。
【図４】図１のＸＺ平面に沿った電力増幅モジュールの断面図である。
【図５】図１の電力増幅モジュールにおけるベースプレートを示す斜視図である。
【図６】図１の電力増幅モジュールにおけるパッケージ蓋を示す斜視図である。
【図７】図１の電力増幅モジュールにおける絶縁基板を示す斜視図である。
【図８】図１の電力増幅モジュールにおけるヒートスプレッダ及び半導体デバイスを示す斜視図である。
【図９】本発明による電力増幅モジュールにおける一実験例の熱抵抗を評価するための各種消費電力に対応する熱抵抗−チャネル温度変化の特性を示す線図である。
【図１０】従来のモジュール電子部品を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…電力増幅モジュール、２０…パッケージ、３０…ベースプレート、３１…基板支持部、３２ａ〜３２ｄ…キャップ支持部、３３ａ，３３ｂ…基板挟持部、３４ａ，３４ｂ…キャップ嵌入部、４０…キャップ、４１…基板被覆部、４２…ピン貫通部、４３…ベースプレート嵌合部、５０…絶縁基板、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ…回路パターン、５２ａ，５２ｂ…繰り抜き穴、５３ａ，５３ｂ…ベースプレート係合部、５４ａ〜５４ｅ…電子デバイス部品、５５ａ〜５５ｄ…リードピン、５６ａ，５６ｂ…足部、５７ａ，５７ｂ…固定部、６０ａ，６０ｂ…ヒートスプレッダ、７０ａ，７０ｂ…パッケージされた半導体デバイス、７５ａ〜７５ｃ…リードピン。
【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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