特許 7062473 アンテナモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-22

(45)【発行日】2022-05-06

(54)【発明の名称】アンテナモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01Q 23/00 20060101AFI20220425BHJP

   H01Q 1/38 20060101ALI20220425BHJP

   H05K 1/02 20060101ALI20220425BHJP

   H05K 1/14 20060101ALI20220425BHJP

【ＦＩ】

H01Q23/00

H01Q1/38

H05K1/02 F

H05K1/14 G

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018046723

(22)【出願日】2018-03-14

(65)【公開番号】P2019161480

(43)【公開日】2019-09-19

【審査請求日】2020-12-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000235

【氏名又は名称】特許業務法人 天城国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】海上 智行

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 正樹

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 誠二

【審査官】赤穂 美香

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０６６６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１９６１４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１２－５１４４３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第２０１６－００２６３３３（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０５３５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１６４７８３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ ２３／００

Ｈ０１Ｑ １／３８

Ｈ０５Ｋ １／０２

Ｈ０５Ｋ １／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面にアンテナ素子が実装され、裏面に金属層が形成されるコア基板と、
前記コア基板の裏面に実装され、キャビティ部が形成されている１または２以上のキャビティ基板と、
前記キャビティ基板の裏面に形成される冷却層と、
前記金属層と前記冷却層とを熱的に接続する金属プレートと、
を備えるアンテナモジュール。

【請求項2】

前記金属プレートは、前記キャビティ基板が形成する４つの側面の少なくとも１つの面を覆うように形成されている、
請求項１に記載のアンテナモジュール。

【請求項3】

前記金属プレートは、前記キャビティ基板が形成する４つの側面の少なくとも１つの面の一部を覆うように形成されている、
請求項１に記載のアンテナモジュール。

【請求項4】

前記金属プレートは、前記キャビティ基板と離れて形成されている、
請求項１から３の何れか一項に記載のアンテナモジュール。

【請求項5】

前記金属プレートは、前記キャビティ基板と接触して形成されている、
請求項１から３の何れか一項に記載のアンテナモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンテナモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

回路規模が大きいアンテナモジュールを小型化するために、複数のキャビティ基板を積層構造に組み立てる場合がある。キャビティ基板とは、回路配線基板の一部をくりぬいたキャビティ部が形成されている基板である。キャビティ部に電子部品を実装することにより、アンテナモジュールの部品高さを低くすることができる。

【0003】

アンテナモジュールでは、他のキャビティ基板によって電波が遮蔽されないようにするため、最上層のキャビティ基板にアンテナ素子を実装する必要がある。発熱量の大きい部品にヒートシンクを設け、放熱効果を高める技術が知られている。しかし、アンテナモジュールの場合、電波が遮蔽されるのでアンテナ素子にヒートシンクを取り付けることはできない。

【0004】

発熱量が大きいアンテナ素子が実装されている最上層のキャビティ基板から最下層のキャビティ基板まで貫通するサーマルビアを複数設け、アンテナ素子の発した熱を最下層のキャビティ基板までサーマルビアで熱伝導させ、アンテナモジュールを実装している放熱板にアンテナ素子が発した熱を放熱する方法もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００１－８５８０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、サーマルビアに依存した放熱方法の場合、キャビティ基板の段数が増すにしたがって、サーマルビアの長さが長くなり、放熱特性が悪くなる。したがって、キャビティ基板の段数が制限されることになる。

【0007】

本発明は、上述の事情の下になされたもので、キャビティ基板の段数が制限されることのないアンテナモジュールを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、本実施形態に係るアンテナモジュールは、表面にアンテナ素子が実装され、裏面に金属層が形成されるコア基板と、コア基板の裏面に実装され、キャビティ部が形成されている１または２以上のキャビティ基板と、キャビティ基板の裏面に形成される冷却層と、金属層と冷却層とを熱的に接続する金属プレートと、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態１に係るアンテナモジュールの斜視図である。

【図2】実施形態１に係るアンテナモジュールの断面図である。

【図3】実施形態１に係るキャビティ基板の断面図である。

【図4】実施形態１に係るアンテナモジュールの回路を模式的に示す図である。

【図5】変形例１に係るアンテナモジュールの回路を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態１に係るアンテナモジュール１００は、例えば、マイクロ波を用いたレーダシステムに用いられるアンテナモジュールである。本実施形態では、アンテナモジュール１００を構成するキャビティ基板が３段に積層されている場合について説明する。

【0011】

図１は、実施形態１に係るアンテナモジュール１００の斜視図である。図２は、実施形態１に係るアンテナモジュール１００の断面図である。図１及び図２に示すように、実施形態１に係るアンテナモジュール１００は、メタルコア基板（コア基板ともいう）２０、複数のキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ、冷却層４０、金属プレート５０を備える。

【0012】

メタルコア基板２０は、配線基板２１と金属層２２を備える。配線基板２１は、エポキシ樹脂等で形成されている絶縁層と、絶縁層の表裏両面に設けられた信号配線、電源配線、アース配線等を形成する導体層とを有している。配線基板２１の表面には、アンテナ素子２０１が実装されている。

【0013】

金属層２２は、配線基板２１の裏面に設けられている。金属層２２は、銅、アルミニウム等で形成されている。金属層２２は、アンテナ素子２０１が発した熱を金属層２２全体に伝導させて放熱するとともに、金属プレート５０に伝導させる。また、金属層２２は、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに実装されているＩＣ（Integrated Circuit）、抵抗、コンデンサ等の電子部品２０２から輻射される電磁波を遮蔽する。

【0014】

金属層２２には、周囲が絶縁されているスルーホール導体（図示しない）が形成されている。アンテナ素子２０１は、このスルーホール導体を介してキャビティ基板３０Ａに実装されている電子部品２０２に接続される。

【0015】

キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、回路配線基板の一部をくりぬいたキャビティ部が形成されている基板である。図３を参照して、キャビティ基板３０Ａについて詳細に説明する。

【0016】

図３は、実施形態１に係るキャビティ基板３０Ａの断面図である。図３に示すように、キャビティ基板３０Ａは、複数の配線層３１～３６を備えている。配線層３１～３６は、エポキシ樹脂等で形成されている。各配線層の両面には、導体層３０１～３０７が形成されている。導体層３０１～３０７は、信号配線、電源配線、アース配線等を形成している。

【0017】

図３に示すように、配線層３４～３６の一部がくりぬかれてキャビティ部を形成している。キャビティ部には、ＩＣ、抵抗、コンデンサ等の電子部品２０２が実装されている。導体層３０１～３０３に形成された信号配線、電源配線、アース配線等は、スルーホール導体３１０を用いて結線されている。また、導体層３０１～３０７を貫通するスルーホール導体によりサーマルビア３２０が形成されている。キャビティ基板３０Ｂ，３０Ｃも、キャビティ基板３０Ａと同様の構成を有している。

【0018】

キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに形成されたサーマルビア３２０は相互に接続されている。サーマルビア３２０は、メタルコア基板２０の金属層２２と冷却層４０とを接続している。サーマルビア３２０は、アンテナ素子２０１が発した熱及びキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ内の熱を冷却層４０に伝導する効果を有している。また、サーマルビア３２０は、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに実装されている電子部品２０２から輻射される電磁波を遮蔽する効果を有している。

【0019】

金属プレート５０は、銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属で形成されている。金属プレート５０は、金属層２２と冷却層４０とに接続されている。金属プレート５０は、金属層２２の熱を冷却層４０に伝導する。金属プレート５０は、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃから離れるように実装されている。したがって、金属プレート５０とキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの間には、図４に示すように、間隙５１が形成されている。図４は、実施形態１に係るアンテナモジュール１００の回路を模式的に示した図である。間隙５１は、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ内の熱が金属プレート５０に伝導することが抑制する。したがって、アンテナ素子２０１が、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ内の熱の影響を受けにくい構造になっている。

【0020】

冷却層４０は、銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属で形成されている。冷却層４０は、キャビティ基板３０Ｃの裏面に接触して形成されている。冷却層４０は、放熱板５００の上に実装される。放熱板５００は、銅やアルミニウム等で形成された金属プレート等である。金属プレートは、アンテナモジュールを実装する基板の導体層を用いて形成されていてもよい。冷却層４０は、金属プレート５０を介して伝導された熱を放熱板５００に放熱する。

【0021】

冷却層４０には、周囲が絶縁されているスルーホール導体（図示しない）が形成されている。アンテナモジュール１００の信号配線は、このスルーホール導体を介して放熱板５００に設けられている信号配線に接続される。

【0022】

次に、アンテナモジュール１００の製造方法について図４を参照して説明する。最初にメタルコア基板２０を製造する。メタルコア基板２０は、金属層２２の上に配線基板２１をプレスで接着する。もしくは、配線基板２１と金属層２２とを熱伝導性接着剤等で接着して製造する。配線基板２１の表面にアンテナ素子２０１を実装する。次に、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを製造する。キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、配線層と導体層とを順次に接着して形成していく。キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃそれぞれには電子部品２０２を実装する。

【0023】

メタルコア基板２０及びキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを製造した後、メタルコア基板２０及びキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを一体化することによりアンテナモジュール１００を組み立てる。具体的には、図３に示すキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの対応するスルーホール導体３１０及びサーマルビア３２０を半田、導電性接着剤等で電気的に接続して、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを結合する。同様にして、メタルコア基板２０とキャビティ基板３０Ａとを半田、導電性接着剤等で電気的に接続する。

【0024】

次に、メタルコア基板２０と金属プレート５０とを熱伝導性接着剤等で熱的に接続する。次に、金属プレート５０と冷却層４０とを熱伝導性接着剤等で熱的に接続する。また、キャビティ基板３０Ｃと冷却層４０に設けられた信号配線用のスルーホール導体を半田、導電性接着剤等で電気的に接続する。これにより、複数のキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを有するアンテナモジュール１００が完成する。

【0025】

次に、アンテナモジュール１００の放熱について図４を参照して説明する。アンテナ素子２０１が発した熱は、配線基板２１を介して金属層２２に伝導される。金属層２２に伝導した熱は、金属プレート５０に伝導される。金属プレート５０に伝導された熱は、冷却層４０に伝導され、放熱板５００に放熱される。

【0026】

図４に示すように、金属プレート５０とキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの間には、間隙５１が形成されている。間隙５１は、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ内の熱が金属プレート５０に伝導することを抑制している。アンテナ素子２０１の特性は、温度の影響により変化しやすい。間隙５１を設けることにより、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの熱によるアンテナ素子２０１の特性劣化が低減される。

【0027】

（変形例１）
実施形態１の説明では、アンテナモジュール１００の４つの側面に金属プレート５０を設ける場合について説明した。他の実施形態としては、アンテナモジュール１００の４つの側面の１面のみに金属プレート５０を設けるようにしてもよい。また、アンテナモジュール１００の４つの側面の２面もしくは３面に金属プレート５０を設けるようにしてもよい。金属プレート５０を配置する面を削減することにより、アンテナモジュール１００の体積を小さくすることができる。

【0028】

例えば、金属プレート５０による遮蔽効果を期待する必要が無い場合には、アンテナモジュール１００の４つの側面を金属プレート５０で覆わなくてもよい場合がある。具体的には、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを貫通するサーマルビア３２０をキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの周囲に密に配置することにより十分な遮蔽効果を得られる場合である。このような場合、放熱に必要な側面のみに金属プレート５０を設けるようにする。

【0029】

また、上記の説明では、アンテナモジュール１００の側面の全面を金属プレート５０で覆う場合について説明をした。しかし、アンテナモジュール１００の側面の全面を金属プレート５０で覆うように限定する必要はない。例えば、金属プレート５０を格子状もしくは、網目状に形成してもよい。また、金属プレート５０の一部に穴を設けるようにしてもよい。例えば、強勢空冷機能を有する装置の場合、金属プレート５０に空気穴を有することにより冷却効果が上がる場合もある。金属プレート５０に空気穴を設ける場合も、金属プレート５０による放熱効果と金属プレート５０に穴を設けることによる空調効果とのバランスをとることが望ましい。また、金属プレート５０に穴を設ける場合には、遮蔽効果についても考慮することが望ましい。

【0030】

（変形例２）
変形例２に係るアンテナモジュール１００は、図５に示すように、金属プレート５０がキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの周囲に接触している。つまり、金属プレート５０とキャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの間には、間隙５１が形成されていない。キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、エポキシ樹脂等の熱伝導率が比較的高い素材で形成されている。キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの側面と金属プレート５０とを接触させることにより、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ内の熱を金属プレートを介して放熱させることができる。熱伝導率を高めるために、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの側面と金属プレート５０とを熱伝導性接着剤等で熱的に接続するようにしてもよい。このような構造にすることにより、アンテナモジュール１００全体を効率的に冷却することができる。例えば、上層のキャビティ基板３０Ａに実装されている電子部品２０２の発熱量が比較的小さく、アンテナ素子２０１に対する熱的影響が小さい場合、有効な構成である。

【0031】

以上説明したように、本実施形態に係るアンテナモジュール１００は、メタルコア基板２０に形成されている金属層２２と冷却層４０とを熱的に接続する金属プレート５０を備える。これにより、アンテナモジュール１００は、金属層２２、金属プレート５０、冷却層４０を介して、アンテナ素子２０１が発した熱を放熱板５００に放熱することができる。

【0032】

金属プレート５０が無い場合、金属層２２と冷却層４０とは、サーマルビア３２０のみで接続されることになる。サーマルビア３２０の１個の断面積は小さい。したがって、キャビティ基板の段数が増えて金属層２２と冷却層４０とが離れるにしたがって、熱伝導率が悪くなる。サーマルビア３２０を介してアンテナ素子２０１の熱を十分に放熱できない場合、アンテナ素子２０１の温度が上昇し、アンテナ素子２０１の特性劣化を招くことになる。

【0033】

金属プレート５０の熱伝導率は高いので、キャビティ基板の段数が増えて金属プレート５０の長さが長くなっても、熱伝導率の劣化は極めて小さい。したがって、金属プレート５０を有するアンテナモジュール１００では、キャビティ基板の段数が制限されることのない。

【0034】

また、金属プレート５０は、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが形成する４つの側面を覆うように形成されている。これにより、アンテナモジュール１００は、キャビティ基板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに実装された電子部品２０２及び信号配線からアンテナモジュール１００の外に輻射される電磁波を低減することができる。

【0035】

なお、上記の説明では、キャビティ基板が３段の場合について説明したが、キャビティ基板の段数を制限することはない。例えば、キャビティ基板の段数を１段、５段、１０段としてもよい。

【0036】

また、上記の説明では、１個のキャビティ部を有するキャビティ基板を複数積み重ねる場合について説明した。しかし、キャビティ基板の構造を制限する必要はない。キャビティ基板内に複数のキャビティ部が形成されていてもよい。例えば、３×３のマトリクス状にキャビティ部が形成されていてもよい。

【0037】

また、アンテナモジュール１００を放熱板５００上に複数実装する場合、複数のアンテナモジュール１００の冷却層４０を一体に形成してもよい。つまり、１枚の冷却層４０に積層されたキャビティ基板を複数実装してもよい。

【0038】

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0039】

１００ アンテナモジュール
２０ メタルコア基板
２１ 配線基板
２２ 金属層
３０Ａ～３０Ｃ キャビティ基板
３１～３６ 配線層
４０ 冷却層
５０ 金属プレート
５１ 間隙
２０１ アンテナ素子
２０２ 電子部品
３０１～３０７ 導体層
３１０ スルーホール導体
３２０ サーマルビア
５００ 放熱板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】