JP2004023770A - Irreversible circuit element and communication system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非可逆回路素子、特に、マイクロ波帯で使用されるアイソレータなどの非可逆回路素子および通信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、アイソレータは、信号を伝送方向のみに通過させ、逆方向への伝送を阻止する機能を有しており、自動車電話、携帯電話などの移動体通信機器の送信回路部に使用されている。
【0003】
例えば、この種のアイソレータとして、特開平9−289402号公報記載のものが知られている。このアイソレータは、整合用コンデンサを内蔵した誘電体基板に終端抵抗を印刷して焼付けている。そして、アイソレータに反射電力が入力されるなどして終端抵抗に電力が吸収されると、終端抵抗が発熱する。熱は最終的にアイソレータの金属ケースや端子などから放射(輻射)や対流によって放熱されたり、アイソレータが実装されているプリント基板への熱伝導などによって放熱される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、終端抵抗から金属ケースや端子などへの熱の伝達は、主として誘電体基板の熱伝導による。熱伝導率は誘電体によって異なるが、アルミナで20W/m・kである。これは金属の熱伝導率、例えば銀の約300W/m・kと比較するとかなり悪い。従って、この部分の熱抵抗が、終端抵抗の温度上昇を招き、アイソレータの耐電力を制限する主な要因の一つとなっていた。
【0005】
ここで、耐電力は、規定の使用環境(−45から+85℃など)において、十分な時間(1000または2000時間など)にわたって連続的に負荷状態(例えば逆方向電力1Wを入力する)にしても、アイソレーションなどの特性が損なわれたり、通常の温度特性の範囲を超えて変化したりしない性能を意味する。
【0006】
また、アイソレータやサーキュレータにおいては、アルミナの他にも、より高誘電率の誘電体材料が用いられる。しかし、これらは概して熱伝導率がアルミナよりも更に小さく、放熱性の点では不利となる。
【0007】
そこで、本発明の目的は、終端抵抗で発生した熱を効率良く外部に放熱することができる非可逆回路素子および通信装置を提供することにある。
【0008】
なお、半導体を含むハイブリッドICの分野では、特開平6−296106号公報記載のように、半導体を実装する誘電体基板面と基板底面のアース面との間に厚膜電極材料を充填したスルーホール(サーマルビア)を設けて、半導体の底面を導電ペースト(あるいは導電接着剤)や熱伝導ペーストによってサーマルビアに接続し、半導体の発熱をこのサーマルビアを介して放熱することが行なわれている。これは、半導体の底面が絶縁体で覆われていたり、底面に電極があっても、その電極がサーマルビアと同電位であったりするためである。
【0009】
しかしながら、サーマルビアを直接に接続する構造は、終端抵抗には採用できない。サーマルビアは電気伝導性も良好であるため、終端抵抗に直接に接続すると、所望の抵抗値を得られなくなってしまうからである。また、サーマルビアを、絶縁性を有する熱伝導ペースト(あるいは熱伝導接着剤)を介して終端抵抗に接続する構造は、熱伝導ペースト内に発生するボイド(気泡)のために熱抵抗が大きくなったり、ピンホールが原因で安定した抵抗値を有する終端抵抗を得ることが困難になったりする。また、製造工程が煩雑となる。
【0010】
【課題を解決するための手段および作用】
前記目的を達成するため、本発明に係る非可逆回路素子は、
(a)永久磁石と、
(b)永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、
(c)フェライト上に電気的絶縁状態で交差して配置されている複数の中心電極と、
(d)誘電体層と、終端抵抗と、該終端抵抗に誘電体層を間に挟んで平面視で少なくとも一部が重なる放熱用導体とを有した積層基板と、
を備えたことを特徴とする。
【0011】
放熱用導体は、例えば誘電体層に設けた一つ以上の放熱用ビアホールにて構成されている。放熱用ビアホールは金属ケース内に配置され、該金属ケースと熱的に接続されていることが好ましい。また、終端抵抗と放熱用ビアホールの間に配設されている誘電体層の厚みは、3μm以上800μm以下であることが好ましい。3μmより薄いと、誘電体層にピンホールが生じ、耐電圧上の問題が生じるからである。また、800μmを超えると、放熱用ビアホールと終端抵抗が離れ過ぎて熱抵抗が増大する原因となるからである。
【0012】
さらに、終端抵抗と放熱用ビアホールの間に配設されている誘電体層は、アルミナ、アルミナとガラスを主成分とする複合誘電体材、窒化アルミ、あるいはこれらの複合誘電体材で作製されていることが好ましい。誘電体損失が少なく、熱伝導性および加工性に優れているからである。
【0013】
以上の構成により、非可逆回路素子に入った反射電力を終端抵抗が吸収することによって終端抵抗が発熱しても、その熱は薄い誘電体層を介して放熱用ビアホールに、熱抵抗少なく効率良く伝導する。さらに、熱は放熱用ビアホールから金属ケースに伝導する。金属ケースに伝わった熱は、輻射(放射)、空気の対流、および金属ケースが兼ねるアース端子から非可逆回路素子が実装されているプリント基板への伝導により、外部に放熱される。
【0014】
また、放熱性の点から、放熱用ビアホールはできるだけ多くの誘電体層に形成され、その端部が積層基板の表面に達していることが好ましい。さらに、放熱用ビアホール内を充填する導電ペーストは、銀、銅、銀合金、銅合金およびこれら金属とフリットからなる厚膜ペースト材料などの熱伝導率の良好な材料が好ましい。
【0015】
また、放熱用ビアホールの横断面の面積は、終端抵抗の面積の20%以上400%以下に設定することが好ましい。なぜなら、放熱用ビアホールの横断面が終端抵抗の面積の20%より小さいと、耐電力の向上がわずかであり、放熱用ビアホールを設けるコストに見合う効果が得られないからである。また、400%を超える大きな放熱用ビアホールを設けても、耐電力は飽和傾向であり、一方、放熱用ビアホール周囲でのクラックの発生が起き易くなるからである。なお、放熱用ビアホールが複数個からなる場合には、放熱用ビアホールの横断面の面積の和を、終端抵抗の面積の20%以上400%以下に設定する。
【0016】
さらに、放熱用ビアホールの一端は、終端抵抗のコールドエンド側に電気的に接続されている構造であってもよい。また、放熱用ビアホールは、終端抵抗のホットエンド側に電気的に接続され、かつ、放熱用ビアホールの一端とアースの間には誘電体層が挟まれている構造であってもよい。終端抵抗は積層基板の内部に配置してもよいし、積層基板の表面に配置してもよい。
【0017】
また、本発明に係る通信装置は、上述の非可逆回路素子を備えることにより、性能や信頼性が向上する。非可逆回路素子の積層基板上には、高周波電力増幅器などの発熱性電子部品を搭載してもよい。そのような熱的環境の厳しい動作条件下において、本発明はより効果を発揮する。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る非可逆回路素子および通信装置の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。
【0019】
[第1実施形態、図1〜図9]
本発明に係る非可逆回路素子の一実施形態の分解斜視図を図1に示す。該非可逆回路素子1は、集中定数型アイソレータである。図1に示すように、集中定数型アイソレータ1は、概略、金属製上側ケース4と金属製下側ケース8とからなる金属ケースと、永久磁石9と、フェライト20と中心電極21〜23とからなる中心電極組立体13と、積層基板30を備えている。
【0020】
金属製上側ケース4は略箱形状であり、上部4aおよび四つの側部4bからなる。金属製下側ケース8は、左右の側部8bと底部8aからなる。金属製上側ケース4および金属製下側ケース8は磁気回路を形成するため、例えば、軟鉄などの強磁性体からなる材料で形成され、その表面にAgやCuがめっきされる。
【0021】
中心電極組立体13は、矩形状のマイクロ波フェライト20の上面に3組の中心電極21〜23を、絶縁層(図示せず)を介在させて略120度ごとに交差するように配置している。本第1実施形態では、中心電極21〜23を二つのラインで構成した。中心電極21〜23は銅箔を用いてフェライト20に巻きつけてもよいし、フェライト20上あるいは内部に銀ペーストを印刷して形成してもよい。ただし、印刷した方が中心電極21〜23の位置精度が高いので、積層基板30との接続が安定する。特に、今回のように微小な中心電極用接続電極P1〜P3(後述)で接続する場合には、中心電極21〜23を印刷形成した方が信頼性、作業性が良い。
【0022】
積層基板30は、図2に示すように、中心電極用接続電極P1〜P3やグランド用接続電極31やビアホール18を設けた誘電体シート41と、ホット側コンデンサ電極71a〜73aや回路用電極17や終端抵抗Rなどを表面に設けた誘電体シート42と、ホット側コンデンサ電極71b〜73bおよび放熱用ビアホール19などを設けた誘電体シート44と、グランド電極74および放熱用ビアホール19などをそれぞれ設けた誘電体シート43,45と、入力端子電極14、出力端子電極15、およびグランド端子電極16などにて構成されている。
【0023】
この積層基板30は、以下のようにして作製される。すなわち、誘電体シート41〜45は、Al2O3を主成分とし、SiO2,SrO,CaO,PbO,Na2O,K2O,MgO,BaO,CeO2,B2O3のうちの1種類あるいは複数種類を副成分として含む低温焼結誘電体材料にて作製する。
【0024】
さらに、積層基板30の焼成条件(特に焼成温度1000℃以下)では焼成せず、積層基板30の基板平面方向(X−Y方向)の焼成収縮を抑制する収縮抑制シート46を作製する。この収縮抑制シート46の材料は、アルミナ粉末および安定化ジルコニア粉末の混合材料である。シート41〜46の厚みは10μm〜200μm程度である。
【0025】
電極P1〜P3,14〜17,31,71a〜73a,71b〜73b,74は、パターン印刷等の方法によりシート41〜46に形成されている。電極P1〜P3等の材料としては、抵抗率が低く、誘電体シート41〜45と同時焼成可能なAg,Cu,Ag−Pdなどが用いられる。これらの電極材料は、一般に、フリットと称するガラス系の材料と混合することにより、積層基板30に固定される。しかし、場合によっては、積層基板30の焼成温度を電極材料融点より高くして、電極P1〜P3等を一端溶融させて積層基板30に固定する場合もある。
【0026】
この電極P1〜P3等の表面には、Niめっきを下地としてAuめっきが施されている。Niめっきは、電極P1〜P3等のAgとAuめっきの固着強度を強くする。Auめっきは、はんだ濡れ性を良くするとともに、導電率が高いのでアイソレータ1を低損失にできる。また、電極P1〜P3等の中で直流電圧が印加される電極がある場合、その電極表面にAgが露出していると、電極がマイグレーションを起こす可能性があるので、これを防止する働きもしている。電極P1〜P3等の厚みは5μm〜10μm程度である。
【0027】
終端抵抗Rは、パターン印刷等の方法により誘電体シート42の表面に形成されている。抵抗体Rの材料としては、サーメット、カーボン、ルテニウムなどが使用される。
【0028】
信号用ビアホール18および放熱用ビアホール19は、誘電体シート41〜45にレーザ加工やパンチング加工などにより、予めビアホール用孔を形成した後、そのビアホール用孔に導電ペーストを充填することにより形成される。一般に、導電ペーストの材料としては、電極P1〜P3等と同一の電極材料(Ag,Cu,Ag−Pdなど)が用いられる。
【0029】
放熱用ビアホール19の横断面形状を円形にすれば、加工コストが安価になる。なぜなら、金型の製造費用が安く、また、レーザ穴明けでも対応できるので、その場合は金型費用が不要となるからである。さらに、放熱用ビアホール用孔に導電ペーストを充填する際に、気泡が発生しにくいという利点がある。また、放熱用ビアホール19の径は0.05mm以上0.5mm以下に設定されていることが好ましい。径の寸法がこれより小さいと、放熱効果を上げるために非常に多くのビアホールを密集して設けることが必要となって費用が上がるからである。径の寸法がこれより大きいと、誘電体部分と放熱用ビアホール19部分の収縮率の差が原因で焼成時にクラックが発生したり、熱サイクルがかかった場合等にクラックが発生したりすることが懸念され、またその様に大きなビアホールを設けるスペースを確保することが困難であるからである。
【0030】
コンデンサ電極71a,71b、72a,72b、73a,73bはそれぞれ、誘電体シート42〜44を間に挟んでグランド電極74に対向して整合用コンデンサC1,C2,C3を構成する。これら整合用コンデンサC1〜C3や終端抵抗Rは、電極P1〜P3,17,31や信号用ビアホール18とともに、積層基板30の内部に電気回路を構成する。
【0031】
以上の誘電体シート41〜45は積層され、さらに、その上下に収縮抑制シート46(上側の収縮抑制シートは図示せず)が積層された後、焼成される。これにより、焼結体が得られ、その後、超音波洗浄法や湿式ホーニング法によって、未焼結の収縮抑制材料を除去し、図1に示すような積層基板30とする。
【0032】
積層基板30の底面には、入力端子電極14、出力端子電極15およびグランド端子電極16が配設されている。信号用ビアホール18を介して、入力端子電極14はコンデンサ電極71a,71bに電気的に接続され、出力端子電極15はコンデンサ電極72a,72bに電気的に接続されている。グランド端子電極16はそれぞれ、回路用電極17やグランド電極74に電気的に接続されている。特に、入出力端子電極14,15上には、Ag,Ag−Pd,Cu等の導電ペーストを塗布後、焼付けることによって突起状の厚膜電極が形成される。
【0033】
誘電体シート43〜45のそれぞれに設けられた放熱用ビアホール19は、誘電体シート41〜45の積み重ね方向に連接され、柱状放熱用ビアホールを構成する。平面視で、柱状放熱用ビアホール19の一部は、終端抵抗Rに重なっている。柱状放熱用ビアホール19の上端は誘電体シート42を間に挟んで終端抵抗Rに近接し、下端は誘電体シート45の裏面に露出し、グランド端子電極16に電気的に接続されている。
【0034】
なお、この積層基板30は通常マザーボード状態で作成される。このマザーボードに所定のピッチでハーフカット溝を形成し、ハーフカット溝に沿って折ることにより、マザーボードから所望のサイズの積層基板30を得る。あるいは、マザーボードをダイサーやレーザなどで切断することにより、マザーボードから所望のサイズの積層基板30を切り出してもよい。
【0035】
こうして得られた積層基板30は、内部に整合用コンデンサC1〜C3および終端抵抗Rを有している。整合用コンデンサC1〜C3は必要な静電容量精度で製作する。しかし、トリミングを行う場合は、整合用コンデンサC1〜C3と中心電極21〜23を接続する前に行なわれる。つまり、積層基板30は、単体の状態で、内部(2層目)のコンデンサ電極71a,72a,73aを表層の誘電体とともにトリミング(削除)される。トリミングには、例えば、切削機やYAGの基本波、2倍波、3倍波のレーザが用いられる。レーザを用いれば、早くかつ精度の良い加工が得られる。なお、トリミングは、マザーボード状態の積層基板30に対して効率良く行ってもよい。
【0036】
このように、コンデンサ電極71a〜73bのうち最も外側の層に位置するコンデンサ電極71a〜73aをトリミング用コンデンサ電極としているので、トリミング時に除去する誘電体層の厚みを最小限にできる。さらに、トリミングの障害となる電極が少なくなるので(本第1実施形態の場合は接続電極P1〜P3,31のみ)、トリミング可能なコンデンサ電極領域が広くなり、静電容量調整範囲を広くできる。
【0037】
また、積層基板30には終端抵抗Rも内蔵されており、整合用コンデンサC1〜C3と同様に終端抵抗Rも、表層の誘電体とともにトリミングすることにより、抵抗値を調整することができる。抵抗体Rは1箇所でも幅が細くなると抵抗値が上がるので、幅方向の途中まで削る。
【0038】
以上の構成部品は以下のようにして組み立てられる。すなわち、図1に示すように、永久磁石9は金属製上側ケース4の天井に接着剤によって固定される。積層基板30上には、中心電極組立体13が、中心電極組立体13の中心電極21〜23の各々の一端が積層基板30の表面に形成された中心電極用接続電極P1〜P3にはんだ付けされ、かつ、中心電極21〜23の各々の他端がグランド用接続電極31にはんだ付けされることにより、実装される。なお、中心電極21〜23と接続電極P1〜P3,31とのはんだ付けは、マザーボード状態の積層基板30に対して効率良く行なってもよい。
【0039】
積層基板30は金属製下側ケース8の底部8a上に載置され、シート45の裏面に設けたグランド端子電極16がはんだによって底部8aに固定されるとともに電気的に接続される。これにより、アースを十分にとることができるので、アイソレータ1の電気特性を向上させることができる。
【0040】
そして、金属製下側ケース8の側部8bと金属製上側ケース4の側部4bをはんだ等で接合することにより金属ケースとなり、電磁シールド、アース端子およびヨークとしても機能する。つまり、この金属ケースは、永久磁石9と中心電極組立体13と積層基板30を囲む磁路を形成する。また、永久磁石9はフェライト20に直流磁界を印加する。
【0041】
図3はアイソレータ1の垂直断面図、図4はその電気等価回路図である。以上の構成からなるアイソレータ1の積層基板30は、終端抵抗Rの下に、誘電体層(誘電体シート42)を介して、放熱用ビアホール19が配設されている。従って、アイソレータ1に入った反射電力を終端抵抗Rが吸収することによって終端抵抗Rが発熱しても、その熱は薄い誘電体層を介して放熱用ビアホール19に、熱抵抗少なく効率良く伝導する。さらに、熱は放熱用ビアホール19からグランド端子電極16を介して金属製下側ケース8(金属ケース)に伝導する。金属ケースに伝わった熱は、輻射(放射)、空気の対流、および金属ケースが兼ねるアース端子からアイソレータ1が実装されているプリント基板への伝導により、外部に放熱される。
【0042】
従って、同じ電力を吸収した場合でも、終端抵抗Rの上昇温度は従来より低く抑えられ、アイソレータ1の信頼性が向上する。さらに、アイソレータ1や終端抵抗Rのサイズを変えることなく、従来より大きい反射電力を取り扱うことのできるアイソレータ1が得られる。
【0043】
また、放熱性の点から、放熱用ビアホール19はできるだけ多くの誘電体シートに形成され、その端部が積層基板30の表面に達していることが好ましい。さらに、放熱用ビアホール19内を充填する導電ペーストは、Ag,Cu,Ag−Pdなどの熱伝導率の良好な材料が好ましい。特に、電極P1〜P3等と同じ厚膜電極材料を用いた場合には、熱伝導率は純粋な金属の場合の70%程度となる。従って、一旦溶融した電極を積層基板30内に凝固させて固定する工法で作られた放熱用ビアホール19であれば、熱伝導(=放熱)上一層有利である。
【0044】
さらに、本第1実施形態の場合、放熱用ビアホール19の上方からの投影が金属製下側ケース8に重なるように両者は配置されており、かつ、はんだ付けあるいは熱伝導性に優れた接着剤(熱伝導接着剤)にて積層基板30と金属製下側ケース8が接合している。すなわち、積層基板30の底面に設けたグランド端子電極16をはんだで金属製下側ケース8に接合している。これにより、放熱用ビアホール19と金属ケースの熱的な結合がより確実なものとなり、本発明の効果が一層上がる。なお、積層基板30と金属製下側ケース8とは必ずしもはんだ付けされていなくてもよく、単に圧接や密着されているだけであってもよい。
【0045】
ところで、放熱用ビアホール19が接地されている場合、放熱用ビアホール19と終端抵抗Rの間には静電容量が発生する。この静電容量は終端抵抗Rに直列に接続するため、損失の大きな静電容量である。通常このような静電容量は、アイソレータ1の中心電極21(または22)と整合用コンデンサC1(またはC2)のようなタンク回路(並列共振回路)には好ましくないものである。なぜなら、共振回路のQを下げてしまうからである。しかし、本発明の場合、この損失の含まれる静電容量はアイソレータ1の終端ポートであるP3に接続されるため、致命的な問題とならない。のみならず、この部分で発生した静電容量分だけ、本来の静電容量を減少させることが可能となるため、終端ポートP3の整合用コンデンサC3を小型化でき、ひいてはアイソレータ1を小型化できることとなる。
【0046】
また、終端抵抗Rと放熱用ビアホール19の間に配設されている誘電体層(言い換えると、誘電体シート42)の厚みは、3μm以上800μm以下であることが好ましい。なぜなら、3μmより薄いと、誘電体シート42中に存在しうるピンホールで、ショートが発生しうるからである。また、800μmを超えると、放熱用ビアホール19と終端抵抗Rが離れ過ぎて放熱用ビアホール19の効果がほとんど得られないからである。
【0047】
さらに、誘電体シート42は、アルミナ、アルミナとガラスを主成分とする複合誘電体材、窒化アルミ、あるいはこれらの複合誘電体材で作製されていることが好ましい。なぜなら、アルミナや窒化アルミは誘電体や絶縁体の中では熱伝導性に優れ、しかも、積層基板を作り易いからである。特に、ガラスと混ぜ合わせた場合には、多層基板化して内部に所望のビアホールを設けることに適している。
【0048】
また、放熱用ビアホール19の横断面の面積は、終端抵抗Rの面積の20%以上400%以下に設定することが好ましい。なぜなら、図5に示すように、放熱用ビアホール19の横断面が終端抵抗Rの面積の20%より小さいと、耐電力の向上がわずかであり、放熱用ビアホール19を設けるコストに見合う効果が得られないからである。また、400%を超える大きな放熱用ビアホール19を設けても、耐電力は飽和傾向であり、一方、放熱用ビアホール19周囲でのクラックの発生が起き易くなるからである。
【0049】
なお、終端抵抗Rの面積は、抵抗体膜のうち電極73a,17と重なっている両端部を除いた領域、すなわち、実際に抵抗として機能している領域の面積を意味している。本第1実施形態の場合、放熱用ビアホール19の直径は0.8mm、終端抵抗Rの面積は0.50mm×0.45mmとし、放熱用ビアホール19の横断面の面積は、終端抵抗Rの面積の約55%に設定した。
【0050】
また、本第1実施形態では、放熱用ビアホール19の横断面の面積をSとし、積層基板30の板厚をTとしたとき、関係式S>T2/16を満足している。
【0051】
また、放熱用ビアホールは図6〜図10に示すように、種々に変形できる。図6に示す放熱用ビアホール19Aは、いずれの電極にも接続されていないもので、いわゆる電気的に浮いた状態になっている。一般に、低温焼結誘電体材料で形成された積層基板は、誘電体部分と比較して厚膜導体部分(ビアホール部分)の焼成時収縮が大きいため、ビアホール部分が焼成後に積層基板の表面から突出する場合がある。そこで、放熱用ビアホール19Aが設けられていない誘電体シートで放熱用ビアホール19Aを挟み込む構造を採用することにより、放熱用ビアホール19Aの部分が積層基板30Aの表面から突出するのを防止している。
【0052】
また、図7に示す放熱用ビアホール19Bは、終端抵抗Rのコールドエンド側に接続されている信号用ビアホール18に並接しており、その位置が終端抵抗Rの中心から偏心している。これにより、放熱用ビアホール19B上端での終端抵抗Rと放熱用ビアホール19B間の実効的な熱伝導路が短くなり、熱抵抗を減少させることができる。しかも、放熱用ビアホール19Bの下端をグランド端子電極16を介して、熱容量の大きい金属製下側ケース8に熱的に接触させることができ、優れた放熱効果が得られる。
【0053】
さらに、図8に示す放熱用ビアホール19Cは、終端抵抗Rのホットエンド側に接続されているホット側コンデンサ電極73bに接続している。これにより、放熱用ビアホール19C上端での終端抵抗Rと放熱用ビアホール19C間の熱抵抗を減少させることができる。
【0054】
また、放熱用ビアホール19Cの下端とグランド端子電極16との間には、誘電体層が挟まれている。これにより、終端抵抗Rと放熱用ビアホール19Cが同電位となり、両者間に静電容量は発生しない。一方、放熱用ビアホール19Cの下端とグランド端子電極16との間で発生する静電容量は損失分を含まず、わずかながらアイソレータのアイソレーションの帯域幅を広くさせるに過ぎない。
【0055】
また、図9に示す積層基板30Dは、設計上の制約で放熱用ビアホールの径を大きくできない場合や、製造上の制約で径が0.2mm〜0.5mm程度の放熱用ビアホールしかできない場合に、良好な放熱性を実現するために放熱用ビアホール19Dを二つ設けたものである。
【0056】
[第2実施形態、図10および図11]
図10に示すように、集中定数型アイソレータ101は、概略、金属製下側ケース104と金属製上側ケース108とからなる金属ケースと、永久磁石109と、フェライト120と、中心電極121〜123や整合用コンデンサC1〜C3,Csやトラップ用コイルLや終端抵抗Rを設けた積層基板140と、樹脂製端子ケース103とを備えている。
【0057】
金属製下側ケース104は、左右の側部104aと底部104bを有し、略コの字形状である。この金属製下側ケース104は、インサートモールド法によって、樹脂製端子ケース103と一体成形されている。金属製下側ケース104の底部104bの対向する一対の辺からは、それぞれ二本のアース端子117が延在している。
【0058】
樹脂製端子ケース103の底部には、金属製下側ケース104の底部104bおよびグランド引出電極117aが露出している。さらに、樹脂製端子ケース103には、入力端子115および出力端子116がインサートモールドされている。入力端子115及び出力端子116は、それぞれ一端が樹脂製端子ケース103の外側面に露出し、他端が樹脂製端子ケース103の底部に露出して入力引出電極115a、出力引出電極116aとされる。
【0059】
積層基板140は、図11に示すように、中心電極123や終端抵抗Rや中継電極157や信号用ビアホール148を設けた誘電体シート141と、中心電極121やトラップ用コイルLやグランド側コンデンサ電極156や放熱用ビアホール149などを設けた誘電体シート142と、中心電極122や放熱用ビアホール149などを設けた誘電体シート143と、入力側接続電極151や出力側接続電極152やグランド側接続電極153〜155を裏面に設けた誘電体シート144などにて構成されている。
【0060】
中心電極121のL字形ポート部P1は、誘電体シート142〜144を間に挟んでグランド側接続電極153,155に対向して、それぞれ整合用コンデンサC1,Csを構成する。中心電極122のポート部P2は、誘電体シート142を間に挟んでグランド側コンデンサ電極156に対向して整合用コンデンサC2を構成する。中心電極123のポート部P3は、誘電体シート141〜144を間に挟んでグランド側接続電極154に対向して整合用コンデンサC3を構成する。これら整合用コンデンサC1〜C3,Csや終端抵抗Rは、電極151,152,157やビアホール148とともに、積層基板140の内部に電気回路を構成する。
【0061】
誘電体シート142〜144のそれぞれに設けられた放熱用ビアホール149は、誘電体シート141〜144の積み重ね方向に連接され、柱状放熱用ビアホールを構成する。平面視で、柱状放熱用ビアホール149の一部は、終端抵抗Rに重なっている。柱状放熱用ビアホール149の上端は誘電体シート141を間に挟んで終端抵抗Rに近接し、下端は誘電体シート144の裏面に露出し、グランド側接続電極154に電気的に接続されている。
【0062】
以上の誘電体シート141〜144は積層された後、一体的に焼成され、図10に示すような積層基板140とされる。積層基板140は、フェライト120とともに樹脂製端子ケース103の底部に収容される。フェライト120の裏面は金属製下側ケース104の底部104bに面接触し、積層基板140はフェライト120の上面に配置される。
【0063】
このとき、積層基板140の底面に設けられている入力側接続電極151は、樹脂製端子ケース103の底部に露出している入力引出電極115aに半田付けされる。出力側接続電極152およびグランド側接続電極153〜155も、それぞれ出力引出電極116aおよびグランド引出電極117aに半田付けされる。同様に、積層基板140の底面に露出している柱状放熱用ビアホール149の下端もグランド引出電極117aに半田付けされる。
【0064】
さらに、その上から金属製上側ケース108を装着する。金属製上側ケース108の天井には永久磁石109が配置されている。永久磁石109はフェライト120に直流磁界を印加する。金属製上側ケース108と金属製下側ケース104は嵌合された後、はんだリフロー等の方法で電気的に接続されている。これにより、金属製上側ケース108と金属製下側ケース104は金属ケースをなし、磁気回路を構成している。
【0065】
こうしてアイソレータ101が得られる。以上の構成からなるアイソレータ101は、前記第1実施形態のアイソレータ1と同様の作用効果を奏する。
【0066】
[第3実施形態、図12]
第3実施形態は、本発明に係る通信装置として、携帯電話を例にして説明する。
【0067】
図12は携帯電話220のRF部分の電気回路ブロック図である。図12において、222はアンテナ素子、223はデュプレクサ、231は送信側アイソレータ、232は送信側電力増幅器、233は送信側段間用帯域通過フィルタ、234は送信側ミキサ、235は受信側電力増幅器、236は受信側段間用帯域通過フィルタ、237は受信側ミキサ、238は電圧制御発振器(VCO)、239はローカル用帯域通過フィルタである。
【0068】
ここに、非可逆回路素子240は、送信側アイソレータ231として、前記第1実施形態や第2実施形態の集中定数型アイソレータ1,101を用いるとともに、積層基板30,140に送信側電力増幅器232を搭載した複合タイプのものである。この非可逆回路素子240を実装することにより、電気的特性の向上した、かつ、信頼性の高い携帯電話220を実現することができる。
【0069】
より詳細に説明すると、電力増幅器などの発熱性電子部品とアイソレータを複合する場合においては、それぞれの部品の占有面積が低減される傾向にあるため、放熱用ビアホールを用いて効率良く放熱する本発明は最適である。特に、送信側電力増幅器232との複合時においては、積層基板30,140自体の温度が上がると、FETを用いた電力増幅器232では出力が低下したり、バイポーラ・トランジスタを用いた電力増幅器232では増幅素子が熱暴走で破壊したりする原因となる。そこで、積層基板30,140の温度を上げないで、熱抵抗少なく外部に放熱する本発明は極めて好都合である。
【0070】
[他の実施形態]
なお、本発明は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。例えば、終端抵抗は前記実施形態のように積層基板の内部に配置してもよいし、積層基板の表面に配置してもよい。
【0071】
また、積層基板の内部に形成されるコンデンサは、整合用コンデンサに限るものではなく、低域通過フィルタやトラップ回路などを構成するためのコンデンサであってもよい。また、本発明に係る非可逆回路素子は、アイソレータ以外に、サーキュレータやカップラー内蔵の非可逆回路素子などであってもよい。
【0072】
また、放熱用ビアホールの横断面の形状は任意であり、円形状の他に、矩形状であってもよい。矩形状にすると、終端抵抗Rの形状と放熱用ビアホールの形状をほぼ対応させることができ、スペース的に限られている場合に、最小の面積で最大の放熱性能が得られる。
【0073】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、終端抵抗の下に、誘電体層を介して放熱用ビアホールを配設している。従って、非可逆回路素子に入った反射電力を終端抵抗が吸収することによって終端抵抗が発熱しても、その熱は薄い誘電体層を介して放熱用ビアホールに、熱抵抗少なく効率良く伝導する。さらに、熱は放熱用ビアホールから金属ケースに伝導する。金属ケースに伝わった熱は、輻射(放射)、空気の対流、および金属ケースが兼ねるアース端子から非可逆回路素子が実装されているプリント基板への伝導により、外部に放熱される。この結果、高性能で信頼性が高くかつ小型の非可逆回路素子や通信装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る非可逆回路素子の一実施形態を示す分解斜視図。
【図2】図1に示した積層基板の分解斜視図。
【図3】図1に示した非可逆回路素子の垂直断面図。
【図4】図1に示した非可逆回路素子の電気等価回路図。
【図5】耐電力特性を示すグラフ。
【図6】図1に示した積層基板の変形例を示す垂直断面図。
【図7】図1に示した積層基板の別の変形例を示す垂直断面図。
【図8】図1に示した積層基板のさらに別の変形例を示す垂直断面図。
【図9】図1に示した積層基板のさらに別の変形例を示す垂直断面図。
【図10】本発明に係る非可逆回路素子の別の一実施形態を示す分解斜視図。
【図11】図10に示した積層基板の分解斜視図。
【図12】本発明に係る通信装置の電気回路ブロック図。
【符号の説明】
1,101…集中定数型アイソレータ
4,108…金属製上側ケース
8,104…金属製下側ケース
9,109…永久磁石
13…中心電極組立体
19,149…放熱用ビアホール
20,120…フェライト
21〜23,121〜123…中心電極
30,30A,30B,30C,30D,140…積層基板
41〜45,141〜144…誘電体シート
220…携帯電話
232…電力増幅器
240…非可逆回路素子
C1〜C3…整合用コンデンサ
R…終端抵抗[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-reciprocal circuit device, particularly a non-reciprocal circuit device such as an isolator used in a microwave band, and a communication device.
[0002]
[Prior art]
Generally, an isolator has a function of passing a signal only in a transmission direction and preventing transmission in a reverse direction, and is used in a transmission circuit unit of a mobile communication device such as a car phone or a mobile phone.
[0003]
For example, an isolator of this type is known from Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-289402. In this isolator, a terminating resistor is printed and baked on a dielectric substrate containing a matching capacitor. Then, when power is absorbed by the terminating resistor, for example, when reflected power is input to the isolator, the terminating resistor generates heat. The heat is finally dissipated by radiation (radiation) or convection from a metal case or a terminal of the isolator, or dissipated by heat conduction to a printed circuit board on which the isolator is mounted.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the transfer of heat from the terminating resistor to the metal case and the terminal is mainly based on the heat conduction of the dielectric substrate. The thermal conductivity varies depending on the dielectric, but is 20 W / mk for alumina. This is considerably worse when compared to the thermal conductivity of metal, for example, about 300 W / mk for silver. Therefore, the thermal resistance of this portion causes a rise in the temperature of the terminating resistor, and is one of the main factors that limit the withstand power of the isolator.
[0005]
Here, the withstand power is set to a continuous load state (for example, inputting 1 W of reverse power) for a sufficient time (1000 hours or 2000 hours, for example) in a prescribed use environment (eg, −45 to + 85 ° C.). , Meaning that the characteristics such as isolation are not impaired and do not change beyond the range of normal temperature characteristics.
[0006]
In an isolator or a circulator, a dielectric material having a higher dielectric constant is used in addition to alumina. However, they generally have a lower thermal conductivity than alumina, which is disadvantageous in terms of heat dissipation.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide a non-reciprocal circuit device and a communication device that can efficiently radiate heat generated by a terminating resistor to the outside.
[0008]
In the field of hybrid ICs including semiconductors, as described in JP-A-6-296106, a through-hole filled with a thick-film electrode material is provided between a dielectric substrate surface on which a semiconductor is mounted and a ground surface on the bottom surface of the substrate. (Thermal via) is provided, the bottom surface of the semiconductor is connected to the thermal via with a conductive paste (or a conductive adhesive) or a heat conductive paste, and heat generated by the semiconductor is radiated through the thermal via. This is because even if the bottom surface of the semiconductor is covered with an insulator or an electrode is provided on the bottom surface, the electrode has the same potential as the thermal via.
[0009]
However, a structure in which the thermal vias are directly connected cannot be adopted as the terminating resistor. This is because the thermal via has good electrical conductivity, and if it is directly connected to the terminating resistor, a desired resistance cannot be obtained. Further, in the structure in which the thermal via is connected to the terminating resistor via a heat conductive paste (or a heat conductive adhesive) having an insulating property, the thermal resistance increases due to voids (bubbles) generated in the heat conductive paste. Also, it is difficult to obtain a terminal resistor having a stable resistance value due to a pinhole. In addition, the manufacturing process becomes complicated.
[0010]
Means and action for solving the problem
To achieve the above object, the non-reciprocal circuit device according to the present invention includes:
(A) a permanent magnet;
(B) a ferrite to which a DC magnetic field is applied by a permanent magnet;
(C) a plurality of central electrodes arranged on the ferrite so as to cross each other in an electrically insulated state;
(D) a laminated substrate having a dielectric layer, a terminating resistor, and a heat-radiating conductor at least partially overlapping in plan view with the dielectric layer interposed between the terminating resistor;
It is characterized by having.
[0011]
The heat dissipation conductor is constituted by, for example, one or more heat dissipation via holes provided in the dielectric layer. It is preferable that the heat dissipation via hole is disposed in the metal case and is thermally connected to the metal case. Further, the thickness of the dielectric layer provided between the terminating resistor and the heat dissipation via hole is preferably 3 μm or more and 800 μm or less. If the thickness is less than 3 μm, pinholes are formed in the dielectric layer, causing a problem in withstand voltage. On the other hand, if the thickness exceeds 800 μm, the heat dissipation via hole and the terminating resistor are too far apart, which causes an increase in thermal resistance.
[0012]
Further, the dielectric layer provided between the terminating resistor and the heat dissipation via hole is made of alumina, a composite dielectric material mainly composed of alumina and glass, aluminum nitride, or a composite dielectric material of these. Is preferred. This is because the dielectric loss is small and the thermal conductivity and workability are excellent.
[0013]
With the above configuration, even if the terminating resistor generates heat by absorbing the reflected power entering the non-reciprocal circuit element, the heat is efficiently transmitted to the heat-radiating via hole through the thin dielectric layer with little thermal resistance. Conduct. Further, heat is conducted from the heat dissipation via hole to the metal case. The heat transmitted to the metal case is radiated to the outside by radiation (radiation), convection of air, and conduction from the ground terminal also serving as the metal case to the printed circuit board on which the non-reciprocal circuit element is mounted.
[0014]
Further, from the viewpoint of heat dissipation, it is preferable that the heat dissipation via holes are formed in as many dielectric layers as possible, and the ends thereof reach the surface of the laminated substrate. Further, the conductive paste filling the via holes for heat dissipation is preferably a material having good thermal conductivity such as silver, copper, a silver alloy, a copper alloy, and a thick film paste material composed of these metals and frit.
[0015]
It is preferable that the area of the cross section of the heat dissipation via hole is set to 20% or more and 400% or less of the area of the terminating resistor. This is because if the cross section of the heat dissipation via hole is smaller than 20% of the area of the terminating resistor, the improvement in power resistance is slight, and an effect corresponding to the cost of providing the heat dissipation via hole cannot be obtained. Further, even if a large heat dissipation via hole exceeding 400% is provided, the power resistance tends to be saturated, and on the other hand, cracks are likely to occur around the heat dissipation via hole. When a plurality of heat dissipation via holes are provided, the sum of the cross-sectional areas of the heat dissipation via holes is set to 20% or more and 400% or less of the area of the terminating resistor.
[0016]
Further, one end of the heat dissipation via hole may be electrically connected to the cold end side of the terminating resistor. Further, the heat dissipation via hole may be electrically connected to the hot end side of the terminating resistor, and a dielectric layer may be interposed between one end of the heat dissipation via hole and the ground. The terminating resistor may be disposed inside the laminated substrate or may be disposed on the surface of the laminated substrate.
[0017]
Further, the communication device according to the present invention includes the above-described non-reciprocal circuit device, so that performance and reliability are improved. A heat-generating electronic component such as a high-frequency power amplifier may be mounted on the laminated substrate of the non-reciprocal circuit device. The present invention is more effective under such severe operating conditions in a thermal environment.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a nonreciprocal circuit device and a communication device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0019]
[First Embodiment, FIGS. 1 to 9]
FIG. 1 is an exploded perspective view of one embodiment of the nonreciprocal circuit device according to the present invention. The
[0020]
The metal upper case 4 has a substantially box shape and includes an upper portion 4a and four
[0021]
The
[0022]
As shown in FIG. 2, the
[0023]
This
[0024]
Further, a
[0025]
The electrodes P1 to P3, 14 to 17, 31, 71a to 73a, 71b to 73b, 74 are formed on the
[0026]
The surfaces of the electrodes P1 to P3 and the like are plated with Au using Ni plating as a base. The Ni plating increases the bonding strength between the Ag and Au plating of the electrodes P1 to P3 and the like. The Au plating improves the solder wettability and has a high conductivity, so that the
[0027]
The terminating resistor R is formed on the surface of the
[0028]
The signal via
[0029]
If the cross-sectional shape of the heat dissipation via
[0030]
The
[0031]
The
[0032]
An
[0033]
The heat dissipation via
[0034]
Note that the
[0035]
The
[0036]
As described above, since the capacitor electrodes 71a to 73a located on the outermost layer among the capacitor electrodes 71a to 73b are used as the trimming capacitor electrodes, the thickness of the dielectric layer to be removed at the time of trimming can be minimized. Furthermore, since the number of electrodes that cause an obstacle to trimming is reduced (only the connection electrodes P1 to P3 and 31 in the case of the first embodiment), the capacitor electrode area that can be trimmed is widened, and the capacitance adjustment range can be widened.
[0037]
The
[0038]
The above components are assembled as follows. That is, as shown in FIG. 1, the
[0039]
The
[0040]
Then, the
[0041]
FIG. 3 is a vertical sectional view of the
[0042]
Therefore, even when the same power is absorbed, the temperature at which the terminating resistor R rises is kept lower than before, and the reliability of the
[0043]
Further, from the viewpoint of heat dissipation, the heat dissipation via
[0044]
Further, in the case of the first embodiment, the two are arranged so that the projection from above the heat dissipation via
[0045]
When the heat dissipation via
[0046]
Further, the thickness of the dielectric layer (in other words, the dielectric sheet 42) provided between the terminating resistor R and the heat dissipation via
[0047]
Further, the
[0048]
It is preferable that the area of the cross section of the heat dissipation via
[0049]
Note that the area of the terminating resistor R means the area of the resistor film excluding the both ends overlapping the
[0050]
Further, in the first embodiment, when the area of the cross section of the heat dissipation via
[0051]
Further, the heat dissipation via hole can be variously modified as shown in FIGS. The heat dissipation via
[0052]
Further, the heat dissipation via hole 19B shown in FIG. 7 is in parallel with the signal via
[0053]
Further, the heat dissipation via
[0054]
Further, a dielectric layer is sandwiched between the lower end of the heat dissipation via
[0055]
Further, the laminated substrate 30D shown in FIG. 9 is used when the diameter of the heat dissipation via hole cannot be increased due to design constraints or when only the heat dissipation via hole having a diameter of about 0.2 mm to 0.5 mm can be achieved due to manufacturing constraints. In order to realize good heat dissipation, two heat dissipation via holes 19D are provided.
[0056]
[Second Embodiment, FIGS. 10 and 11]
As shown in FIG. 10, the lumped-
[0057]
The metal
[0058]
At the bottom of the
[0059]
As shown in FIG. 11, the
[0060]
The L-shaped port portion P1 of the
[0061]
The heat dissipation via
[0062]
After the
[0063]
At this time, the input-
[0064]
Further, a metal
[0065]
Thus, the
[0066]
[Third embodiment, FIG. 12]
In the third embodiment, a mobile phone will be described as an example of the communication device according to the present invention.
[0067]
FIG. 12 is an electric circuit block diagram of the RF portion of the
[0068]
Here, the
[0069]
More specifically, in the case where a heat-generating electronic component such as a power amplifier is combined with an isolator, the area occupied by each component tends to be reduced. Is optimal. In particular, when combined with the transmission-
[0070]
[Other embodiments]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified within the scope of the gist. For example, the terminating resistor may be disposed inside the laminated substrate as in the above embodiment, or may be disposed on the surface of the laminated substrate.
[0071]
The capacitor formed inside the multilayer substrate is not limited to the matching capacitor, but may be a capacitor for forming a low-pass filter, a trap circuit, or the like. Further, the non-reciprocal circuit device according to the present invention may be a circulator or a non-reciprocal circuit device with a built-in coupler other than the isolator.
[0072]
The shape of the cross section of the heat dissipation via hole is arbitrary, and may be a rectangular shape in addition to a circular shape. With a rectangular shape, the shape of the terminating resistor R and the shape of the heat dissipation via hole can be made to substantially correspond to each other, and when space is limited, maximum heat dissipation performance can be obtained with a minimum area.
[0073]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the heat dissipation via hole is provided below the terminating resistor via the dielectric layer. Therefore, even if the terminating resistor generates heat by absorbing the reflected power entering the non-reciprocal circuit element, the heat is efficiently transmitted to the heat dissipation via hole through the thin dielectric layer with low thermal resistance. Further, heat is conducted from the heat dissipation via hole to the metal case. The heat transmitted to the metal case is radiated to the outside by radiation (radiation), convection of air, and conduction from the ground terminal also serving as the metal case to the printed circuit board on which the non-reciprocal circuit element is mounted. As a result, a high-performance, highly-reliable and small non-reciprocal circuit device or communication device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing one embodiment of a non-reciprocal circuit device according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the laminated substrate shown in FIG.
FIG. 3 is a vertical sectional view of the non-reciprocal circuit device shown in FIG.
FIG. 4 is an electrical equivalent circuit diagram of the non-reciprocal circuit device shown in FIG.
FIG. 5 is a graph showing power resistance characteristics.
FIG. 6 is a vertical sectional view showing a modified example of the laminated substrate shown in FIG. 1;
FIG. 7 is a vertical sectional view showing another modified example of the laminated substrate shown in FIG. 1;
FIG. 8 is a vertical sectional view showing still another modified example of the laminated substrate shown in FIG. 1;
FIG. 9 is a vertical sectional view showing still another modified example of the laminated substrate shown in FIG. 1;
FIG. 10 is an exploded perspective view showing another embodiment of the non-reciprocal circuit device according to the present invention.
11 is an exploded perspective view of the multilayer substrate shown in FIG.
FIG. 12 is an electric circuit block diagram of a communication device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1,101… Lumped constant type isolator
4,108… Metal upper case
8,104 ... Metal lower case
9,109 ... permanent magnet
13 ... Center electrode assembly
19, 149: Thermal via holes
20,120 ... Ferrite
21-23, 121-123 ... Center electrode
30, 30A, 30B, 30C, 30D, 140 ... laminated substrate
41 to 45, 141 to 144 ... dielectric sheet
220… mobile phone
232 ... Power amplifier
240 ... non-reciprocal circuit element
C1 to C3 ... matching capacitors
R: Terminating resistor
Claims (18)
前記永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、
前記フェライト上に電気的絶縁状態で交差して配置されている複数の中心電極と、
誘電体層と、終端抵抗と、該終端抵抗に誘電体層を間に挟んで平面視で少なくとも一部が重なる放熱用導体とを有した積層基板と、
を備えたことを特徴とする非可逆回路素子。A permanent magnet,
A ferrite to which a DC magnetic field is applied by the permanent magnet;
A plurality of center electrodes arranged in an electrically insulated state crossing on the ferrite,
A dielectric substrate, a terminating resistor, and a laminated substrate having a heat-radiating conductor at least partially overlapping in plan view with the dielectric layer interposed between the terminating resistors,
A non-reciprocal circuit device comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2004023770A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005317566A (en) * | 2004-04-26 | 2005-11-10 | Kyocera Corp | Wiring board and manufacturing method thereof |
| JP2007208943A (en) * | 2006-02-06 | 2007-08-16 | Murata Mfg Co Ltd | Nonreciprocal circuit element and communication device |
| JPWO2017119248A1 (en) * | 2016-01-07 | 2018-10-04 | 株式会社村田製作所 | Multilayer substrate, electronic device, and method for manufacturing multilayer substrate |
| JPWO2022085715A1 (en) * | 2020-10-22 | 2022-04-28 |
-
2002
- 2002-06-20 JP JP2002180508A patent/JP2004023770A/en active Pending
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