移動体通信用
パワー半導体モジュールの熱設計
（熱物性計測技術および低熱抵抗構造の開発）
Thermal Design of Power Semiconductor Modules for Mobile Communication Systems
(Development of Thermophysical Property Measurement Technique and Package Design with Low Thermal Resistance)
2005 年度
大曽根靖夫
目次
目次
記号表 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ V 第 1 章 緒言 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11 1.1 移動体通信用パワー半導体モジュールの開発動向 ・・・・・・・・・・・・・・・・ 12 1.2 携帯電話の利用実態 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 21 1.3 移動体通信用パワー半導体モジュールの熱設計上の課題 ・・・・・・・・・・ 24 1.3.1 携帯電話特有の熱設計上の課題 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24 1.3.2 製品仕様としての低熱抵抗化の必要性 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26 1.3.3 実動作時の過渡的な温度上昇と放熱経路の熱容量の関係 ・・・・・ 28 1.3.4 熱設計上の課題と数値解析を援用した設計手法の重要性 ・・・・・ 29 1.3.5 熱設計の対象範囲と全体フロー ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 31 1.4 熱物性計測の重要性 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 38 1.5 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 39 第 2 章 筐体熱設計適用のための接触熱コンダクタンス改善手法の検討 ・・ 40 2.1 筐体熱設計における接触問題の重要性 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 40 2.2 実験装置および実験方法 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 42 2.2.1 実験装置 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 42 2.2.2 試験方法 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 42 2.2.3 材料の物性値および測定対象 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 46 2.3 接触熱コンダクタンスの改善効果 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48 2.3.1 表面加工なしの場合の銅‐モリブデン間接触熱コンダクタンス 48 2.3.2 表面にメッキを施した場合の影響 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50 2.3.3 金属箔挿入による影響 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 51 2.3.4 スパッタ膜による効果 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 53 2.4 接触熱コンダクタンス改善に関するまとめと計測上の課題 ・・・・・・・・ 55 第 3 章 パワー半導体モジュール熱設計に必要な熱物性計測技術の開発 ・・ 57
3.1 材料の熱物性・接触熱コンダクタンス計測技術の必要性 ・・・・・・・・・・ 57 3.2 理論的考察および実験手法 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59 3.2.1 測定原理 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59 3.2.2 実験装置および測定方法 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59
目次
3.2.3 位相差と熱拡散率の関係 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 64 3.2.4 位相差と接触熱コンダクタンスの関係 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 65 3.3 熱拡散率計測の結果と高精度化のための課題 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 71 3.3.1 光軸のずれの影響 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 71 3.3.2 金膜の厚さの影響 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 78 3.3.3 薄い固体試料の熱拡散率の測定結果および検討 ・・・・・・・・・・・・・ 80 3.4 接触熱コンダクタンス計測の結果と課題 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 84 3.4.1 薄い固体試料間の接触熱コンダクタンスの測定結果 ・・・・・・・・・ 84 3.4.2 加圧方法と試料界面圧力の関係に関する検討 ・・・・・・・・・・・・・・・ 89 3.4.3 加圧方法の適正化 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 95 3.5 光学的計測手法の課題と提言 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 98 3.6 計測結果の妥当性の評価 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 99 3.7 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 103 第 4 章 移動体通信用パワー半導体モジュールの熱設計 ・・・・・・・・・・・・・・・ 106 4.1 数値解析を用いた熱設計の必要性 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 106 4.2 解析手法の概略 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 109 4.2.1 使用した有限要素法の解析ツール ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 109 4.2.2 計算機環境と解析モデルの自動作成の現状 ・・・・・・・・・・・・・・・・ 110 4.2.3 メッシュ生成の問題点 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 114 4.3 有限要素法を用いたコレクタアップ GaAs HBT の熱設計 ・・・・・・・・・・ 120 4.3.1 解析対象および解析領域 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 124 4.3.2 トランジスタ単体の熱抵抗 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 125 4.3.3 構成材料の熱伝導率，厚さの影響 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 125 4.3.4 トランジスタ間の温度差低減の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 126 4.3.4 コレクタアップ HBT の熱設計に関する検討のまとめ ・・・・・・・・ 137 4.4 有限要素法を用いたエミッタアップ GaAs HBT の熱設計 ・・・・・・・・・・ 139 4.4.1 解析対象および解析領域 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 140 4.4.2 トランジスタ単体およびモジュール構成部材の影響評価 ・・・・ 145 4.4.3 発熱領域の不当間隔配置による熱抵抗の低減 ・・・・・・・・・・・・・・ 164 4.4.4 発熱領域の幅の変更による低熱抵抗化 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 171 4.4.5 HBT 低熱抵抗設計技術のまとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 174 第 5 章 熱設計の課題と熱物性評価 TEG の提案 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 176 5.1 数値解析を用いた熱設計の課題 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 176
目次
5.1.1 解析の精度の問題 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 176 5.1.2 解析規模とモデル化の煩雑性のトレードオフ ・・・・・・・・・・・・・・ 177 5.1.3 コンカレントエンジニアリングの必要性 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 178 5.2 半導体素子内部薄膜の熱物性評価 TEG の提案 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 180 5.2.1 薄膜熱物性評価 TEG の必要性 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 180 5.2.2 薄膜熱物性評価 TEG の構成と測定方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 184 5.2.3 薄膜熱物性評価 TEG 開発上の課題と提言 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 188 第 6 章 結論 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 190 謝辞 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 196 参考文献 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 197
記号表
記号表
記 号 記 号 の 説 明 単 位
A 試 験 片 断 面 積 [m2]
a 加 熱 ス ポ ッ ト 径 [m]
b 試 料 厚 さ [m]
CTR 熱 反 射 係 数 [K-1]
c 比 熱 [J kg-1 K-1]
D 直 径 [m]
d 試 料 厚 さ [m]
dp プ ロ ー ブ 光 の 直 径 [m]
F 荷 重 [N]
f 周 波 数 [Hz]
Hv ビ ッ カ ー ス 硬 さ [Pa]
h 熱 コ ン ダ ク タ ン ス [W m-2 K-1]
I 光 の 強 度 [W]
Ji i次 の 第 一 種 ベ ッ セ ル 関 数 [–]
k 熱 伝 導 率 [W m-1 K-1]
k 定 数 [–]
L 長 さ [m]
P 圧 力 [Pa]
Q 熱 量 [W]
R 熱 抵 抗 [K/W]
Ra 中 心 線 平 均 粗 さ [m]
Rq 自 乗 平 均 粗 さ [m]
r 半 径 方 向 長 さ [m]
s 補 助 変 数 [–]
T 温 度 [K]
t 厚 さ [m]
t 時 間 [s]
記号表
u 温 度 [K]
W 幅 [m]
Wt う ね り [m]
x 長 さ [m]
y 長 さ [m]
z 長 さ [m]
α 熱 拡 散 率 [m2 s-1]
β ス ペ ク ト ル 雑 音 密 度 [W Hz-0.5]
∆ 増 分 [–]
δ 熱 浸 透 深 さ [m]
ε 放 射 率 [–]
φ 位 相 差 [rad]
η (λ2+s/α)0.5 で 定 義 さ れ る 変 数 [–]
λ 熱 伝 導 率 [W m-1 K-1]
λ 補 助 変 数 [–]
π 円 周 率 [–]
θ 試 験 片 表 面 粗 さ 傾 斜 角 [degree]
ρ 密 度 [kg m-3]
ω 角 周 波 数 [rad s-1]
記号表
添 え 字 添 え 字 の 説 明
Air 空 気
av 平 均 温 度
Ba ベ ー ク ラ イ ト
Bottom 基 板 裏 面
Cu 銅
chip 半 導 体 基 板
hs 熱 拡 散 板
i 虚 数 単 位
in 入 り 口
j 発 熱 領 域
Mo モ リ ブ デ ン
m 材 料 の 平 均 値
max 最 大 値
min 最 小 値
module モ ジ ュ ー ル
out 出 口
phs Plated Heat Sink
rad 放 射
std 標 準 構 造
0 初 期 条 件
1,2, ,,, 材 料 の 番 号
記号表
略 号 略 号 の 説 明
BPF Band Pass Filter 帯 域 通 過 フ ィ ル タ CAD Computer Aided Design コ ン ピ ュ ー タ 支 援 設 計
CCD Charge Coupled Device 電 荷 結 合 素 子
CDMA Code Division Multiple Access 波 長 分 割 多 重 接 続 方 式 CMOS Complementary Metal Oxide 相 補 性 金 属 酸 化 膜 半 導 体 Semiconductor
CPU Central Processing Unit 中 央 演 算 処 理 装 置
CT Computed Tomography コ ン ピ ュ ー タ を 使 用 す る 断 層 撮 影 法
DCS Digital Communication System 欧 州 の 携 帯 電 話 方 式
EU European Union 欧 州 連 合
EDGE Enhanced Data GSM GSM 方 式 を ベ ー ス に し た Environment デ ー タ 通 信 シ ス テ ム FLOPS Floating-point Operations Per 浮 動 小 数 点 演 算 の
Second 命 令 実 行 速 度 の 単 位
G Generation 携 帯 電 話 方 式 の 世 代
GB Giga Byte 情 報 の 単 位 ．10 億 バ イ ト
GFLOPS Giga Floating-point Operations 浮 動 小 数 点 演 算 の 命 令 実 Per Second 行 速 度 の 単 位 ．
10 億 FLOPSに 相 当 GSM Global System for Mobile 欧 州 か ら 広 が っ た
Communication 携 帯 電 話 方 式
HBT Heterojunction Bipolar ヘ テ ロ 接 合 バ イ ポ ー ラ
Transistor ト ラ ン ジ ス タ
HDD Hard Disk Drive ハ ー ド デ ィ ス ク 装 置 HEMT High Electron Mobility GaAsな ど の 化 合 物 半 導 体
Transistor を 用 い た ト ラ ン ジ ス タ
の 一 種
記号表
HPA High Power Amplifier 高 出 力 パ ワ ー ア ン プ IC Integrated Circuit 集 積 回 路
IMT-2000 International Mobile 第 3世 代 の 移 動 体 通 信
Communication 2000 シ ス テ ム
ITRS International Technology 米 国 SIAが 発 表 し て い る
Roadmap for 半 導 体 技 術 の ロ ー ド
Semiconductors マ ッ プ
JEDEC Joint Electron Device 電 子 部 品 の 標 準 化 を 進 め Engineering Council る 米 国 の 業 界 団 体 LCD Liquid Crystal Display 液 晶 パ ネ ル デ ィ ス プ レ イ LSI Large Scale Integrated Circuit 大 規 模 集 積 回 路
MEMS Micro Electro Mechanical 機 構 系 と 共 に 電 気 ・ 電 子 Systems 回 路 も 微 細 化 し て 組 み
込 ん だ シ ス テ ム MOS Metal Oxide Semiconductor 金 属 酸 化 膜 半 導 体
MPI Message Passing Interface 並 列 処 理 を 行 う ア プ リ ケ ー シ ョ ン 間 の 通 信 規 格 MPP Massively Parallel Computer 超 並 列 計 算 機
MPU Micro Processing Unit 超 小 型 演 算 処 理 装 置
PA Power Amplifier パ ワ ー ア ン プ
PAE Power Added Efficiency 電 力 付 加 効 率
PC Personal Computer パ ソ コ ン
PCG Preconditioned Conjugate 前 処 理 付 き 共 役 勾 配 法 Gradient Method
PCS Personal Communication Service 米 国 の パ ー ソ ナ ル 移 動 通 信 シ ス テ ム
PDC Personal Digital Cellular 日 本 国 内 の デ ジ タ ル 携 帯 電 話 方 式
PHS Personal Handyphone System 日 本 国 内 の デ ジ タ ル 携 帯 電 話 方 式
PHS Plated Heat Sink メ ッ キ 形 成 し た 熱 拡 散 板 PLL Phase-Locked Loop 位 相 同 期 ル ー プ
RF Radio Frequency 無 線 通 信 等 の 周 波 数 帯 域
記号表
RF-IC Radio Frequency Integrated 高 周 波 集 積 回 路 Circuit
Rx Receiver 受 信 回 路
SEM Scanning Electron Microscope 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 SIA Semiconductor Industry 米 国 半 導 体 工 業 会 Association
SOI Silicon on Insulator Si 基 板 上 に 絶 縁 膜 を 生 成 し た 構 造
SPICE Simulation Program with 米 国 カ リ フ ォ ル ニ ア 大 学 Integrated Circuit が 開 発 し た ア ナ ロ グ 回
Emphasis 路 シ ミ ュ レ ー タ TDMA Time Division Multiple Access 時 分 割 多 重 接 続 方 式 TEG Test Element Group 特 性 評 価 用 素 子
Tx Transceiver 送 信 回 路
US United States of America ア メ リ カ 合 衆 国 VCO Voltage Controlled Oscillator 電 圧 制 御 発 信 器
W-CDMA Wideband CDMA 広 帯 域 符 号 分 割 多 重 接 続
WEB World Wide Web
1 緒言
第 1 章 緒言
移 動 体 通 信 シ ス テ ム ， 特 に 携 帯 電 話 端 末 に 搭 載 さ れ る 電 子 機 器 と し て ， 高 周 波 無 線 通 信 回 路 が あ る ． こ の 高 周 波 無 線 回 路 は ， 主 と し て 高 周 波 部 （RF (Radio Frequency) 部 ） と ベ ー ス バ ン ド 部 か ら 構 成 さ れ る が ， 高 周 波 部 で 送 信 信 号 を 増 幅 す る た め に 用 い ら れ る パ ワ ー ア ン プ が ， 携 帯 電 話 端 末 で 消 費 さ れ る 電 力 の 半 分 程 度 を 占 め て き た ． 携 帯 電 話 端 末 の 高 機 能 化 に 伴 い ， 消 費 電 力 に 占 め る 比 率 は 下 が り つ つ あ る も の の ， パ ワ ー ア ン プ の 温 度 が 製 品 と し て 許 容 さ れ る 温 度 の 上 限 を 超 え な い よ う な 実 装 構 造 を 考 え る ， い わ ゆ る 熱 設 計 は ， パ ワ ー ア ン プ 搭 載 モ ジ ュ ー ル の 小 型 化 が 著 し い こ と か ら ， 製 品 設 計 上 の キ ー 技 術 と な っ て い る ．
電 子 機 器 の 熱 設 計 を 行 う に 当 た り ， 重 要 な デ ー タ と し て ， 構 成 材 料 の 熱 物 性 値 が 存 在 す る ． 携 帯 電 話 端 末 の 筐 体 や ， 搭 載 さ れ る 電 子 機 器 ， プ リ ン ト 基 板 な ど の 個 々 の 構 成 部 材 ， お よ び ， 電 子 機 器 内 部 の 半 導 体 素 子 構 成 材 料 に つ い て は ， 一 部 の 材 料 は 物 性 値 が プ ロ セ ス 依 存 性 を 持 つ た め ， ま た ， 材 料 に よ っ て は 材 料 供 給 者 が 熱 物 性 デ ー タ の 重 要 性 を 認 識 し て い な い た め ， あ る い は ， 物 性 デ ー タ を 門 外 不 出 の デ ー タ と し て 戦 略 的 に 保 持 し て い る た め ， 熱 物 性 の デ ー タ を 入 手 す る こ と が 困 難 で あ る と い う 事 実 が 存 在 す る ． そ の た め ， 熱 物 性 の 自 前 の 計 測 技 術 や デ ー タ ベ ー ス を 保 有 す る こ と は ， も の 作 り の 基 盤 技 術 と し て 大 変 重 要 な こ と で あ る ． 一 方 ， 俗 に ド ッ グ イ ヤ ー な ど と 呼 称 さ れ る 半 導 体 産 業 に お い て は ， 製 品 開 発 期 間 の 短 縮 が 急 務 と な っ て い る ． こ の た め ， 従 来 で あ れ ば 認 め ら れ た ， 設 計 と 試 作 を 繰 り 返 す こ と で 製 品 の ス ペ ッ ク を 改 善 す る よ う な 開 発 手 法 を 採 用 す る こ と は 困 難 で あ り ， 試 作 回 数 ・ 工 程 数 を 低 減 し て 開 発 期 間 を 短 縮 す る た め に ， 半 導 体 素 子 内 部 の 構 造 を 含 め て ， 数 値 解 析 を 多 用 し た 設 計 が 主 流 と な り つ つ あ る ． 当 然 ， 熱 設 計 に お い て も ，数 値 解 析 に 基 づ い た 実 装 構 造 の 適 正 化 が 図 ら れ る よ う に な っ た ． 本 論 文 で は ， 移 動 体 通 信 シ ス テ ム で 使 用 さ れ る パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル と し て ， 携 帯 電 話 端 末 搭 載 の パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 開 発 動 向 と 熱 設 計 上 の 課 題 を ま ず 整 理 す る ． 次 に ， 熱 設 計 の 高 度 化 に 欠 か せ な い 物 性 値 の 測 定 技 術 に つ い て ， そ の 第 一 歩 と し て 開 発 し た ， 熱 拡 散 率 ， 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス の 光 学 的 な 計 測 技 術 に つ い て ， 開 発 し た 技 術 と 課 題 を 検 討 す る ． さ ら に ， 数 値 解 析 を 用 い た 携 帯 電 話 端 末 用 の パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 技 術 と 得 ら れ た 知 見 ， お よ び ， 課 題 に つ い て 検 討 す る ． 最 後 に ， 熱 物 性 計 測 と 熱 設 計 の 関 係 を ま と め ， 未 解 決 の 課 題 と ， 移 動 体 通 信 用 パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル の 将 来 の 熱 設 計 技 術 に 向 け た 提 言 を 行 う こ と を 目 的 と す る ．
1 緒言
1.1 移動体通信用パワー半導体モジュールの開発動向
半 導 体 素 子 の 高 集 積 化 ， お よ び ， 内 部 構 造 の 微 細 化 に 伴 い ， そ の 熱 設 計 や 信 頼 性 向 上 の た め ，微 小 ス ケ ー ル で の 温 度 分 布 の 予 測 技 術 の 開 発 が 急 務 と な っ て い る ． 従 来 は ， 半 導 体 素 子 を 搭 載 し た 製 品 の 熱 設 計 と 言 え ば ， メ イ ン フ レ ー ム コ ン ピ ュ ー タ や ワ ー ク ス テ ー シ ョ ン ， あ る い は パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ な ど に 搭 載 さ れ る 演 算 処 理 装 置 (MPU, Micro Processing Unit) の 冷 却 や ，自 動 車 や 鉄 道 車 輌 ，空 調 機 や 電 力 系 統 な ど で 電 力 変 換 用 に 用 い ら れ る パ ワ ー デ バ イ ス モ ジ ュ ー ル の 冷 却 な ど で あ り ， 熱 設 計 の 対 象 と さ れ る 製 品 の 総 発 熱 量 は 10 W 台 の 後 半 か ら 100 W超 ， 大 き い も の で は kWや MW の オ ー ダ ー と な る も の が 主 体 で あ っ た ．
こ の よ う な 発 熱 量 の 大 き な 製 品 の 場 合 ， 搭 載 さ れ る 半 導 体 素 子 内 部 の 構 造 に ま で 熱 設 計 が 踏 み 込 む こ と は 稀 で ， む し ろ ， 製 品 外 部 に 装 着 さ れ る 冷 却 機 構 で あ る ヒ ー ト シ ン ク や 水 冷 モ ジ ュ ー ル な ど に よ り ， 半 ば 強 制 的 に 外 部 環 境 へ 熱 を 排 出 す る こ と が ， 熱 設 計 の 主 目 的 と な っ て い る ． こ の 傾 向 は ， 冷 却 方 式 が 熱 電 素 子 な ど の 電 子 的 冷 却 装 置 を 用 い た 冷 却 設 計 で あ っ て も 基 本 的 に は 不 変 で あ り ， 半 導 体 素 子 内 部 の 素 子 構 造 と ， 素 子 を 冷 却 す る 冷 却 装 置 は 別 々 に 設 計 さ れ ， 製 品 実 装 段 階
（ ア ッ セ ン ブ リ 段 階 ） で よ り 大 き な 製 品 ・ 筐 体 に 統 合 さ れ て き た ．
一 方 ， 発 熱 量 そ の も の は 上 記 の よ う な 製 品 と 比 べ て 1 桁 か ら 2 桁 も 小 さ い に も か か わ ら ず ， 発 熱 に よ り 半 導 体 素 子 の 内 部 温 度 が 非 常 に 高 く な り や す く ， そ の 温 度 の 最 大 値 が 製 品 と し て 許 容 さ れ る 温 度 を 超 え な い よ う な 設 計 を 必 要 と す る 製 品 群 が あ る ．
そ の 代 表 的 な 例 と し て ， 携 帯 電 話 端 末 等 の 移 動 体 通 信 端 末 に 用 い ら れ る パ ワ ー 半 導 体 モ ジ ュ ー ル （ パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル ） が あ る ． 急 ピ ッ チ で 進 行 す る 端 末 搭 載 半 導 体 素 子 の 小 型 化 に よ り ， 送 信 回 路 に お い て 電 流 を 駆 動 す る パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 ， 即 ち ， パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル に 搭 載 さ れ た 半 導 体 素 子 の 内 部 か ら ， モ ジ ュ ー ル 外 部 境 界 ま で の 熱 抵 抗 を 低 減 す る こ と が 重 要 な 課 題 と な っ て き た ．
図 1.1は ，携 帯 電 話 端 末 に 搭 載 さ れ る 各 種 の 電 子 機 器 の う ち ，代 表 的 な も の を 示 し た 図 で あ る ． ま た ， 図 1.2 に そ の シ ス テ ム ブ ロ ッ ク 図 を 示 す ．
携 帯 電 話 端 末 の 本 来 の 機 能 は 高 周 波 無 線 通 信 シ ス テ ム を 用 い て 基 地 局 と 通 信 し ， 携 帯 電 話 端 末 間 ， あ る い は 固 定 電 話 間 と の 音 声 通 信 を 行 う こ と で あ る た め ， そ の 筐 体 内 に は ，図1.2 に 示 す よ う に ，無 線 信 号 を 送 受 信 す る た め の ア ン テ ナ と ，信 号
1 緒言
を 受 信 し て ベ ー ス バ ン ド 部 で 処 理 で き る 周 波 数 に 変 換 し ， ベ ー ス バ ン ド 部 か ら 送 信 さ れ た 信 号 を ア ン テ ナ か ら 送 信 で き る 周 波 数 に 変 換 し て 増 幅 す る 高 周 波 部 （RF 部 ），受 信 信 号 を 処 理 す る ベ ー ス バ ン ド 部 ，ベ ー ス バ ン ド 部 そ の 他 の 回 路 を 駆 動 す る た め の ソ フ ト や 各 種 の 情 報 を 記 憶 す る デ ー タ 記 録 ユ ニ ッ ト ， 情 報 を 画 面 出 力 す る 液 晶 と そ の 駆 動 回 路 な ど が 存 在 す る ．
昨 今 で は ，静 止 画 像 の 撮 影 機 能 は 標 準 的 に 搭 載 さ れ て お り ，W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) 等 の 第3世 代 携 帯 電 話 シ ス テ ム で は テ レ ビ 電 話 機 能 を 搭 載 し た 端 末 も 増 え て い る こ と か ら ， 上 記 の 電 子 機 器 の ほ か に ， カ メ ラ モ ジ ュ ー ル も 搭 載 し た 端 末 が 一 般 的 で あ る ． こ の ほ か ， キ ー ボ ー ド 等 の 入 出 力 機 能 や 外 部 と の イ ン タ ー フ ェ ー ス ， 電 源 ， 電 話 機 に 欠 か せ な い 音 声 処 理 回 路 な ど か ら 携 帯 電 話 端 末 の シ ス テ ム が 構 成 さ れ て い る ． こ の う ち ， 通 信 機 能 の 基 本 的 構 成 で あ る RF 部 と ベ ー ス バ ン ド 部 に つ い て ， さ ら に 詳 し く 分 解 し た の が 図 1.3 に 示 す シ ス テ ム ブ ロ ッ ク 図 で あ る ．
Baseband Section
・Baseband LSI
・Application Processor
RF Section
・Power Amplifier
・RF-IC CMOS/CCD
Camera Module
Antenna
LCD Controller
Data Storage Unit
・HDD
・Memory (Card)
図 1.1 携帯電話端末に搭載される主な電子機器
1 緒言
Duplexer
or
Antenna Switch
Antenna Receiving Circuit
Transmission Circuit Rx VCO
Tx VCO
PLL Baseband Signal Processing
Display, Keyboard Memory Voice Processing
Interface
Power Supply
図 1.2 携帯電話端末のシステムブロック図
1 緒言
Duplexer / Antenna Switch Antenna
Power Amplifier RF-IC
BPF, etc.
VCO
Receiving Circuit
PLL Synthesizer
Radio Frequency (RF) Section Baseband Section
Basband LSI
Application Processor
(CPU) Transmission
Circuit
図 1.3 携帯電話端末の高周波部とベースバンド部のシステムブロック図
複 数 の 帯 域 に 対 応 す る 場 合 ， ア ン テ ナ は 複 数 あ り ， 帯 域 ご と に フ ィ ル タ 類 や RF-IC (Radio Frequency Integrated Circuit)， パ ワ ー ア ン プ の 回 路 が 形 成 さ れ ， ア ン テ ナ ス イ ッ チ に よ り そ れ ぞ れ を 選 択 し て 利 用 す る ．従 っ て ，パ ワ ー ア ン プ の 場 合 も ，一 つ の モ ジ ュ ー ル の 中 に ，一 部 共 有 部 分 が あ る も の の ，複 数 の 帯 域 に 対 応 し た 回 路 が 別 々 に 形 成 さ れ て い る ．製 品 に よ っ て は ，帯 域 ご と に 別 の 半 導 体 モ ジ ュ ー ル を 用 い る 場 合 も あ る ．MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技 術 の 進 展 に よ り ， 複 数 の 帯 域 に 対 応 す る 単 独 の ア ン テ ナ ， フ ィ ル タ ，RF-IC， パ ワ ー ア ン プ 等 の 回 路 が 開 発 さ れ る こ と が 期 待 さ れ て い る が ， そ の よ う な 可 変 容 量 型 の 製 品 は ま だ 実 用 化 に は 至 っ て い な い ．
1 緒言
図 1.3に お い て ，ベ ー ス バ ン ド 部 か ら 出 力 信 号 と し て RF 部 に 戻 さ れ た 信 号 を ア ン テ ナ か ら 送 信 で き る 信 号 に 変 換 す る の が 出 力 回 路 で あ る ． 出 力 回 路 か ら 出 た 信 号 は ， パ ワ ー ア ン プ に よ っ て 増 幅 さ れ た 後 ， ア ン テ ナ か ら 基 地 局 に 送 信 さ れ る ． RF部 を 構 成 す る 各 種 半 導 体 装 置 の う ち ， 受 信 回 路 ， 送 信 回 路 ， 場 合 に よ っ て は そ れ ら を 駆 動 す る 電 圧 制 御 発 信 器 (VCO, Voltage Controlled Oscillator)や PLLシ ン セ サ イ ザ(Phase Locked Loop Synthesizer)な ど は ， 高 周 波 集 積 回 路 (RF-IC, Radio Frequency Integrated Circuit)に 統 合 さ れ て い る ．従 っ て ，RF部 は ，主 に ，ア ン テ ナ と ，分 波 器 も し く は ア ン テ ナ ス イ ッ チ ，フ ィ ル タ ユ ニ ッ ト ，RF-IC，パ ワ ー ア ン プ か ら 構 成 さ れ る ． こ の う ち ， そ の 発 熱 量 の 大 き さ か ら ， 熱 設 計 が 重 要 な 課 題 と な っ て い る の が パ ワ ー ア ン プ で あ る ．
と こ ろ で ， パ ワ ー ア ン プ の 出 力 は ， 携 帯 電 話 が 利 用 す る 帯 域 や 規 格 に よ っ て か な り ば ら つ き が あ る ． 例 え ば ， 日 本 以 外 の ほ ぼ 世 界 中 で 標 準 化 さ れ て い る 第 2 世 代 も し く は 第 2.5 世 代 の 携 帯 電 話 シ ス テ ム で あ る GSM (Global System for Mobile Communication)や 日 本 の PDC (Personal Digital Cellular)で は ， 携 帯 電 話 端 末 か ら の 信 号 出 力 は 1 W〜5 W程 度 で あ る ．パ ワ ー ア ン プ に 供 給 さ れ た 電 力 の 何 割 が 電 波 と し て 送 信 さ れ る か と い う 指 標 と し て ， 電 力 付 加 効 率 (PAE, Power Added Efficiency) が あ る が ，GSM や PDC 用 の パ ワ ー ア ン プ で 50〜60 %程 度 で あ る の で ， 信 号 出 力 と 同 程 度 の 電 力 が パ ワ ー ア ン プ 内 で 消 費 さ れ ， 熱 に 変 換 さ れ て 筐 体 外 へ 放 熱 さ れ る ．
他 方 ，CDMA (Code Division Multiple Access)方 式 の cdmaOne や cdma2000， W-CDMA (Wideband CDMA)で は 信 号 出 力 が 0.2〜0.3 Wで あ る ． こ の た め ，CDMA 用 の パ ワ ー ア ン プ の 電 力 付 加 効 率 は 40〜50 %程 度 と ，GSM 方 式 の も の よ り 効 率 が 低 い に も か か わ ら ず ，パ ワ ー ア ン プ の 発 熱 量 は せ い ぜ い 0.5 W程 度 と な る た め ，パ ワ ー ア ン プ の 内 部 半 導 体 素 子 の 温 度 上 昇 を 抑 制 す る と い う 熱 設 計 の 目 標 か ら は ， GSM系 の 方 が ， 設 計 条 件 が 厳 し い と い う こ と が 言 え る ．
表 1.1は ，第 2 世 代 ，第 2.5世 代 ，第 3 世 代 の 携 帯 電 話 シ ス テ ム（ 規 格 ）と 使 用 す る 帯 域 に つ い て 整 理 し た も の で あ る ． 世 界 各 国 に よ り ， 携 帯 電 話 に 対 し て 使 用 が 認 め ら れ る 帯 域 が 異 な る た め ，い く つ か の グ ル ー プ が 存 在 す る が ，主 に 800〜900 MHzの 帯 域 と 1.5〜2.1 GHz の 帯 域 で 携 帯 電 話 が 利 用 さ れ て い る こ と が わ か る ． な お ， 日 本 国 内 に つ い て は ，2005年 度 に 新 し く 1.7 GHz 帯 と2 GHz 帯 を 利 用 し た 移 動 体 通 信 サ ー ビ ス が 企 業 三 社 に 対 し て 認 可 さ れ て い る ．
問 題 は ，こ れ ら の シ ス テ ム が 並 存 し て い る こ と で あ る ．例 え ば ，第 2.5 世 代 の 世 界 的 標 準 シ ス テ ム で あ るGSMは 今 で も ユ ー ザ が 増 加 し て お り ，一 方 で 欧 州 や 北 米 ，
1 緒言
ア ジ ア の 都 市 部 か ら 第 3 世 代 の W-CDMAや cdma2000が 普 及 し つ つ あ る ．
こ の よ う な 複 数 の 世 代 の シ ス テ ム が 混 在 す る と い う 現 象 は ，イ ン フ ラ の 整 備 が ， 核 と な る 大 都 市 圏 か ら 始 ま り ， 徐 々 に 過 疎 地 域 へ 広 が っ て い く こ と や ， 信 号 の 伝 送 レ ー ト を 上 げ る た め に 高 周 波 の 帯 域 を 利 用 す る よ う に な る と ， 電 波 の 直 進 性 や 減 衰 性 の 問 題 か ら ， 基 地 局 の 設 置 密 度 を 高 く し な け れ ば な ら ず ， 世 界 的 に 見 る と 都 市 部 以 外 で は 第 3 世 代 の サ ー ビ ス 網 が な か な か 広 が ら な い こ と ， な ど を 考 慮 す る な ら ば ，今 後 も 長 期 に わ た っ て 継 続 す る と 予 想 さ れ る ．800〜900 MHz帯 の GSM や PDC は ， 基 地 局 間 の 距 離 を 数 km の 間 隔 で 置 け ば よ い た め ， 都 市 部 以 外 で も サ ー ビ ス 網 を 確 保 す る こ と が で き る た め で あ る ．
一 方 ， 携 帯 電 話 サ ー ビ ス プ ロ バ イ ダ に と っ て は ， 自 社 の サ ー ビ ス エ リ ア 内 で の 並 存 シ ス テ ム の カ バ ー 率 を 100 %に 保 つ か ，複 数 の シ ス テ ム に 対 応 す る ，マ ル チ バ ン ド 対 応 の 機 種 を 投 入 す る こ と に よ り ，例 え ば W-CDMAの サ ー ビ ス 網 か ら は ず れ た 地 域 で は GSM や PDC の 機 能 を 保 証 す る こ と に よ り ， サ ー ビ ス プ ロ バ イ ダ 会 社 間 の 競 争 力 を 確 保 す る 必 要 が あ る ． 同 様 に ， 同 一 の 携 帯 電 話 で ， 世 界 中 の ど こ に 行 っ て も ， プ ロ バ イ ダ 間 の ロ ー ミ ン グ に よ り ， 電 話 が 使 え る と い う サ ー ビ ス が 望 ま れ て お り ， 実 現 し つ つ あ る ．
実 際 に は ，GSM だ け で も ，GSM900と 1800の デ ュ ア ル バ ン ド ，GSM900と 1800， 1900の ト リ プ ル バ ン ド ，GSM850を 加 え た ク ワ ド ラ プ ル バ ン ド 対 応 の 機 種 が あ り ， GSM 規 格 に 基 づ い た デ ー タ 通 信 規 格 で あ る ，EDGE (Enhanced Data GSM Environment)機 能 の 対 応 も 必 要 と さ れ て い る ． こ れ に さ ら に W-CDMA を 加 え る と バ ン ド 数 で 5バ ン ド ，シ ス テ ム と し て は デ ュ ア ル シ ス テ ム へ の 対 応 が 必 要 と な る ． そ れ ぞ れ の 帯 域 ご と に 携 帯 電 話 の RF 部 の 回 路 を チ ュ ー ニ ン グ し な け れ ば な ら な い た め ， 一 般 に は ， 帯 域 ご と に ， パ ワ ー ア ン プ な ら パ ワ ー ア ン プ を 設 計 し ， そ れ を 一 つ の 素 子 や 一 つ の モ ジ ュ ー ル に 搭 載 し て 製 品 化 す る 方 向 で 開 発 が 進 め ら れ て い る ．
つ ま り ，見 か け は 一 つ の マ ル チ バ ン ド 用 の パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル で あ っ て も ， 帯 域 ご と に 入 出 力 や 制 御 用 の 電 極 の 位 置 が 別 々 に 存 在 し ， モ ジ ュ ー ル の 中 で は ， 一 つ の 半 導 体 素 子 の 中 に 複 数 の 帯 域 用 の 回 路 が 並 列 に 形 成 さ れ て い る か ， 複 数 の 半 導 体 素 子 が 配 線 基 板 の 上 に 面 方 向 か 厚 さ 方 向 に 並 列 配 置 さ れ て い る 場 合 が 多 い ． ア ン テ ナ を 含 め ， 端 末 が 置 か れ て い る 環 境 で 利 用 可 能 な 帯 域 ・ 規 格 用 の ア ン テ ナ や 送 受 信 回 路 を ， ス イ ッ チ に よ り 切 り 替 え て 使 用 し て い る ． 将 来 的 に は ， 複 数 の 帯 域 ・ 規 格 に 一 つ の 回 路 で 対 応 す る ， 可 変 容 量 型 の デ バ イ ス を 開 発 す る こ と で 製 品 の 寸 法 が さ ら に 小 さ く な る こ と が 期 待 さ れ る が ， 実 用 化 に は 至 っ て い な い ．
1 緒言
こ の た め ， 従 来 の シ ン グ ル も し く は デ ュ ア ル バ ン ド 対 応 の パ ワ ー ア ン プ と 比 べ る と ， 見 か け の モ ジ ュ ー ル の 寸 法 は そ の ま ま で も ， 多 数 の 帯 域 に 対 応 し た 回 路 が 埋 め 込 ま れ る よ う に な っ た ． 即 ち ， マ ル チ バ ン ド 対 応 化 の た め に ， パ ワ ー ア ン プ の 実 装 密 度 が 高 ま る 傾 向 が 続 い て い る の で あ る ．
表 1.1 第 2 世代，第 2.5 世代，第 3 世代携帯電話システムの周波数帯域
DCS(1.8GHz)*
GSM900(900MHz) EU, Asia, etc.
PDC (1.5GHz) PDC (800MHz)
Japan
PHS (1.9GHz) Japan
PCS(1.9GHz)*
GSM850(850MHz) US
1.5 - 1.9GHz 800 - 900MHz
Area
2G & 2.5G GSM System for Worldwide (TDMA)
2.5G & 3G CDMA System for Worldwide (CDMA)
*PCS = GSM1900, DCS = GSM1800
cdma2000(2GHz)*
cdma2000(800MHz)*
US, Japan, etc.
W-CDMA(1.7,2GHz)*
EU, Japan, etc
cdmaOne (800MHz)*
US, Japan, etc.
1.5 - 2GHz 800 - 900MHz
Area
*800MHz = In Japan
IMT-2000で 携 帯 電 話 サ ー ビ ス プ ロ バ イ ダ に 推 奨 さ れ て い る 帯 域 は 以 下 の3帯 域 ． A Block : 824 MHz – 960 MHz
B Block : 1.71 GHz – 2.025 GHz, 2.11 GHz – 2.17 GHz C Block : 2.5 GHz – 2.69 GHz
1 緒言
パ ワ ー ア ン プ の 高 密 度 実 装 化 の 趨 勢 は ， マ ル チ バ ン ド 対 応 以 外 に も う 一 つ の 要 因 が あ っ て 進 ん で い る ． そ れ は ， 携 帯 電 話 端 末 製 造 業 者 （ セ ッ ト メ ー カ ） か ら ， 常 時 ， 低 価 格 化 お よ び 省 寸 法 化 が 要 求 さ れ て い る と い う こ と で あ る ．
図 1.4は 携 帯 電 話 端 末 用 の パ ワ ー ア ン プ の モ ジ ュ ー ル 面 積（ パ ッ ケ ー ジ 面 積 ）の 減 少 ト レ ン ド を 示 し た も の で あ る ． 携 帯 電 話 本 体 の 寸 法 は ， 使 用 者 で あ る 人 間 の 手 の サ イ ズ が そ れ ほ ど 変 わ ら な い こ と か ら ， 機 能 が 増 え て も あ ま り 変 化 し な い ． 一 方 ，既 に 述 べ た よ う に ，携 帯 電 話 の 高 機 能 化 は 継 続 的 に 進 ん で い る ．こ の た め ， 搭 載 さ れ る 部 品 の 寸 法 は 常 時 省 寸 法 化 を 要 求 さ れ る こ と と な る ． 他 方 ， 機 能 が 増 え て も 端 末 の 単 価 は そ れ ほ ど 上 げ ら れ な い た め ， 半 導 体 製 品 の 価 格 は そ の 面 積 で 決 ま る と い う 市 場 の 慣 例 が あ る こ と か ら ， 部 品 サ イ ズ を 小 さ く し ， か つ ， 価 格 を 下 げ ろ と い う 圧 力 が 生 じ る の で あ る ．
こ れ に 対 し ， パ ワ ー ア ン プ 等 の 部 品 を 提 供 す る と い う 視 点 に 立 つ と ， 機 能 を 高 機 能 化 し つ つ サ イ ズ を 縮 小 し ， 単 価 を 下 げ る と い う の は ， 事 業 の 継 続 と い う 観 点 か ら は 好 ま し く な い ．図 1.4か ら わ か る よ う に ，製 品 寸 法 の 低 減 に も 限 界 が あ る 上 ， 単 価 が 半 分 に な れ ば 倍 の 数 を 売 ら な け れ ば 売 上 を 維 持 で き な い ． な お ， 売 却 時 の 単 価 に 占 め る 利 益 の 割 合 が 低 価 格 化 に よ っ て 下 が れ ば ， 単 純 に 倍 の 数 を 売 っ て も 事 業 の 維 持 は 困 難 と な る ． こ の た め ， パ ワ ー ア ン プ だ け で マ ル チ バ ン ド 対 応 化 す る と い う ト レ ン ド の ほ か に ，図 1.3に 示 す RF 部 の 構 成 部 品 を 統 合 化 し て ，付 加 価 値 を 高 め る こ と に よ り ， 売 上 と 利 益 水 準 の 維 持 を 図 る と い う 動 向 が 生 じ て き た ． も ち ろ ん ， 付 加 価 値 を 高 め る と い う こ と は ， 一 方 で ， 当 該 事 業 か ら 撤 退 す る 事 業 主 体 が 存 在 す る こ と を 意 味 し て い る ．
以 上 ， 携 帯 電 話 端 末 用 の パ ワ ー ア ン プ の 開 発 動 向 を 整 理 す る と ， 以 下 の よ う に な る ．
(1) 第 2.5 世 代 と 第 3 世 代 共 存 ， 世 界 的 な ロ ー ミ ン グ の た め の マ ル チ バ ン ド 化 (2) 生 き 残 り の た め の 統 合 モ ジ ュ ー ル 化
(3) 個 々 の 部 品 ベ ー ス で の 省 寸 法 化
こ の 結 果 ， 標 準 的 な モ ジ ュ ー ル 構 造 ， パ ッ ケ ー ジ 構 造 と い う も の は 存 在 せ ず ， 常 時 製 品 の 形 状 ， 寸 法 ， 材 料 が 変 わ っ て お り ， 熱 の 問 題 を 含 め ， 代 表 的 な ス ペ ッ ク を 入 力 す れ ば 即 座 に 性 能 が 予 測 で き る よ う な 設 計 は 不 可 能 で あ る ． ま た ， 省 寸 法 化 が 著 し い た め ， 同 じ 発 熱 量 で あ っ て も 発 熱 密 度 が 常 時 増 加 し て し ま い ， 製 品 と し て 許 容 さ れ る 温 度 以 下 に 素 子 内 部 の 温 度 を 抑 制 す る こ と は 大 変 重 要 な 開 発 課 題 と し て 存 在 し 続 け て い る の で あ る ．図1.4 に お い て ，モ ジ ュ ー ル 全 体 の パ ッ ケ ー ジ 面 積 は 数 10 mm2で あ る が ，電 力 増 幅 部 の 回 路 面 積 は 発 熱 す る 半 導 体 素 子 全 体 で あ
1 緒言
っ て も せ い ぜ い 数 mm2程 度 で あ り ， 素 子 レ ベ ル の 発 熱 密 度は数 100 W/cm2と，コ ン ピ ュ ー タ の MPU と 同 レ ベ ル に 達 し て い る ．後 述 す る が ，こ れ を 冷 や さ ず に 温 度 上 昇 を 抑 制 す る こ と が ， 携 帯 電 話 端 末 に 搭 載 さ れ る 発 熱 素 子 の 熱 設 計 上 の 目 標 で あ る ．
Ar ea of Pack ag e [ % ]
120 100 80 60 40 20
0 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 Year Dual Band
Single Band
図 1.4 携帯電話端末用パワーアンプモジュールの実装面積の推移
2000年 の デ ュ ア ル バ ン ド 用 製 品 の 実 装 面 積 を100と し た 場 合 の 一 例
1 緒言
1.2 携帯電話の利用実態
上 記 の よ う な パ ワ ー ア ン プ の 熱 設 計 上 の 目 標 に つ い て ， 従 来 の 熱 設 計 で は ， 想 定 さ れ る 使 用 条 件 の う ち 最 も 過 酷 な 場 合 ， 例 え ば ， 環 境 温 度 が 製 品 仕 様 の 上 限 で あ る 場 合 に 最 大 定 格 出 力 で 信 号 を 出 し 続 け た 場 合 で も ， 素 子 温 度 が 許 容 温 度 以 下 を 保 つ こ と を 設 計 目 標 仕 様 と し て き た ． 本 論 文 に お い て も ， 後 述 す る パ ワ ー ア ン プ の 熱 設 計 の 検 討 で は ， 素 子 温 度 の 許 容 値 の 上 限 と 最 も 過 酷 な 場 合 の 環 境 温 度 の 差 を 最 大 定 格 時 の 発 熱 損 失 で 除 し た 値 を ， 熱 抵 抗 の 目 標 仕 様 と 定 義 し て 議 論 を 進 め る ．
但 し ， こ の 目 標 仕 様 で は ， 現 実 の 製 品 の 発 熱 動 作 を 考 え る と オ ー バ ー ス ペ ッ ク に な る 可 能 性 が あ る ． そ こ で ， ま ず は 日 本 国 内 の 携 帯 電 話 の 利 用 実 態 を 公 的 な 統 計 デ ー タ を 元 に 調 査 し た ．
平 成 17 年 度 の 情 報 通 信 白 書[1-1]に よ る と ， 携 帯 電 話 ，PHS (Personal Handyphone System)， 固 定 回 線 そ れ ぞ れ の ， 通 信 1 回 当 た り の 通 信 時 間 の 割 合 が 以 下 の よ う に 示 さ れ て い る ．
通 信 手 段 通 話 60 秒 未 満 通 話 120 秒 未 満 通 話 180秒 未 満
PHS 47.4 % 65.1 % 72.7 %
携 帯 電 話 60.6 % 79.0 % 86.5 %
固 定 回 線 57.0 % 75.2 % 82.9 %
上 記 の 結 果 に よ れ ば ， 携 帯 電 話 の 場 合 ， 通 話 を 開 始 し て １ 分 以 内 に 切 断 す る 人 が 約 6 割 ，2分 以 内 に 切 断 す る 人 が 約 8 割 ，3分 以 内 に 切 断 す る 人 が 約 8 割 7分ほ ど で あ る こ と が わ か る ． こ れ よ り 長 く 通 信 す る の は ， 長 電 話 を す る 場 合 か ， デ ー タ 通 信 を し て い る 場 合 で あ る と 推 測 で き る ．つ ま り ，ほ と ん ど の 人 は 2〜3 分 程 度 の 時 間 で 通 話 ・ 通 信 を 切 り 上 げ て お り ， 仮 に 最 大 定 格 で 信 号 を 送 信 す る と し て も ， や は り 2〜3 分 程 度 で 発 熱 動 作 は 終 了 す る と 考 え ら れ る ．最 大 定 格 で 信 号 を 送 る よ う な 条 件 で は ， そ も そ も ， 回 線 の つ な が り 具 合 も よ く な い し ， 仕 様 と し て 想 定 し て い る 環 境 温 度 の 上 限 を 仮 に 370 K （100℃ 弱 ）程 度 と 仮 定 す る と ，こ の よ う な 環 境 温 度 で 長 時 間 に わ た り 通 話 や 情 報 通 信 を す る こ と は あ ま り 現 実 的 で は な い ． 図 1.5は ，あ る パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 実 装 構 造 に つ い て ，携 帯 電 話 筐 体 の マ ザ ー ボ ー ド （ プ リ ン ト 基 板 ） に パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル を は ん だ で 搭 載 し ， 大 気 中 に 放 置 し て 自 然 放 熱 さ せ た 場 合 の 発 熱 時 間 と 温 度 上 昇 の 関 係 を 示 し た も の で あ る ． こ こ で は ， プ リ ン ト 板 上 に 搭 載 し た パ ワ ー ア ン プ の 温 度 上 昇 の 時 定 数 を 議 論 す る の が 目 的 で あ る た め ， モ デ ル の 詳 細 や 条 件 に つ い て は 示 さ な い が ， ほ ぼ ， 発
1 緒言
熱 動 作 を 開 始 し て 100 秒 程 度 で 温 度 が 一 定 の 値 に 達 し ，そ の 後 は 発 熱 時 間 ，即 ち ， 通 信 時 間 が 延 び て も ほ と ん ど 温 度 が 変 わ ら な い こ と が わ か る ．
つ ま り ， プ リ ン ト 基 板 を 含 む パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 実 質 的 な 熱 的 な 時 定 数
（ 熱 時 定 数 ）は ，100 秒 程 度 と 考 え れ ば よ い ．プ リ ン ト 基 板 と 携 帯 電 話 筐 体 と の 間 の 接 触 熱 伝 達 に よ り 筐 体 に 熱 が 伝 え ら れ ， さ ら に 筐 体 の 熱 容 量 に 依 存 す る 熱 時 定 数 が 加 わ る た め ， 通 常 の 使 用 条 件 で は ， 数 分 程 度 の 連 続 通 信 で は パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル 内 の 温 度 上 昇 が 飽 和 す る と は 考 え に く い ． 即 ち ， 仕 様 と し て 想 定 す る 最 も 過 酷 な 温 度 条 件 に お い て 最 大 定 格 で 連 続 発 熱 す る と い う こ と は ほ と ん ど な く ， こ の ま ま の 仕 様 で 設 計 す る こ と は オ ー バ ー ス ペ ッ ク と な る 可 能 性 が 高 い の で あ る ． 上 記 の よ う な パ ワ ー ア ン プ の 熱 設 計 上 の 問 題 点 を ま ず こ こ で 整 理 し て お き た い ． (1) パ ワ ー ア ン プ の 熱 設 計 仕 様 と し て の 熱 抵 抗 は ，上 記 の よ う に ，使 用 温 度 条 件 の
最 高 温 度 に お い て 最 大 定 格 出 力 で 発 熱 し た 場 合 に ，素 子 内 部 の 温 度 が 後 述 す る 不 良 発 生 率 基 準 の 許 容 温 度 以 下 に 保 た れ る べ き で あ る と し て 目 標 値 を 設 定 さ れ る ．
(2) 携 帯 電 話 端 末 セ ッ ト メ ー カ 側 が 決 定 す る 筐 体 や プ リ ン ト 基 板 の 構 造 ，寸 法 ，材 料 に よ り ，筐 体 外 壁 か ら パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル 内 部 ま で の 熱 抵 抗 や 熱 時 定 数 が 異 な る も の の ，最 大 定 格 運 転 時 の 温 度 上 昇 が 製 品 内 で 実 現 さ れ る こ と は ほ と ん ど 存 在 し な い ．こ の た め ，モ ジ ュ ー ル 内 部 で の 温 度 を モ ニ タ ー し て お き ，許 容 値 を 超 え る 場 合 は パ ワ ー ア ン プ の 出 力 を 制 限 す る 方 が 現 実 的 な 考 え 方 で あ る 場 合 が 多 い ．例 え ば ，情 報 通 信 の た め に 常 時 接 続 す る の は 電 波 状 況 の よ い 場 合 に 限 ら れ る た め ，常 時 接 続 の 場 合 は 出 力 を 絞 っ て 回 路 を 保 護 す る か ，最 も 過 酷 な 温 度 条 件 に お い て 最 大 定 格 で 出 力 す る 場 合 は 短 時 間 で も 通 信 が で き る こ と に 意 味 が あ る の で ， 通 話 時 間 を 絞 っ て 回 路 を 保 護 す る 等 の 対 策 を 施 す ． (3) 但 し パ ワ ー ア ン プ 製 造 業 者 側 の 企 業（ ベ ン ダ ー ）と し て は ，顧 客 で あ る 携 帯 電
話 端 末 セ ッ ト メ ー カ に 対 し て ，最 悪 環 境・最 大 定 格 時 の 最 高 温 度 を ス ペ ッ ク と し て 保 証 し な け れ ば な ら な い ．従 っ て ，熱 設 計 に 対 す る 要 求 は 常 時 オ ー バ ー ス ペ ッ ク と な っ て い る 可 能 性 が 高 い ．
次 節 で 携 帯 電 話 端 末 用 パ ワ ー ア ン プ モ ジ ュ ー ル の 熱 設 計 に お け る 課 題 を 整 理 す る が ， そ も そ も ， 上 記 の よ う な 問 題 点 が 存 在 す る こ と が 設 計 上 の 難 し さ と な っ て い る の で あ る ．
1 緒言
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1.00E-01 1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 Operating Time [sec]
Increased Temperature from Ambient [K/W]
図 1.5 携帯電話端末用パワーアンプモジュールの過渡温度応答の一例
