JPS644345B2

JPS644345B2 -

Info

Publication number: JPS644345B2
Application number: JP58244537A
Authority: JP
Inventors: Toshuki Saito; Hisafumi Ookubo; Yoshiaki Kaneko; Yasuyuki Tokumitsu
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1983-12-27
Filing date: 1983-12-27
Publication date: 1989-01-25
Also published as: JPS60138946A

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の技術分野本発明はマイクロ波、ミリ波用の高周波トラン
ジスタ、ダイオード等の発熱性半導体素子を用い
て形成した固体増幅器、発振器等の固体回路部品
を具備して構成される高周波固体装置に関し、特
に、冷却媒体として液体を用いた液冷型高周波固
体装置に関するものである。

(ロ) 技術の背景前述したように、この種の高周波固体装置に
は、高周波トランジスタ、ダイオード等の発熱性
半導体素子が用いられているため、これら発熱性
半導体素子の発生熱を奪熱・放散して、これらの
半導体素子をその機能保証温度以下に冷却して保
つ必要がある。

従来の高周波固体装置の冷却法としては、後述
するように、自然空冷法、強制空冷法があるが、
装置の小形化、高密度化によつて、効率的な冷却
が困難となつている。ところで、冷媒として液体
を用いて発熱体をこの液体中に浸漬し、液体の気
化と凝縮作用によつて冷却するという方法があ
る。この液冷方法は、空冷に比べて冷却効率を著
しく増大できるということが知られており、各技
術分野でその応用が進められている。本発明はこ
の液冷方法を応用して液冷型高周波固体装置を構
成したものである。

しかしながら、この液冷方法を高周波固体装置
に応用した場合、冷媒（液体）の比誘電率が空気
と異なるため、高周波特性の変化（振幅変調等）
が生ずるという問題や、冷媒の温度上昇に伴つて
生ずる高周波特性の温度依存性の増大化等の問題
がある。従つて、液冷型高周波固体装置として
は、良好な冷却機能を有し、上述の問題点を解消
し得るものであることが要望される。

(ハ) 従来技術と問題点第１図は、固体回路部品の一例として、マイク
ロ波増幅器を備えた従来の高周波固体装置１０を
示す図である。同図において、符号１１は装置本
体、１２は複数個の放熱フイン１２ａを有し装置
本体１１に密着固定された放熱ブロツクをそれぞ
れ示す。装置本体１１には、発熱性半導体素子で
ある電界効果トランジスタ（FET）１３が搭載
され、このFET１３の両側に整合回路１４，１
５がそれぞれ形成され、これらのFET１３と整
合回路１４，１５とが互に電気的に接続されてマ
イクロ波集積回路が形成されている。符号１６は
一方の入力コネクタあるいは出力コネクタであつ
て整合回路１５に電気的に接続されている。この
従来例１０は、FET１３の発生熱が本体１１の
底板を通つて放熱ブロツク１２に熱伝導し、次い
で放熱フイン１２ａを介して自然空冷又は強制空
冷によつて放熱されるように構成されている。し
かしながら、この従来例10は、自然空冷の場合
で、その冷却能力（放熱能力）が0.2W／cm²程度
であり、強制空冷の場合でも1W／cm²程度である
ため、FET１３を多数個用いて実装密度を上げ
ると充分な冷却をすることができず、止むを得ず
FET１３の相互間隔を広げる必要がある。この
ため、この従来例10は、FET１３相互の接続ラ
インが長くなり、高周波損失が増大して高周波出
力が減少するという問題がある。

(ニ) 発明の目的本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑
み、液冷法を応用して構成したものであつて、放
熱効率が良好であり、発熱性半導体素子が高密度
に実装された場合でも充分に冷却することがで
き、高周波損失や高周波特性の変化（振幅変調
等）を低減化することができる液冷型高周波固体
装置を提供することにある。

(ホ) 発明の構成そして、上記目的を達成するために、本発明に
依れば、低沸点の冷却液を封入した密閉容器の少
くとも上方壁に冷却液蒸気の吸放熱手段を形成
し、固体増幅器、発振器等の固体回路部品を前記
密閉容器の冷却液中に浸漬して構成される液冷型
高周波固体装置であつて、前記固体回路部品を、
上側に開口部を有する凹形筐体の底壁上に高周波
トランジスタ、ダイオード等の発熱性半導体素子
及び入出力整合回路を具備して形成すると共に前
記凹形筐体の左右側壁相互の平行間隔寸法を前記
整合回路における動作周波数のカツトオフ寸法に
設定して形成したことを特徴とする液冷型高周波
固体装置が提供される。

(ヘ) 発明の実施例以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。

第２図から第１０図は本発明の実施例及び応用
例を説明するための図である。

第２図は固体回路部品２５の一例としてマイク
ロ波固体増幅器を備えた本発明の第１実施例２０
の側面断面図、第３図は第２図のＡ―A′線断面
図、第４図は第２図の固体回路部品の単体平面
図、第５図は第４図のＢ―B′線断面図である。
これらの図において、符号２０は装置（第１実施
例）全体を示し、２１は密閉容器、２２は容器本
体、２３は天蓋（上方壁）兼用の放熱ブロツク、
２４は冷媒としての冷却液、２５は固体回路部
品、２６は固体回路部品２５を構成する凹形筐
体、２７は凹形筐体２６の底壁２６ａ上に搭載さ
れた電界効果トランジスタ（FET：発熱性半導
体素子）、２８は入力整合回路（第４図）、２９は
出力整合回路（第４図）、３０，３１は接続同軸
ケーブル、３２と３３は放熱ブロツク２３に装着
された入力コネクタと出力コネクタをそれぞれ示
す。密閉容器２１は、容器本体２２と、この本体
２２上に密着固定された天蓋兼用の放熱ブロツク
２３とから構成される。これらの容器本体２２及
び放熱ブロツク２３は熱伝導率の良好な銅、アル
ミニウム等の材料から形成される。放熱ブロツク
２３はその上下面上に複数個の放熱フイン２３ａ
と吸熱フイン２３ｂがそれぞれ一体化して設けら
れている。冷媒としての冷却液２４は、化学的に
不活性で電気絶縁性が優れている等の性質を有す
るフレオン、ふつ化炭素等の低沸点液体が用いら
れ、液面２４ａ上に適宜な空隙を残して密閉容器
２１内に封入されている。尚、この空隙部は、通
常は冷媒蒸気で満たされている。固体回路部品２
５は接続同軸ケーブル３０と３１を介して入力コ
ネクタ３２と３３にそれぞれ接続されると共に、
冷却液２４中に浸漬され適宜に保持されている。

固体回路部品２５は、この場合はマイクロ波固
体増幅器として形成されたもので、その単体構造
は第４図と第５図に示す如くである。すなわち、
これら両図において、固体回路部品２５は、主と
して凹形筐体２６と、該筐体２６の底壁２６ａ上
に搭載された電界効果トランジスタ（FET；発
熱性半導体素子）２７と、同じく底壁２６ａ上に
搭載された回路基板３４，３５上にそれぞれ形成
された入力整合回路２８と出力整合回路２９とか
ら構成される。凹形筐体２６は、熱伝導率の良好
な銅、黄銅等の材料から形成され、その底壁２６
ａ上に長手方向に沿つて平行状に左右の側壁２６
ｂ，２６ｃが直立して固着され、両端面に端壁３
６，３７がそれぞれ固着されて構成される。
FET２７は底壁２６ａ上の略中央部に固着され
て搭載されている。入・出力整合回路２８，２９
は、FET２７の前後に隣接して搭載された誘電
体回路基板３４，３５上に設けられた導体膜パタ
ーン２８ａ，２９ａや他の回路素子（図示なし）
からそれぞれ形成される。そして、入・出力整合
回路２８，２９は、端壁３６，３７に装着された
入・出力コネクタ３８，３９とそれぞれ電気的に
接続される。これらの入・出力コネクタ３８，３
９は第１図に示すように接続同軸ケーブル３０，
３１にそれぞれ接続される。底壁２６ａ及び左右
の両側壁２６ｂ，２６ｃは共に厚板状に形成さ
れ、伝熱容量が大となるように考慮されている。
従つて、FET２７の発生熱は効率良く底壁２６
ａから左右両側壁２６ｂ，２６ｃに熱伝導してこ
れら両側壁２６ｂ，２６ｃから放熱される。ま
た、両側壁２６ｂ，２６ｃ相互の平行間隔寸法Ｗ
は整合回路２８，２９における電気信号の動作周
波数（）に対応する波長（λ）の２分の１又は
それ以下に設定されている。すなわち、λ＝2a
とすると、ＷはＷ≦ａとなるように設定されてい
る。このＷ寸法は、一般にカツトオフ寸法と呼ば
れているものである。このように平行間隔寸法Ｗ
をカツトオフ寸法に設定することにより、整合回
路２８，２９からもれ出したなる周波数の電磁
波を両側壁２６ｂ，２６ｃ間において遮断するこ
とができる。すなわち、このような遮断手段がな
い場合は、整合回路２８，２９からもれ出した電
磁波は冷却液２４（第２図参照）中を上昇して液
面２４ａで反射され、再び整合回路２８，２９に
戻る。ところが、冷却液２４中には、後述するよ
うに、冷却液２４の沸騰気泡４０（第２図参照）
が混在し、この気泡４０によつてその部分の誘電
率が変化されることにより、またこの気泡４０に
よつて液面２４ａが変動されることにより、もれ
電磁波の反射が不安定となり、この結果、整合回
路２８，２９における高周波特性の変化（振幅変
調等）が生ずることになる。従つて、上述の如き
遮断手段を設けることにより、もれ電磁波が液面
２４ａまで上昇するのを抑制することができるの
で、安定した高周波特性を得ることができる。

本実施例２０は上述の如く構成されたものであ
り、その冷却作用（放熱作用）は次のようにして
行なわれる。すなわち、FET２７の発生熱は、
前述したように、主として両側壁２６ｂ，２６ｃ
にその大部分が効率良く熱伝導し、その両側壁２
６ｂ，２６ｃを介して冷却液２４に吸熱される。
冷却液２４はこの吸熱によつてその一部が沸騰し
て気化され、沸騰気泡４０となつて冷却液中を上
昇する。またFET２７の上面からも気泡４０が
発生して上昇する。すなわち、このような冷却液
２４の気化熱によつてFET２７の発生熱が奪熱
され、FET２７が効率良く冷却される。さて、
上昇した気泡４０は冷却液２４の液面２４ａに達
し、さらに液面２４ａから蒸気となつて放熱ブロ
ツク２３の吸熱フイン２３ｂに達し、この吸熱フ
イン２３ｂによつて奪熱され、再び液化（凝縮）
されて冷却液面２４ａに滴下する。一方、吸熱フ
イン２３ｂに吸熱された熱は吸熱フイン２３ａに
よつて外部に効率良く放散される。このような吸
熱及び放熱作用により、冷却液２４の気化及び液
化（凝縮）作用が連続的にくり返される。これに
より、FET２７は連続的に効率良く冷却され、
その機能保証温度以下に安定して保つことができ
る。また、本実施例２０は、前述したように凹形
筐体２６の底壁２６ａ及び両側壁２６ｂ，２６ｃ
が分厚く形成され伝熱容量が大となるようにかつ
放熱面積が大となるように形成されているので、
FET２７の発生熱の熱伝導（奪熱）及び放熱が
非常に良好に行なわれる。このためFET２７を
高密度に実装した場合でも、これらのFET２７
を良好に冷却することができ、高周波損失を最少
限に抑制することができる。さらに、凹形筐体２
６の両側壁２６ｂ，２６ｃ相互の平行間隔寸法Ｗ
をカツトオフ寸法に設定したため、高周波特特性
の変化（振幅変調等）を最少限に抑制することが
でき、安定した高周波特性を得ることができる。

第６図と第７図は本発明の第２実施例を説明す
るための図であつて、前出の第１実施例20の固体
回路部品２５（第４，５図参照）に相当する固体
回路部品２５′を示す図であり、第６図はその平
面図、第７図は第６図のＣ―C′線断面図である。
この第２実施例はその固体回路部品の構造が第１
実施例20と若干異なるのみでその他の構成は第１
実施例20と同一であるため、その全体構成図は省
略する。さて、本実施例の固体回路部品２５′は、
基本的には第１実施例20の固体回路部品２５と同
様に形成されたものであるが、FET２７に対向
る凹形筐体２６′の両側壁２６′ｂ，２６′ｃ内側
部に上下方向の逃げ溝２６′ｄ，２６′ｅを設けた
点が異なつている。すなわち、周波数（）が非
常に高い場合はその波長（λ）は当然のことなが
非常に小さい。従つて、このような場合は、前出
の第１実施例20で述べた理由から、カツトオフ寸
法Ｗが非常に小さく設定される。一方、沸騰気泡
４０（第２図参照）の大きさ（泡径）は、冷却液
２４の種類やその他の条件によつて多少異なるが
大体0.2mm程度である。従つて、この気泡４０が
円滑に上昇運動するためには、両側壁２６′ｂ，
２６′ｃの平行間隔寸法を気泡４０の大きさの５
倍以上に設定する必要がある。このように周波数
（）が非常に高く、カツトオフ寸法Ｗを非常に
小さく設定する必要がある場合は、FET２７に
対向する両側壁２６′ｂ，２６′ｃの内側部に上下
方向の溝２６′ｄ，２６′ｅをそれぞれ形成して、
これら両者２６′ｄ，２６′ｅ相互の間隔寸法W₁
を拡大することにより、FET２７の上面部から
の気泡４０を円滑に上昇させることができる。こ
れにより、冷却作用が円滑に行なわれる。従つ
て、本実施例は、特に、周波数（）の高い装置
に適しており、その他の作用、効果は第１実施例
20と同様である。

第８図は本発明の第１応用例を示す図で、固体
回路部品２５又は２５′が複数個配列された場合
の例を示す図である。尚、本応用例の全体構成は
前出の第１実施例20と略同様な要領で構成される
ので、その全体構成図は省略する。第８図におい
て、符号４１は分配器、４２は合成器、４３と４
４は分配器４１と合成器４２にそれぞれ接続され
た入・出力用同軸ケーブルを示す。図示の如く、
複数個の固体回路部品２５又は２５′が同一円周
上に所定間隔をもつて放射状に配列され、かつ
FET２７の搭載面、すなわち各凹形筐体２６，
２６′の底壁２６ａ，２６′ａ（第４図〜第７図参
照）の上面が上方に面するように配置されてい
る。そして、各固体回路部品２５，２５′の入・
出力側は接続同軸ケーブル３０，３１を介してそ
れぞれ分配器４１と合成器４２に接続されてい
る。入・出力用同軸ケーブル４３，４４は前出の
第２図（第１実施例）における入・出力コネクタ
３２，３３に相当する入・出力コネクタに接続さ
れる。このように複数個の固体回路部品２５，２
５′を用いた高周波固体装置においては合成効率
が非常に重要である。本応用例は、このように固
体回路部品２５，２５′との接続同軸ケーブル３
１の長さを短縮化することができ、このため、合
成効率を高めることができるという利点がある。
そして、本応用例のその他の作用、効果は前出の
第１実施例20と同様である。

第９図と第１０図は本発明の第２の応用例を示
す図で、固体回路部品２５又は２５′が複数個配
列された場合の例を示す図であり、第９図は側面
図、第１０図は第９図のＤ―D′線正面図である。
尚、本応用例の全体構成図は前出の第１実施例20
と略同様であるので省略する。図示のように、上
下の固体回路部品２５，２５′が互い違いになる
ように配列され、かつFET２７の搭載面、すな
わち、各凹形筐体２６，２６′の底壁２６ａ，２
６′ａ（第４図〜第７図参照）の上面が上方に面す
るように配置されている。各固体回路部品２５，
２５′の入・出力側が接続用同軸ケーブル３０，
３１を介してそれぞれ分配器４１と合成器４２に
接続されている。そして入・出力用同軸ケーブル
４３，４４は、前出の第２図（第１実施例）にお
ける入・出力コネクタ３２，３３に相当する入・
出力コネクタに接続される。本応用例は、このよ
うに固体回路部品２５，２５′を配列することに
より、下方に配置された固体回路部品２５，２
５′からの気泡４０（第１０図）が上方に配置さ
れた固体回路部品２５，２５′の相互間を通つて
上方の固体回路部品２５，２５′に阻害されるこ
となく円滑にかつ常に一定状態で上昇することが
でき、これにより安定した冷却作用を行なうこと
ができる。また、本応用例では、固体回路部品２
５，２５′を傾斜させて配置してあり、回路部品
２５，２５′の底壁に泡が停滞することがないの
で水平方向における固体回路部品２５，２５′の
占めるスペースを短縮化することができ、これに
より装置全体の小形化を図ることができる。そし
て、本応用例のその他の作用、効果は前出の第１
実施例と同様である。

(ト) 発明の効果以上、詳細に説明したように、本発明の液冷型
高周波固体装置は、固体回路部品を、凹形筐体を
用いて形成しかつ該筐体の左右両側壁相互の平行
間隔寸法を動作周波数のカツトオフ寸法に設定し
て形成することにより、放熱効率を高めることが
でき、例えば、10W／cm²程度以上の冷却能力を得
ることができ、発熱性半導体素子が高密度に実装
された場合あるいは大電力用のものである場合で
も充分に冷却してその機能保証温度以下に安定し
て保つことができ、また、高周波特性の変化（振
幅変調等）と高周波損失を最少限に抑制すること
ができるといつた効果大なるものがあり、性能の
向上、信頼性の向上に寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高周波固体回路を示す図、第２
図は本発明の液冷型高周波固体装置の第１実施例
の側面断面図、第３図は第２図のＡ―A′線断面
図、第４図は第２図の固体回路部品の単体平面
図、第５図は第４図のＢ―B′線断面図、第６図
と第７図は本発明の第２実施例を説明するための
図であつて、第６図は第１実施例の固体回路部品
２５（第４，５図）に相当する固体回路部品２
５′の平面図、第７図は第６図のＣ―C′線断面図、
第８図は本発明の第１応用例を示す図、第９図は
本発明の第２応用例の側面図、第１０図は第９図
のＤ―D′線正面図である。２１……密閉容器、２２……容器本体、２３…
…天蓋兼用放熱ブロツク（上方壁）、２３ａ……
放熱フイン（放熱手段）、２３ｂ……吸熱フイン
（吸熱手段）、２４……低沸点冷却液、２５，２
５′……固体回路部品、２６，２６′……凹形筐
体、２６ａ，２６′ａ……底壁、２６ｂ，２６ｃ，
２６′ｂ，２６′ｃ……側壁、２６′ｄ，２６′ｅ…
…上下方向の逃げ溝、２７……電界効果トランジ
スタ（FET；発熱性半導体素子）、２８……入力
整合回路、２９……出力整合回路、２８ａ，２９
ａ……導体膜パターン、３４，３５……回路基
板、３６，３７……端壁、Ｗ……平行間隔寸法。

Claims

【特許請求の範囲】１低沸点の冷却液を封入した密閉容器の少くと
も上方壁に冷却液蒸気の吸放熱手段を形成し、固
体増幅器、発振器等の固体回路部品を前記密閉容
器の冷却液中に浸漬して構成される液冷型高周波
固体装置であつて、前記固体回路部品を、上側に
開口部を有する凹形筐体の底壁上に高周波トラン
ジスタ、ダイオード等の発熱性半導体素子及び入
出力整合回路を具備して形成すると共に前記凹形
筐体の左右両側壁相互の平行間隔寸法を前記整合
回路における動作周波数のカツトオフ寸法に設定
して形成したことを特徴とする液冷型高周波固体
装置。２前記発熱性半導体素子に対向する凹形筐体の
左右両側壁内側部分に該半導体素子に対する上下
方向の逃げ溝を設けた特許請求の範囲第１項に記
載の液冷型高周波固体装置。３複数個の前記固体回路部品を同一円周上に所
定間隔をもつて放射状に配列し、かつ前記発熱性
半導体素子の搭載面が上方に面するように配置し
た特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の液冷
型高周波固体装置。４複数個の前記固体回路部品を、上下の該回路
部品が互い違いになるように配列し、かつ前記発
熱性半導体素子の搭載面が上方に面するように配
置した特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
液冷型高周波固体装置。