富士通研究所は12月11日、カーボンナノチューブ(CNT)を増幅器のトランジスタ放熱素材として使用することで、高周波・高出力(100W級)の第4世代移動通信システム(4G)向け基地局用フリップチップ増幅器の動作に成功したことを発表した。同成果は、12月9日よりシンガポールで開催されているRFに関する国際会議「IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology 2009(RFIT 2009)」にて発表される予定。
4Gでは、高周波の帯域を利用することで、50Mbps～1Gbpsの高速通信が想定されているが、このため、携帯電話の基地局には、一度に大量のデータを送るための高周波化と広いエリアをカバーするための高出力化の両方が求められていた。ただし、これを実現するためには、高周波で増幅率を低下させない電気的な接続方法と、高出力時の発熱を抑制する放熱方式の実現が求められており、従来方式では、配線長さに起因する増幅率の低下およびトランジスタチップ裏面からの放熱のため、チップを小型化すると放熱面積が小さくなってしまうという課題があった。
今回、同研究所では、高周波特性に優れたフリップチップ構造を採用し、トランジスタチップの両面から放熱を行う「ダブル放熱」技術を開発、増幅器の高周波化、高出力化、高増幅率化を実現した。
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従来の配線方式(左)とフリップチップ構造(右) |
中でもダブル放熱は、増幅器の表面(回路面)の電極(接続用金属)と基板の間をCNTバンプで配線することで放熱性を高めたほか、増幅器の裏面にヒートシンクをつけ、増幅器の表裏ともに放熱することで高い放熱性を実現した。
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ダブル放熱のイメージ図 |
また、CNT自体も、配線の長さが短すぎると、高周波領域での電気特性が悪化するため、配線長として10μm以上が要求されることとなる。今回、触媒にAl-Fe膜を利用することで、基板の垂直方向に20μm以上のCNT成長を実現し、高増幅率を実現したという。
さらに、放熱性を高めるために、CNTを用いて10μm以下のバンプを形成する技術を活用、バンプを電極に直接接続することで良好な放熱性を実現した。
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CNTバンプ |
CNTバンプによる高出力増幅器の実装 |
これにより、従来の増幅器と比較して放熱性が1.5倍程度向上したほか、トランジスタチップのサイズも従来比2/3程度に縮小できることが確認された。
なお、同研究所では、同技術による増幅器の実用化に向けた開発を進め、2011年以降に立ち上がることが予想される4Gの携帯電話基地局への適用を目指すとしている。
