CN102414985A - 无线通信装置和具有其功率放大器的半导体封装装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体封装装置(300)包括第一放大器块(310)、至少一个另外的放大器块(320)和以可操作方式耦合在第一放大器块(310)的第一有源组件(312)的输出端(314)的第一多个元件(490)与所述至少一个另外的放大器块(320)的第二有源组件(322)的输出端(324)的第二多个元件(495)之间的至少一个差分电感(360)；其中，差分电感(360)被布置为使得在第一放大器块(310)的第一有源组件(312)的输出端(314)的第一多个元件(490)与所述至少一个另外的放大器块(320)的第二有源组件(322)的输出端(324)的第二多个元件(495)之间提供均匀的电感。

Description

无线通信装置和具有其功率放大器的半导体封装装置
技术领域
本发明的领域涉及射频(RF)功率放大器(PA)和用于该射频(RF)功率放大器(PA)的半导体封装装置。本发明适用于但不限于包括两个或更多放大器块的半导体封装装置。
背景技术
在无线通信领域中，对于许多应用而言，诸如在蜂窝式无线基础设施中，正在不断地要求射频(RF)功率放大器支持越来越大的瞬时带宽。瞬时带宽或如常常提及的视频带宽是放大器能够将通信信号适当地放大的最大信号带宽。特别地，发展中的各代无线通信标准，诸如全球移动通信系统(GSM)标准和更新的第三代合作伙伴计划(3GPP)标准，已持续地要求增加的比特速率。因此，每一代已要求增加的瞬时带宽，并且正在考虑的未来的各代要求这些比特速率甚至进一步扩展。
图1示意性地图示了RF PA电路100的典型示例，例如，如在RF集成电路(RFIC)内可以使用的，RF PA电路100包括分别被以可操作方式并联耦合在输入端102、104与输出端170、175之间的第一功率放大器块110和第二功率放大器块120。每个功率放大器块110、120包括将各RF输入信号102、104以可操作方式耦合到各RF PA晶体管112、122的输入匹配电路130、140。每个RF PA晶体管112、122的漏极端口的输出端被以可操作方式耦合到输出匹配电路150、160。可以将RFPA电路100构造为作为推挽式(差分)放大器进行操作，由此，输入102、104包括差分输入且输出170、175包括差分输出。同样地，可以通过分别将两个输入102、104和两个输出170、175以可操作方式耦合在一起来将RF PA电路构造为单端放大器电路。
在差分构造或单端构造中，这种已知RF PA设计存在的问题是瞬时带宽受到输出匹配电路150、160内的电容器155、165的限制，通常达到不超过约30MHz的瞬时带宽。电容器155、165为各旁路电感157、167提供DC隔离，同时为RF频率信号提供短路，使得在各晶体管112、122的漏极端口上在这样的RF频率下的并联电抗包括电感。通常，电容器155、165包括约为200pF的电容值。较低值的电容通常是不适当的，因为其不能提供足够好的射频(RF)短路。然而，现有半导体技术由于电容密度的限制而妨碍使用较高值的电容。对电容器155、165的值的这种局限限制了可实现的瞬时带宽，因此限制了用于目前和未来RF PA漏极调制系统的此类放大器电路的适合性。另外，电容155、165的损耗性质影响放大器电路100的峰值效率(几个百分点)。此外，单端构造对接地连接电感很敏感，这影响单元(例如RF集成电路)间RF性能频散。
发明内容
本发明提供了如所附权利要求所述的半导体封装装置和包括这种半导体封装装置的无线通信装置。
在从属权利要求中阐述了本发明的具体实施例。
将参考下文描述的实施例来阐述本发明的这些及其它方面，并且根据实施例本发明的这些及其它方面将是显而易见的。
附图说明
将参考附图仅以示例的方式来描述本发明的其它细节、方面和示例。图中的元件是出于简单和清晰的目的而图示的，并且不一定按比例绘制。
图1图示已知的RF PA电路。
图2图示无线通信单元的方框图的示例。
图3图示半导体封装装置的示例。
图4至6图示实际的高功率差分功率放大器的示例。
图7图示示出RF PA布置的RF性能的曲线图的示例。
图8和9图示示出RF PA布置的视频带宽能力的曲线图的示例。
具体实施方式
将关于射频(RF)半导体封装装置的实施方式来描述本发明的示例，所述射频(RF)半导体封装装置例如是适合于在无线通信单元(例如蜂窝式基站)中使用的一个，尽管这些示例也可以容易地应用于为比如用户无线通信单元(诸如移动电话)设计的较低功率PA。以这种方式，在本文中关于使用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术来实现比如80W基站的示例。还将关于包括两个或更多单端放大器块的半导体封装装置来描述本发明的示例。然而，可以设想在其它示例中可以使用除单端放大器块之外的放大器块。因此，下文所使用的术语“放大器块”可以包括任何其它放大器类型。另外，下文所使用的术语“功率晶体管”可以包括任何其它功率放大器晶体管，诸如低得多的功率晶体管，例如适合于在移动电话技术中使用的那些，其中，输出功率可以约为比如1W。此外，本发明的示例适当于非最后PA阶段，诸如供在前置放大器网络中使用。另外，可以在任何类型的RF放大器半导体装置封装中实现本发明的示例。可以用任何类型的RF晶体管技术来实现本发明的示例，诸如横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)、氮化镓(GaN)、双极技术等。
本文所述的半导体衬底可以是任何半导体材料或材料组合，诸如砷化镓、硅锗、绝缘体上硅(SOI)、硅、单晶硅等、以及上述各项的组合。
现在参考图2，图示了能够使用如下文参考本发明的某些示例所描述的射频(RF)功率放大器集成电路(PAIC)的无线通信单元200的方框图的示例。为了清晰起见，无线通信单元200被示为划分成两个分开的部分-接收机链210(出于清晰的目的，将不对其进行描述)和发射机链220。无线通信单元200包含被耦合到天线开关204的天线，天线开关204在无线通信单元200中提供RF信号的信号控制以及接收机链210与发射机链220之间的隔离。如本领域的技术人员所已知的，可以用双工滤波器来替换天线开关204以用于频率双工通信单元。
关于发射机链220，其本质上包括信号处理器228，信号处理器228以可操作方式耦合到调制和上变频器电路222和功率放大器(PA)模块224。电源226以可操作方式耦合到PA模块224。信号处理器228及调制和上变频电路222以可操作方式响应于控制器214。定时器216以可操作方式耦合到控制器214以控制操作，即取决于时间的信号的发送或接收的定时。功率放大器模块224包括功率放大器集成电路(PAIC)，该功率放大器集成电路(PAIC)配备有电压源226且包括例如功率晶体管的多个有源组件和关联RF匹配组件，例如，如关于图3更详细地描述的。
总而言之，在一个示例中，提供了一种半导体封装装置，其包括第一放大器块、至少一个另外的放大器块和以可操作方式耦合在第一放大器块的各有源组件的每个输出端的多个元件与所述至少一个另外的放大器块之间的差分电感。差分电感被布置为使得在第一放大器块的元件与所述至少一个另外的放大器块的元件之间提供基本上均匀的电感。在下文中，关于差分电感的电感术语“均匀”意图包括在任何合理制造和设计公差内的在第一放大器块的元件与所述至少一个另外的放大器块的元件之间产生的促进本发明的目的的任何基本上均匀的电感。同样地，并且在下文中，关于连续、邻近引线键合阵列的构造的术语“非均匀”意图包括在在任何合理制造和/或设计公差内使用基本上非均匀引线键合长度在提供基本上均匀的电感方面促进本发明的目的的任何基本上非均匀的构造。
现在参考图3，图示了例如采取功率放大器集成电路(PAIC)等形式的此类半导体封装装置300的示例。半导体封装装置300包括第一功率放大器块310和至少一个另外的放大器块320，例如，其构成射频(RF)功率放大器(PA)装置的一部分。本文所述和附图所示的示例性半导体封装装置出于清晰的目的仅包括两个放大器块。还可以以相同的方式在其它示例性半导体封装装置中以可操作方式并联地耦合其它放大器块。对于图3所示的示例而言，放大器块310、320形成差分放大器电路305的一部分，并且同样地被构造为作为推挽式(差分)放大器进行操作。因此，单独地包括单端放大器块的放大器块310、320被以可操作方式并联耦合在差分放大器电路305的差分输入端302、304与差分输出端370、375之间。
所述第一和至少一个另外的放大器块310、320中的每一个包括各自的功率晶体管312、322形式的有源组件。特别是对于所示的示例而言，每个放大器块310、320的有源组件包括横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)功率晶体管312、322形式的场效应晶体管，其包括为功率晶体管提供输入的栅极端316、326、为功率晶体管提供输出的漏极端314、324和以可操作方式耦合到地线的公共源极子318、328。因此，对于所示的示例而言，根据漏极调制放大器系统来构造每个放大器块310、320。放大器块310、320每个还包括以可操作方式耦合在各输入端302、304与各功率晶体管312、322的输入端(栅极)316、326之间的输入匹配电路330、340。对于所示的示例而言，输入匹配电路330、340经由电容器335以可操作方式相互耦合。因此，用差分元件来替换所有旁路元件，例如，用图3所示的推挽式(有时称为差分)放大器中的单输入旁路电容器来替换图1所示的现有技术并联单端放大器中的输入旁路电容器。放大器块310、320还包括使用以可操作方式耦合在晶体管312、322的输出端(漏极)314、324之间的差分电感360以可操作方式耦合在一起的输出匹配电路。图3还图示以可操作方式耦合到虚拟接地365的差分电感360的中点。
可以在各半导体封装装置300内的单个管芯上形成图3的放大器块310、320。替换地，可以在半导体封装装置300内分开的管芯上形成放大器块310、320。
现在参考图4，示出了图3的差分电感360的示例。如前所述，差分电感360以可操作方式耦合在晶体管312、322的输出端(漏极)314、324之间。诸如功率晶体管312、322的高功率装置的端口通常包括一排元件或指状元件，其常常数以百计。因此，并且如图4所示，功率晶体管312、322中的每一个的输出端(漏极)314、424包括图3的差分电感360被以可操作方式耦合到的多个元件490、495。对于所示的示例而言，差分电感包括以可操作方式耦合到晶体管312的输出端314的多个元件490的第一非均匀引线键合阵列420。差分电感还包括以可操作方式耦合到晶体管322的输出端324的多个元件495的至少一个另外的非均匀引线键合阵列430。图4所示的差分电感还包括微带线410，例如采取在图3的半导体封装装置300的衬底上的简单印刷线的形式。微带线410借助于非均匀引线键合阵列420、430被以可操作方式耦合到各个有源组件312、322的输出端314、324的多个元件490、495。以这种方式，有源组件312的输出端314的元件490经由微带线410和引线键合阵列420、430以可操作方式耦合到有源组件322的输出端324的元件495。
结合用于所示示例的微带线410，非均匀引线键合阵列被布置为使得在第一放大器块310的元件490与所述至少一个另外的放大器块320的元件495之间提供基本上均匀的电感。例如，参考图5和图6，示出了差分电感360，为了清晰起见，仅示出了用于引线键合阵列420、430中的每一个的两个键合引线。如前所述，微带线410借助于非均匀引线键合阵列420、430被以可操作方式耦合到各个有源组件312、322的输出端314、324的多个元件490和495。
现在参考图5和6，图4的引线键合阵列420的第一键合引线520以可操作方式耦合在有源组件312的输出端314与接近微带线410的第一末端510的点之间，并且引线键合阵列420的第二键合引线525以可操作方式耦合在有源组件312的输出端314与大体上位于微带线410的第一末端510与其中心点550之间的点之间。同样地，图4的引线键合阵列430的第一键合引线530以可操作方式耦合在有源组件322的输出端324与接近微带线410的第二末端515的点之间，并且图4的引线键合阵列430的第二键合引线535以可操作方式耦合在有源组件314的输出端324与大体上位于微带线410的第二末端515与其中心点550之间的点之间。
对于所示的示例而言，根据键合引线520、525、530、535以可操作方式耦合到微带线410的点与其公共点(例如中心点550)之间的距离来构造每个键合引线520、525、530、535的长度，使得经由图4的各引线键合阵列420、430内的每个键合引线在各有源组件312、322的输出端314、324与该公共点之间实现均匀的电感。结果，可以在有源组件312的输出端314与有源组件322的输出端324之间通过那之间的所有键合引线路径来提供基本上均匀的电感。
例如，并且如图6所示，在本示例中，键合引线520和530以可操作方式耦合处的各点与中心点550之间的微带410内的电感可以包括172.5pH。可以将键合引线520、530的长度布置为使得每个键合引线包括约100pH的电感，提供545pH(2*(172.5+100)的用于该路径的总计的组合的电感。相反，键合引线525和535以可操作方式耦合处的各点与中心点550之间的微带410内的电感可以包括32.5pH。因此，可以将键合引线525、535的长度布置为使得每个键合引线包括约240pH的电感，也提供545pH(2*(32.5+240)的用于该路径的总计的组合的电感。以这种方式，可以基本上在中心点550处产生虚拟接地365。
因此，通过将差分电感布置为使得在第一放大器块的元件与所述至少一个另外的放大器块的元件之间提供基本上均匀的电感，可以通过差分电感在有源元件之间实现适当的功率组合。另外，由差分电感360提供的用于放大器块的输出匹配电路有利地免除了电容。结果，可实现超过100MHz的瞬时带宽(相比于用于现有技术设计的30MHz)。
在一个示例性实施方式中，可以使用大值电容器将到地线的晶体管输出解耦，如图9所示。在另一示例中，可以将功率放大器半导体装置封装应用于其它频率，例如1GHz或以上的功率放大器设计。在此类较高频率示例中，可以使用缎带技术来替换非均匀引线键合。
此外，在另一示例中，可以将功率放大器半导体装置封装应用于更高或更低的输出功率，例如1W功率放大器设计而不是10W设计，其中，可以存在微带线的更高的贡献。另外，在另一示例中，取决于功率晶体管的频率、所需输出功率和物理尺寸，某种形式的电感的实现可以利用其它形式的路由射频信号，诸如任何形状或大体方向的弯曲传输线。在其它示例中，可以用球栅阵列来替换或补充非均匀引线键合，例如使用印刷的传输线。输出匹配电路内的不存在电容可以使得能够实现峰值功率效率的改善。
现在参考图7，图示了四个曲线图710、720、730、740，其示出诸如图3所示的功率放大器布置的RF功率放大器的上述示例的RF性能。图7的曲线图示出输入匹配回波损耗(RL)710、1dB压缩下的输出功率(POUT)720、1dB压缩下的小信号增益730和600MHz的频率带宽内的功率附加效率(PAE)740。这与常规RF功率放大器布置形成对比，常规RF功率放大器布置只能在约60MHz的窄得多的频率带宽内实现类似的性能特性。
现在参考图8，图示了示出对于诸如图3所示的功率放大器布置的RF功率放大器布置的上述示例的视频带宽能力的示例的曲线图800。特别地，曲线图800图示此类功率放大器布置的单端构造810的性能和此类功率放大器布置的差分(推挽式)构造820的性能的示例。
现在参考图9，图示了示出对于诸如图3所示的功率放大器布置的RF功率放大器布置的上述示例的视频带宽的示例的曲线图900。更特别地，曲线图900示出对于此类RF放大器布置的视频带宽的示例，其中，例如，如图7所示，借助于大值电容器来将差分电感的虚拟接地365解耦。以这种方式，曲线图900图示在改善由差分电感360引起的对接地连接电感的不敏感方面将虚拟接地365解耦的优点。
在前述说明中，已经参考本发明的实施例的特定示例描述了本发明。然而，应显而易见的是在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的更广泛精神和范围的情况下可以在其中进行各种修改和变化。例如，连接可以是适合于例如经由中间装置从或向各节点、单元或装置传输信号的任何类型的连接。因此，除非另外暗指或说明，否则连接可以是例如直接连接或间接连接。
本文所述的半导体衬底可以是任何半导体材料或材料组合，诸如砷化镓、硅锗、绝缘体上硅(SOI)、硅、单晶硅等，以及上述各项的组合。
可以关于是单个导体、多个导体、单向导体或双向导体来图示或描述本文所讨论的导体。然而，不同的示例可以改变导体的实施方式。例如，可以使用单独的单向导体而不是双向导体，反之亦然。并且，可以用连续地或以时间复用方式传输多个信号的单个导体来替换多个导体。同样地，可以将承载多个信号的单个导体分离成承载这些信号的子集的各种不同的导体。因此，存在用于传输信号的许多选择。
由于在很大程度上实现本发明的设备由本领域的技术人员已知的电子组件和电路组成，所以将不会在比如上所述认为是对于理解和认识本发明的根本概念所需的更大的程度上解释电路细节，以避免模糊或分散本发明的教导。
虽然已关于特定导电类型或电势极性描述了本发明，但技术人员认识到可以使导电类型或电势的极性反向。
此外，说明书和权利要求中的术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“上”、“下”，如果有的话，用于描述的目的且不必用于描述永久性相对位置。应理解的是这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，使得本文所述的本发明的示例例如能够在与本文所示或所述的那些说不同的取向上操作。
应理解的是本文所描述的架构仅仅是示例性的，并且事实上，能够实现许多其它架构，其实现相同的功能。简要地，但仍在明确的意义上，将实现相同功能的组件的任何布置有效地“关联”，使得实现期望的功能。因此，可以将被组合以实现特定功能的本文中的任何两个组件视为相互″关联″，以便实现期望的功能，而无论架构或中间组件如何。同样地，还可以将被这样关联的任何两个组件视为相互“以可操作方式连接”或“以可操作方式耦合”以实现期望功能。
并且例如，在一个示例中，图3所示的放大器块310、320位于单个集成电路上或同一装置内。替换地，放大器块310、320可以包括彼此互连的任何数目的单独集成电路或单独装置。此外，还可以有其它修改、变化和替换。因此，应在说明性而非限制的意义上理解本说明书和附图。
在权利要求中，不应将放置在括号之间的任何附图标记理解为限制权利要求。词语“包括”不排除存在除权利要求中所列的那些之外的其它元件或步骤。此外，本文所示使用的术语“一”或“一个”被定义为一个或多于一个。并且，不应将权利要求中的诸如“至少一个”和“一个或多个”的介绍性短语的使用理解为意指由不定冠词“一”或“一个”对另一权利要求元素的介绍限制包含这样介绍的权利要求元素的任何特定权利要求局限于仅包含一个此类元素的发明，即便同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和诸如“一”或“一个”的不定冠词。这也适用于定冠词的使用。除非另外说明，否则诸如“第一”和“第二”的术语用来任意地区别此类术语描述的元素。因此，这些术语不必意图指示此类元件的时间上或其它优先次序排列。在相互不同的权利要求中叙述了某些措施的事实并不表示不能有利地利用这些措施的组合。

Claims (11)

1.一种半导体封装装置(300)，包括：第一放大器块(310)、至少一个另外的放大器块(320)和至少一个差分电感(360)，所述至少一个差分电感(360)以可操作方式耦合在所述第一放大器块(310)的第一有源组件(312)的输出端(314)的第一多个元件(490)与所述至少一个另外的放大器块(320)的第二有源组件(322)的输出端(324)的第二多个元件(495)之间；其中，所述差分电感(360)被布置为使得在所述第一放大器块(310)的所述第一有源组件(314)的所述第一多个元件(490)与所述至少一个另外的放大器块(320)的所述第二有源组件(324)的所述第二多个元件(495)之间提供均匀的电感。
2.根据权利要求1所述的半导体封装装置(300)，其中，所述差分电感(360)包括许多非均匀引线键合阵列(420、430)，所述许多非均匀引线键合阵列(420、430)被布置为使得在所述第一放大器块(310)的所述第一有源组件(314)的所述第一多个元件(490)与所述至少一个另外的放大器块(320)的所述第二有源组件(324)的所述第二多个元件(495)之间提供均匀的电感。
3.根据权利要求2所述的半导体封装装置(300)，其中，所述差分电感(360)包括微带线(410)，所述微带线(410)经由所述非均匀引线键合阵列(420、430)以可操作方式耦合到所述相应的第一和第二有源组件(312、322)的所述输出端(314、324)的所述第一和第二多个元件(490、495)。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的半导体封装装置(300)，其中，所述第一放大器块(310)和所述至少一个另外的放大器块(320)形成差分放大器电路(305)的一部分，并且以可操作方式并联耦合在所述差分放大器电路(305)的差分输入端(302、304)与差分输出端(370、375)之间。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的半导体封装装置(300)，其中，所述第一放大器块(310)和所述至少一个另外的放大器块(320)每个包括场效应晶体管。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的半导体封装装置(300)，其中，根据漏极调制放大器系统来构造所述第一放大器块(310)和所述至少一个另外的放大器块(320)。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的半导体封装装置(300)，其中，所述第一放大器块(310)和所述至少一个另外的放大器块(320)每个包括横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)装置。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的半导体封装装置(300)，其中，所述第一放大器块(310)和所述至少一个另外的放大器块(320)形成射频(RF)功率放大器(PA)装置的一部分。
9.根据前述权利要求中任何一项所述的半导体封装装置(300)，其中，在所述半导体封装装置(300)内的单个管芯上形成所述第一放大器块(310)和所述至少一个另外的放大器块(320)。
10.根据权利要求1至8中的任一项所述的半导体封装装置(300)，其中，在所述半导体封装装置(300)内分开的管芯上形成所述第一放大器块(310)和所述至少一个另外的放大器块(320)。
11.一种无线通信装置(200)，包括：第一放大器块(310)、至少一个另外的放大器块(320)和至少一个差分电感(360)，所述至少一个差分电感(360)以可操作方式耦合在所述第一放大器块(310)的第一有源组件(312)的输出端(314)的第一多个元件(490)与所述至少一个另外的放大器块(320)的第二有源组件(322)的输出端(324)的第二多个元件(495)之间；其中，所述差分电感(360)被布置为使得在所述第一放大器块(310)的所述第一有源组件(314)的所述第一多个元件(490)与所述至少一个另外的放大器块(320)的所述第二有源组件(324)的所述第二多个元件(495)之间提供均匀的电感。
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