CN106663666B - 包覆成型塑料封装的宽带隙功率晶体管及mmic - Google Patents

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Abstract

一种晶体管封装，包括：引线框；附接到所述引线框的宽带隙晶体管，以及包围所述引线框和所述宽带隙晶体管的包覆成型件。所述宽带隙晶体管在高达3.8GHz的频率工作时具有大于150W的峰值输出功率。在晶体管封装中使用包覆成型件连同宽带隙晶体管，允许晶体管封装获得极高的效率、增益和带宽，同时保持晶体管封装的制造成本较低。

Description

包覆成型塑料封装的宽带隙功率晶体管及MMIC
技术领域
本公开涉及宽带隙半导体装置。具体地，本公开涉及包覆成型封装的宽带隙功率晶体管。
背景技术
随着无线通信标准持续发展来提供数据率和可靠性的改善，对用于发射无线信号的射频(RF)功率放大器(PA)具有日益严格的要求。符合最新无线通信标准的RF PA必须提供宽带宽范围内的高度线性度和大增益，同时应该是高效的，以便保持包含有它们的移动终端的电池寿命。众所周知并且广泛使用硅(Si)和砷化镓(GaAs)RF PA，但是，这些RF PA具有相对窄的带宽和受限的输出功率，这些是由于其相应的材料系统的窄带隙所引起的装置固有的特性。为了改善移动终端的性能，当前正在探索宽带隙半导体装置用于RF信号的放大。
诸如由碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)制成的宽带隙RF PA与它们的窄带隙对应物相比，提供了带宽、输出功率和效率方面的改善。然而，由于与宽带隙装置相关价格的提高，许多移动装置制造商仍然在RF电路系统的设计和制造方面依赖于传统RF PA。虽然存在很多提高宽带隙半导体装置的价格的促进因素，但是成本的很大组成部分是由宽带隙半导体装置的封装引起的成本。
图1和2示出了用于宽带隙半导体装置12的传统封装10。传统封装10包括陶瓷体14和一个或多个金属接触件16。在封装10中，气腔18包围宽带隙半导体装置12，宽带隙半导体装置12经由管芯附接材料22附接到金属基板20。一个或多个接合线24将宽带隙半导体装置12耦接到第一金属接触件16A和第二金属接触件16B。气腔18和金属基板20消散由宽带隙半导体装置12生成的热量，同时将宽带隙半导体装置12与外部环境隔离并保护宽带隙半导体装置12。虽然传统封装10的陶瓷体14和金属基板20甚至适合于保护宽带隙半导体装置并分散从其生成的热量，但是它们制造起来很贵，从而提高了包括宽带隙半导体装置的电子封装的成本。
发明内容
本公开涉及包覆成型封装的宽带隙功率晶体管。在一个实施例中，晶体管封装包括引线框，附接到引线框的宽带隙晶体管以及包围引线框和宽带隙晶体管的包覆成型件。宽带隙晶体管在高达3.8GHz的频率处工作时具有大于150W的峰值输出功率。在晶体管封装中使用包覆成型件连同宽带隙晶体管允许晶体管封装获得极高的增益和带宽，同时保持晶体管封装的制造成本较低。
根据一个实施例，宽带隙晶体管是氮化镓(GaN)晶体管。在又另一个实施例中，宽带隙晶体管是碳化硅(SiC)上GaN晶体管，并且还可以是高电子迁移率晶体管(HEMT)。
根据一个实施例，在其中峰均比(peak to average ratio)为大约7.5dB的典型无线通信标准信号(诸如，长期演进(LTE)信号)下测量，晶体管封装的效率大于大约30％。
在联系附图阅读优选实施例的以下详细描述后，本领域技术人员将理解本公开的范围并实现其附加方面。
附图说明
并入说明书并且形成说明书的一部分的附图例示公开的数个方面，并且连同描述一起用于解释本公开的原理。
图1是半导体装置的传统电子封装的等距视图。
图2是图1所示的半导体装置的传统电子封装的截面图。
图3是根据本公开的一个实施例的宽带隙半导体装置的电子封装的等距视图。
图4是根据本公开的一个实施例的图3示出的电子封装的截面图。
图5是例示根据本公开的一个实施例的射频(RF)发射链的示意图。
图6A-6C是例示根据本公开的一个实施例的供图5所示的RF发射链使用的晶体管封装的示意图。
图7A-7C是例示根据本公开的附加实施例的供图5所示的RF发射链使用的放大器封装的示意图。
图8是根据本公开的一个实施例的供图6A-6C所示的晶体管封装和/或图7A-7C所示的放大器封装使用的带宽限制匹配网络的示意图。
图9是示出根据本公开的一个实施例的图6A-6C所示的晶体管封装和/或图7A-7C所示的放大器封装的峰值输出功率响应的图示。
具体实施方式
以下阐述的实施例代表使得本领域技术人员能够实践实施例的必要信息，并且例示实践实施例的最佳模式。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并且将认识到这里没有特别涉及这些概念的应用。应当理解，这些概念和应用落入公开和所附权利要求的范围内。
应当理解，尽管可以在本文中使用术语“第一”、“第二”等来描述各元件，但是这些元件不应当受限于这些术语。这些术语仅用于将元件彼此区分。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似的，第二元件可以被称为第一元件，这不脱离本公开的范围。如本文使用的，术语“和/或”包括相关列出的项目中的一个或多个的任意和所有组合。
将理解，当元件(诸如层、区域或基板)被称为在另一个元件“上”或延伸到另一个元件“上”时，它可以直接在其它元件上或直接延伸到其它元件上，或者还可以存在中间元件。与此相反，当元件被称为“直接”在另一个元件上或者直接延伸到另一个元件上时，不存在中间元件。同样的，将理解，当元件(诸如层、区域或基板)被称为在另一个元件“上方”或延伸到另一元件“上方”时，它可以直接在其它元件上方或者直接延伸到其它元件上方，或者还可以存在中间元件。与此相反，当元件被称为直接在另一个元件“上方”或直接延伸到另一个元件“上方”时，不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接到”或“耦接到”另一个元件时，它可以直接连接或耦接到其它元件，或者可以存在中间元件。与此相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在中间元件。
本文可以使用诸如“以下”或“以上”或者“上”或“下”或者“水平”或“垂直”等的相对术语来描述如图所示的一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系。将理解，这些术语和以上讨论的那些术语意在除了包括图中描绘的取向外，还包括装置的不同取向。
本文使用的术语仅为了描述具体实施例的目的，并不意在限制本公开。如本文使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。还将理解，当在本文中使用时，术语“包括”、“包括有”、“包含”和/或“包含有”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属的本领域技术人员一般理解的相同含义。还将理解，本文使用的术语应当解释为其含义与本说明书和相关领域的上下文中的含义一致，并且将不以理想化或过度形式的意义来解释，除非本文中明确地这样限定。
图3和4示出了根据本公开的一个实施例的适合与一个或多个宽带隙半导体装置28使用的电子封装26。具体地，图3示出了电子封装26的等距视图，而图4示出了电子封装26的截面图。电子封装26包括包覆成型件30、一个或多个输入/输出引脚32和引线框34。包覆成型件30可以基本上包围一个或多个宽带隙半导体装置28，使用管芯附接材料38将宽带隙半导体装置28安装到引线框34上。包覆成型件30可以由塑料或塑料聚合物化合物形成，其注射成型在引线框34和一个或多个宽带隙半导体装置28周围，从而提供对外界环境的防护。一个或多个宽带隙半导体装置28可以经由接合线40耦接到一个或多个输入/输出引脚32。
由于在传统电子封装中使用的材料，使用包覆成型件的传统电子封装技术的最大温度额定值封顶为150℃。因此，传统电子封装技术一般仅适于峰值输出功率小于150W并且工作频率小于2.2GHz的窄带隙装置。由于宽带隙装置固有的高功率密度，因此宽带隙装置的封装受到比类似的窄带隙装置的封装更严格的要求。具体地，宽带隙半导体装置的高功率密度导致了由装置生成的大量的热量，这些热量必须由封装适当地消散以避免对装置的损坏。此外，由于产生的大量热量，封装的与宽带隙半导体装置接触的部分必须避免在加热和冷却时过度膨胀和/或收缩，因为这会损坏与封装接触的一个或多个装置。
由于宽带隙半导体装置通常以大于200W的峰值输出功率、高达3.8GHz的频率以及大于200℃的温度工作，因此，传统电子封装技术不适于额定在其满负荷的宽带隙装置。在设计适合于宽带隙半导体装置的电子封装时，发明人发现确定用于包覆成型件30的材料的适用性的四个关键特性。具体地，发明人发现用于包覆成型件30的材料的玻璃转变温度(TG)、弯曲模量(FM)、热膨胀系数(CTE)和吸湿率(AR)对于电子封装26的性能和寿命是至关重要的。
材料的玻璃转变温度(TG)表示从固态到液态的状态改变开始发生时的温度，并且通常由电子封装设计师使用来表征材料的热能力。材料的弯曲模量(FM)是材料的弯曲变形中应力与应变的比率(例如，材料弯曲的趋势)。材料的热膨胀系数(CTE)表示材料的温度改变导致材料在尺寸上变化多少。最后，材料的吸湿率(AR)表示在特定条件下材料将吸收的湿气的量(以百分比计)。
一般而言，给定材料的玻璃转变温度(TG)增大将允许材料暴露在更大温度中而不会损坏材料的结构。然而，随着材料的玻璃转变温度(TG)增大，材料的弯曲模量(FM)、热膨胀系数(CTE)和吸湿率(AR)也增大。在设计电子封装26的过程中，发明人发现随着一个或多个宽带隙半导体装置28的温度随时间改变，使用具有高弯曲模量(FM)、热膨胀系数(CTE)和/或吸湿率(AR)的材料用于包覆成型件30可能由于包覆成型件30的膨胀和收缩，而导致包覆成型件30从引线框34分层，和/或扯破、撕裂与包覆成型件30接触的一个或多个宽带隙半导体装置28或造成其它结构损坏。因此，必须在用于包覆成型件30的材料的玻璃转变温度(TG)、弯曲模量(FM)、热膨胀系数(CTE)以及吸湿率(AR)之间需找平衡。
在一个实施例中，电子封装26的包覆成型件30可以具有在大约135℃与400℃之间的玻璃转变温度(TG)，低于大约20Gpa的弯曲模量(FM)，在高于玻璃转变温度的温度处低于大约50ppm/℃并在低于玻璃转变温度的温度处低于大约18ppm/℃的热膨胀系数(CTE)以及小于大约0.5％的吸湿率(AR)。在一个实施例中，由Sumitomo Bakelite of Fukuoka,Japan制造的部分no.G720A形成包覆成型件30，其数据表通过引用整体地并入本文。通过使用玻璃转变温度(TG)在大约135℃与400℃之间、弯曲模量(FM)低于大约20Gpa、热膨胀系数(CTE)在高于玻璃转变温度的温度处低于大约50ppm/℃并在低于玻璃转变温度的温度处低于大约18ppm/℃以及吸湿率(AR)小于大约0.5％的用于电子封装26的包覆成型件30，电子封装26可以适合于容纳一个或多个宽带隙半导体装置28。具体地，包覆成型件30的高玻璃转变温度(TG)允许电子封装26在电子封装26内处理由一个或多个宽带隙半导体装置28产生的热量，而不会对其有结构损坏，同时包覆成型件30的低弯曲模量(FM)、热膨胀系数(CTE)以及吸湿率(AR)防止可能由包覆成型件30的与一个或多个宽带隙半导体装置28接触的部分由于热膨胀和/或收缩引起的变形而导致的对一个或多个宽带隙半导体装置28的损坏。
除了以上相对于包覆成型件30讨论的特性以外，发明人还对管芯附接材料38有类似发现。具体地，发明人发现管芯附接材料38的体热导率(KT)和弯曲模量(FM)对电子封装26的性能和寿命是至关重要的。管芯附接材料38可以是烧结材料，诸如体热导率(KT)在大约40W/m-K与200W/m-K之间并且弯曲模量(FM)小于大约20Gpa的烧结银材料。在一个实施例中，管芯附接材料38是Alpha Advanced Materials of Suwanee,Georgia制造的部分no.D591-3B，其数据表通过引用整体地并入本文。通过使用体热导率(KT)在大约40W/m-K与200W/m-K之间并且弯曲模量(FM)小于大约20Gpa的用于电子封装26的管芯附接材料38，电子封装26可以适合于容纳一个或多个宽带隙半导体装置28。具体地，管芯附接材料38的高体热导率(KT)确保足够的热量从一个或多个半导体装置28传导走，同时管芯附接材料38的低弯曲模量(FM)防止可能由管芯附接材料38的与一个或多个宽带隙半导体装置28接触的部分由于热膨胀和/或收缩引起的变形而导致的对一个或多个宽带隙半导体装置28的损坏。
在设计电子封装26的过程中，发明人进一步发现管芯附接材料28的弯曲模量(FM)的上限可以取决于电子封装26中一个或多个宽带隙半导体装置28的面积。因此，可以取决于电子封装26中一个或多个宽带隙半导体装置28的面积来改变用于管芯附接材料28所选的特定材料。在一个实施例中，其中一个或多个宽带隙半导体装置28具有小于4mm x 4mm的面积，因此管芯附接材料28的弯曲模量(FM)可以小于大约6GPa。在附加的实施例中，其中一个或多个宽带隙半导体装置28具有小于2mm x2mm的面积，因此管芯附接材料28的弯曲模量(FM)可以小于大约10Gpa。在又一附加的实施例中，其中一个或多个宽带隙半导体装置28具有小于1mm x 1mm的面积，因此管芯附接材料28的弯曲模量(FM)可以小于大约20Gpa。类似地，可以取决于电子封装26中一个或多个宽带隙半导体装置28的面积来改变包覆成型件30的弯曲模量(FM)、热膨胀系数(CTE)和吸湿率(AR)的上限。
输入/输出引脚32和引线框34可以是铜、铜合金等，然而，可以在不脱离本公开的原则的情况下使用任意合适的材料用于输入/输出引脚32。
值得注意的是，使用具有以上讨论的特性的电子封装26允许安置一个或多个宽带隙半导体装置28，同时显著降低电子封装26的制造成本。由于宽带隙装置的封装是成本的很大组成部分，因此使用电子封装26可以显著降低使用宽带隙装置的电子封装的成本。此外，由于相对于电子封装26在以上讨论的特性，一个或多个宽带隙半导体装置28可以以满负荷工作，而不会由于封装降低额定值。在一个实施例中，一个或多个宽带隙半导体装置28是配置为在高于2.2GHz并且高达3.8GHz的频率以约150W的峰值输出功率工作的宽带隙晶体管。在另一个实施例中，一个或多个宽带隙半导体装置28是配置为在高达3.8GHz的频率以约200W的峰值输出功率工作的宽带隙晶体管。在又另一个实施例中，一个或多个宽带隙半导体装置28是配置为在高达3.8GHz的频率以约250W的峰值输出功率工作的宽带隙晶体管。
在一个实施例中，电子封装26满足湿气敏感性等级(MSL-3)和联合电子装置工程设计会议(JEDEC)环境标准。
图5示出根据本公开的一个实施例的射频(RF)发射链42。RF发射链42包括输入节点RF_IN、天线44、输入级RF功率放大器(PA)46、输出级RF PA48和多个匹配网络50。具体地，RF发射链42包括耦接在输入节点RF_IN与输入级RF PA46之间的第一匹配网络50A，耦接在输入级RF PA46与输出级RF PA48之间的第二匹配网络50B和耦接在输出级RF PA48与天线44之间的第三匹配网络50C。在操作中，在输入节点RF_IN处存在经调制的信号，其中该信号通过第一匹配网络50A被传递到输入级RF PA46。经调制的信号被输入级RF PA46放大并且通过第二匹配网络50B被传递到输出级RF PA48。然后输出级RF PA48进一步放大经调制的信号以产生适合于从天线44发射的RF输出信号，并且通过第三匹配网络50C将RF输出信号传递给天线44。
可以提供匹配网络50来匹配两个不同组件之间的阻抗，从而确保RF发射链42以最小损耗(例如，由于高电压驻波比(VSWR))进行稳定操作。尽管在RF发射链42中示出了三个不同的匹配网络50，但是在不脱离本公开的原理的情况下，可以在RF发射链42中使用任意数量的匹配网络50。此外，尽管在图5中仅示出了一个输入级RF PA46和一个输出级RFPA48，但是在不脱离本公开的原理的情况下，可以在RF发射链42中使用任意数量的输入级或输出级RF PA。
如以上讨论的，RF发射链42需要在宽带宽范围内具有高度线性度和大增益，同时是高效的。因此，输入级RF PA46、输出级RF PA48或两者可以是宽带隙RF PA以增加RF发射链42的性能。
图6A示出了根据本公开的一个实施例的适合于用作图5中所示的RF发射链42中的输入级RF PA46、输出级RF PA48或两者的晶体管封装52。晶体管封装52包括输入节点RF_IN、宽带隙晶体管54、带宽限制匹配网络56和输出节点RF_OUT。带宽限制匹配网络56耦接在输入节点RF_IN与宽带隙晶体管54之间。宽带隙晶体管54耦接在带宽限制匹配网络56与输出节点RF_OUT之间。如以上讨论的，使用宽带隙晶体管54可以提供宽带宽范围内的高度线性度和大增益。在一些情况下，例如由于一个或多个频谱掩蔽需求(例如，按照晶体管封装52应当遵循的无线通信标准所规定的)，晶体管封装52的带宽可能是有问题的。因此，为了减小一个或多个预定频带外的信号发射，提供带宽限制匹配网络56以使宽带隙晶体管54在一个或多个预定频带外工作时的增益衰减。除了使宽带隙晶体管54在一个或多个预定频带外的增益衰减外，带宽限制匹配网络56还可以匹配耦接到晶体管封装52的外部阻抗。以下将进一步详细讨论带宽限制匹配网络56的细节。
在一个实施例中，宽带隙晶体管54是氮化镓(GaN)晶体管。在附加的实施例中，宽带隙晶体管54是碳化硅(SiC)上氮化镓(GaN)晶体管。在其它实施例中，可以使用任意数量的宽带隙半导体材料系统用于宽带隙晶体管54，它们都在本文的考虑中。宽带隙晶体管54可以是高电子迁移率晶体管(HEMT)。因此，带宽限制匹配网络56可以耦接在输入节点RF_IN与宽带隙晶体管54的栅极接触(G)之间，输出节点RF_OUT可以耦接到宽带隙晶体管54的漏极接触(D)，并且宽带隙晶体管54的源极接触(S)可以耦接到地。在其它实施例中，宽带隙晶体管54可以是场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)等。
晶体管封装52是作为分立组件封装的集成电路。换言之，晶体管封装52适合于作为一个或多个传统RF PA的直接方便的替换。在一个实施例中，晶体管封装52是单片集成电路，如本文涉及的，单片集成电路是形成在单个半导体芯片上的集成电路。在附加的实施例中，晶体管封装52是混合集成电路。如本文涉及的，混合集成电路是其中在单个封装内的基板上设有多个互连半导体芯片的集成电路。在晶体管封装52内提供带宽限制匹配网络56允许晶体管封装52具有与传统窄带隙RF PA类似的频率响应，但是维持较高的增益和效率，同时具有比其传统对应物更低的损耗。因此，晶体管封装52可以用作传统RF PA的直接替换，从而改善包含有晶体管封装52的RF发射链的性能，而几乎不需要重新设计与晶体管封装52接口的RF电路系统。
在一个实施例中，晶体管封装52是以上相对于图3和4描述的包覆成型封装。因此，晶体管封装52可以包括玻璃转变温度(TG)在大约135℃与400℃之间、弯曲模量(FM)低于大约20Gpa、热膨胀系数(CTE)在高于玻璃转变温度的温度处低于大约50ppm/℃并在低于玻璃转变温度的温度处低于大约18ppm/℃以及吸湿率(AR)小于大约0.5％的塑料包覆成型件。此外，可以使用管芯附接材料将晶体管封装52附接到引线框，管芯附接材料的体热导率(KT)在大约40W/m-K与200W/m-K之间并且弯曲模量(FM)小于大约20Gpa。因此，晶体管封装52的成本可以保持较低，同时提供以上讨论的性能改善。
在一个实施例中，晶体管封装52在一个或多个预定频带中具有大于54dBm(或250W)的峰值输出功率。此外，由于带宽限制匹配网络56，晶体管封装52在一个或多个预定频带外具有小于48W的平均功率输出。带宽限制匹配网络56可以在一个或多个预定频带的200MHz内提供大于0.5dB的增益滚降(gain roll-off)，以及在一个或多个预定频带的300MHz内提供7.5dB的增益滚降。因此，晶体管封装52可以在一个或多个预定频带中提供大于240W的峰值输出功率，并在一个或多个预定频带外提供小于48W的平均输出功率，其中根据针对WCDMA的7.5dB峰均比(PAR)测量晶体管封装52的平均输出功率。此外，晶体管封装52可以在一个或多个预定频带中提供大于240W的峰值输出功率，并在一个或多个预定频带外提供小于48W的平均功率输出，其中将晶体管封装52的平均输出功率定义为当在20％占空比上以最大负荷驱动晶体管封装52时的晶体管封装52的输出功率。在一个实施例中，晶体管封装52可以在2.6GHz处以50％的漏极效率提供在80W以上的平均功率输出，同时在50V处发射7.5dBPAR长期演进(LTE)信号，并且在额定输出功率处具有17dB的增益。在附加的实施例中，晶体管封装52可以传递大于65％的饱和(PSAT)效率。
在一个实施例中，一个或多个预定频带是用于RF发射的频带。因此，带宽限制匹配网络56可以在RF频率处预匹配一个或多个阻抗，同时限制宽带隙晶体管54的带宽。在一个实施例中，一个或多个预定频带包括在690-960MHz、1800-2300MHz或2300-2700MHz之间的频率中的一个或多个。
图6B示出了根据本公开的附加实施例的晶体管封装52。图6B所示的晶体管封装52与图6A所示的晶体管封装52类似，但是包括耦接在宽带隙晶体管54与输出节点RF_OUT之间而不是在输入节点RF_IN与宽带隙晶体管54之间的带宽限制匹配网络56。晶体管封装52可以以与图6A所示的晶体管封装52基本类似的方式运行。即，带宽限制匹配网络56可以减小宽带隙晶体管54在一个或多个预定频带外的增益响应以确保晶体管封装52满足一个或多个频谱掩蔽需求。
在一个实施例中，其中宽带隙晶体管54是HEMT，带宽限制匹配网络56耦接在宽带隙晶体管54的漏极接触(D)与输出节点RF_OUT之间，输入节点RF_IN耦接到宽带隙晶体管54的栅极接触(G)，并且宽带隙晶体管54的源极接触(S)耦接到地。
图6C示出了根据本公开的又另一个实施例的晶体管封装52。图6C示出的晶体管封装52与图6A和图6B示出的晶体管封装52类似，但是既包括耦接在输入节点RF_IN与宽带隙晶体管54之间的第一带宽限制匹配网络56A，又包括耦接在宽带隙晶体管54与输出节点RF_OUT之间的第二带宽限制匹配网络56B。晶体管封装52可以以与图6A和图6B所示的晶体管封装52基本类似的方式运行。即，第一带宽限制匹配网络56A和第二带宽限制匹配网络56B可以减小宽带隙晶体管54在一个或多个预定频带外的增益响应以确保晶体管封装52满足一个或多个频谱掩蔽需求。
在一个实施例中，其中宽带隙晶体管54是HEMT，第一带宽限制匹配网络56A耦接在输入节点RF_IN与宽带隙晶体管54的栅极接触(G)之间，第二带宽限制匹配网络56B耦接在宽带隙晶体管54的漏极接触(D)与输出节点RF_OUT之间，并且宽带隙晶体管54的源极接触(S)耦接到地。
图7A示出了根据本公开的一个实施例的适合于用作在图5中示出的RF发射链42中的输入级RF PA46、输出级RF PA48或者两者的放大器封装58。放大器封装58包括第一宽带隙晶体管60A、第二宽带隙晶体管60B以及一个或多个带宽限制匹配网络62。带宽限制匹配网络62耦接在输入节点RF_IN与宽带隙晶体管60之间。在一些实施例中，第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B布置为Doherty配置。在放大器封装58中提供多个宽带隙晶体管60可以提高一些应用中放大器封装58的增益和性能。如上所讨论的，第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B可以提供宽带宽范围内的高度线性度和大增益。在一些情况下，放大器封装58的带宽例如由于一个或多个频谱掩蔽需求而是有问题的。因此，为了减小一个或多个预定频带外的信号发射，提供带宽限制匹配网络62以使第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B在一个或多个预定频带外工作时的增益衰减。除了使第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B在一个或多个预定频带外的增益衰减外，带宽限制匹配网络62还可以匹配耦接到放大器封装58的外部阻抗。以下将进一步讨论带宽限制匹配网络62的细节。
在一个实施例中，第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B是GaN晶体管。在附加的实施例中，第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B是SiC上GaN晶体管。存在用于第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B的各种合适的宽带隙半导体材料系统，它们都在本文的考虑中。第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B可以是HEMT。因此，第一带宽限制匹配网络62A可以耦接在输入节点RF_IN与第一宽带隙晶体管60A的栅极接触(G)之间，第二带宽限制匹配网络62B可以耦接在输入节点RF_IN与第二宽带隙晶体管60B的栅极接触(G)之间，第一宽带隙晶体管60A的漏极接触(D)可以耦接到输出节点RF_OUT，第一宽带隙晶体管的源极接触(S)可以耦接到地，第二宽带隙晶体管60B的漏极接触(D)可以耦接到输入节点RF_OUT，并且第二宽带隙晶体管60B的源极接触(S)可以耦接到地。在其它实施例中，第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B可以是FET、MOSFET、BJT、IGBT等。
在一个实施例中，放大器封装58是作为分立组件封装的集成电路。换言之，放大器封装58适合于作为一个或多个传统RF PA的直接方便的替换。在一个实施例中，放大器封装58是单片集成电路。在附加的实施例中，放大器封装58是混合集成电路。在放大器封装58内提供带宽限制匹配网络62允许放大器封装58具有与传统窄带隙RF PA类似的频率响应，但是维持较高的增益和效率同时具有比其传统对应物更低的损耗。因此，放大器封装58可以用作传统RF PA的直接替换，从而改善包含有放大器封装58的RF发射链的性能，而几乎不需要重新设计与放大器封装58接口的RF电路系统。
在一个实施例中，晶体管封装52是以上相对于图3和4描述的包覆成型封装。因此，晶体管封装52可以包括玻璃转变温度(TG)在大约135℃与400℃之间、弯曲模量(FM)低于大约20Gpa、热膨胀系数(CTE)在高于玻璃转变温度的温度处低于大约50ppm/℃并在低于玻璃转变温度的温度处低于大约18ppm/℃以及吸湿率(AR)小于大约0.5％的塑料包覆成型件。此外，可以使用管芯附接材料将晶体管封装52附接到引线框，管芯附接材料的体热导率(KT)在大约40W/m-K与200W/m-K之间并且弯曲模量(FM)小于大约20Gpa。因此，晶体管封装52的成本可以保持较低，同时提供以上讨论的性能改善。
在一个实施例中，放大器封装58可以在一个或多个预定频带中具有大于54dBm(或250W)的峰值输出功率。此外，由于带宽限制匹配网络62，放大器封装58在一个或多个预定频带外具有小于48W的平均功率输出。带宽限制匹配网络62可以在一个或多个预定频带的200MHz内提供0.5dB的增益滚降，以及在一个或多个预定频带的300MHz内提供7.5dB的增益滚降。因此，放大器封装58可以在一个或多个预定频带中提供大于240W的峰值输出功率，并在一个或多个预定频带外提供小于48W的平均输出功率，其中根据针对WCDMA的7.5dB PAR测量放大器封装58的平均输出功率。此外，放大器封装58可以在一个或多个预定频带中提供大于240W的峰值输出功率，并在一个或多个预定频带外提供小于48W的平均功率输出，其中将放大器封装58的平均输出功率定义为当在20％占空比以最大负荷驱动放大器封装58时的放大器封装58的输出功率。在一个实施例中，放大器封装58可以在2.6GHz处以50％的漏极效率提供在80W以上的平均功率输出，同时在50V处发射7.5dB PAR长期演进(LTE)信号，并且在额定输出功率处具有17dB的增益。在附加的实施例中，放大器封装58可以传递大于65％的饱和(PSAT)效率。
在一个实施例中，一个或多个预定频带是用于RF发射的频带。因此，带宽限制匹配网络62可以在RF频率处预匹配一个或多个阻抗，同时限制宽带隙晶体管60的带宽。在一个实施例中，一个或多个预定频带包括在690-960MHz、1800-2300MHz或2300-2700MHz之间的频率中的一个或多个。
图7B示出了根据本公开的附加的实施例的放大器封装58。图7B所示的放大器封装58与图7A所示的放大器封装类似，但是包括耦接在宽带隙晶体管60与输出节点RF_OUT而不是在输入节点RF_IN与宽带隙晶体管60之间的带宽限制匹配网络62。放大器封装58可以以与图7A所示的放大器封装58基本类似的方式运行。即，带宽限制匹配网络62可以减小第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B在一个或多个预定频带外的增益响应，以确保放大器封装58满足一个或多个频谱掩蔽需求。
在一个实施例中，其中第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B是HEMT，输入节点RF_IN耦接到第一宽带隙晶体管60A的栅极接触(G)和第二宽带隙晶体管60B的栅极接触(G)，第一宽带隙晶体管60A的源极接触(S)耦接到地，第一宽带隙晶体管60A的漏极接触(D)通过第一带宽限制匹配网络62A耦接到输出节点RF_OUT，第二宽带隙晶体管60B的漏极接触(D)通过第二带宽限制匹配网络62B耦接到输出节点RF_OUT，并且第二宽带隙晶体管60B的源极接触(S)耦接到地。
图7C示出了根据本公开的又另一个实施例的放大器封装58。图7C所示的放大器封装58与图7A和图7B所示的放大器封装58基本类似，但是包括第三带宽限制匹配网络62C和第四带宽限制匹配网络62D。放大器封装58可以以与以上相对于图5A和5B讨论的放大器封装58基本类似的方式运行。即，带宽限制匹配网络62可以减小第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B的增益响应，以确保放大器封装58满足一个或多个频谱掩蔽需求。
在一个实施例中，其中第一宽带隙晶体管60A和第二宽带隙晶体管60B是HEMT，第一带宽限制匹配网络62A耦接在输入节点RF_IN与第一宽带隙晶体管60A的栅极接触(G)之间，第二带宽限制匹配网络62B耦接在第一宽带隙晶体管60A的漏极接触(D)与输出节点RF_OUT之间，第一宽带隙晶体管60A的源极接触(S)耦接到地，第三带宽限制匹配网络62C耦接在输入节点RF_IN与第二宽带隙晶体管62B的栅极接触(G)之间，第四带宽限制匹配网络62D耦接在第二宽带隙晶体管60B的漏极接触(D)与输出节点RF_OUT之间，并且第二宽带隙晶体管60B的源极接触(S)耦接到地。
图8示出了根据本公开的一个实施例的示例性带宽限制匹配网络64，其可以用作图6A-6C所示的带宽限制匹配网络56和/或图7A-7C所示的带宽限制匹配网络62。带宽限制匹配网络64包括输入节点RF_IN，耦接在输入节点RF_IN与中间节点66之间的第一电感器L1，串联耦接在中间节点66与地之间的第二电感器L2和第一电容器C1，耦接在中间节点66与输出节点RF_OUT之间的第三电感器L3以及耦接在输出节点RF_OUT与地之间的第二电容器C2。第二电感器L2和第二电容器C1可以充当陷波滤波器(notch filter)，其可以使附接的组件在预定频率处衰减。预定频率由选择用于带宽限制匹配网络64中的各组件的电感和/或电容确定。带宽限制匹配网络64中附加的组件可以将存在于输入节点RF_IN的阻抗与存在于输出节点RF_OUT的阻抗相匹配以减小集成有带宽限制匹配网络64的电路中的干扰。
尽管将带宽限制匹配网络64示出为包括以特定形式布置的一定数量的组件，但是存在用于带宽限制匹配网络64中的组件的数量和布置的多种不同配置，并且这些都在本文的考虑之内。带宽限制匹配网络64中组件的数量和布置可以基于在其中获得晶体管封装52和/或放大器封装58所需增益响应的一个或多个预定频带而改变。
图9是例示图4A-4C中所示的晶体管封装52的峰值输出功率响应的图示，其中预定频带在大约2.4GHz至2.7GHz之间。图9中的实线示出包括带宽限制匹配网络56的晶体管封装52的峰值输出功率响应，而虚线示出没有带宽限制匹配网络56的晶体管封装52的功率响应。如图9所示，包括带宽限制匹配网络56的晶体管封装52的功率响应在约2.7GHz开始以显著加速的速率滚降，而没有带宽限制匹配网络56的晶体管封装52的功率响应相对保持线性。此外，晶体管封装52的功率在预定频带中较大，峰值约在55dB。因此，晶体管封装52能够容易地满足一个或多个频谱掩蔽需求，而对晶体管封装52的带内性能具有最小影响。
本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改善和修改。所有这种改善和修改都在本文所公开的概念和所附权利要求的范围的考虑之内。

Claims (18)

1.一种晶体管封装，包括：
引线框；
使用烧结金属管芯附接材料附接到所述引线框的宽带隙晶体管，所述宽带隙晶体管在高达3.8GHz的频率工作时具有大于150W的峰值输出功率，其中所述烧结金属管芯附接材料的体热导率KT在40W/m-K与200W/m-K之间并且所述烧结金属管芯附接材料的弯曲模量FM小于20Gpa；以及
包覆成型件，所述包覆成型件包括与所述宽带隙晶体管直接接触并且至少部分地包围所述引线框和所述宽带隙晶体管的塑料或塑料聚合物化合物，其中所述包覆成型件具有大于135℃的玻璃转变温度和小于20GPa的弯曲模量，其中所述包覆成型件在高于所述玻璃转变温度的温度处具有小于50ppm/℃的热膨胀系数，以及在低于所述玻璃转变温度的温度处具有小于18ppm/℃的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的晶体管封装，其中所述宽带隙晶体管是氮化镓GaN晶体管。
3.根据权利要求1所述的晶体管封装，其中所述宽带隙晶体管是碳化硅SiC上氮化镓GaN晶体管。
4.根据权利要求3所述的晶体管封装，其中所述宽带隙晶体管是高电子迁移率晶体管HEMT。
5.根据权利要求1所述的晶体管封装，其中所述宽带隙晶体管的所述峰值输出功率小于1kW。
6.根据权利要求1所述的晶体管封装，其中所述宽带隙晶体管的效率大于30％。
7.根据权利要求1所述的晶体管封装，其中所述宽带隙晶体管在大于150℃的温度处工作。
8.根据权利要求1所述的晶体管封装，其中所述包覆成型件具有小于0.5％的吸湿率。
9.根据权利要求1所述的晶体管封装，其中所述烧结金属管芯附接材料包括烧结银管芯附接材料。
10.一种包覆成型晶体管封装，包括：
引线框；
所述引线框上的宽带隙晶体管，所述宽带隙晶体管在以高于2.2GHz并且高达3.8GHz的频率工作时，具有大于150W的峰值输出功率；
包覆成型件，所述包覆成型件包括与所述宽带隙晶体管的表面接触、在所述引线框的至少顶表面上并且在所述引线框的所述顶表面之下延伸到所述引线框的至少相对侧表面上的塑料或塑料聚合物化合物；
其中所述包覆成型件具有大于135℃的玻璃转变温度和小于20GPa的弯曲模量，
其中所述包覆成型件在高于所述玻璃转变温度的温度处具有小于50ppm/℃的热膨胀系数，以及在低于所述玻璃转变温度的温度处具有小于18ppm/℃的热膨胀系数，以及
其中所述包覆成型件具有小于0.5％的吸湿率。
11.根据权利要求10所述的包覆成型晶体管封装，其中所述宽带隙晶体管是氮化镓GaN晶体管，并且其中所述包覆成型件至少部分地包围所述宽带隙晶体管。
12.根据权利要求10所述的包覆成型晶体管封装，其中所述宽带隙晶体管是高电子迁移率晶体管HEMT。
13.根据权利要求10所述的包覆成型晶体管封装，还包括所述引线框和所述宽带隙晶体管之间的管芯附接材料，其中所述管芯附接材料的体热导率KT在40W/m-K与200W/m-K之间并且所述管芯附接材料的弯曲模量FM小于20Gpa。
14.根据权利要求10所述的包覆成型晶体管封装，其中所述包覆成型晶体管封装是单片集成电路。
15.根据权利要求10所述的包覆成型晶体管封装，其中所述包覆成型晶体管封装是混合集成电路。
16.一种晶体管封装，包括：
引线框；
宽带隙晶体管；
将所述宽带隙晶体管接合到所述引线框的烧结银管芯附接材料，所述烧结银管芯附接材料在所述引线框和所述宽带隙晶体管之间，其中所述烧结银管芯附接材料的体热导率KT在40W/m-K与200W/m-K之间，并且所述烧结银管芯附接材料的弯曲模量FM小于20Gpa；以及
包覆成型件，所述包覆成型件包括与所述宽带隙晶体管直接接触并且至少部分地包围所述引线框和所述宽带隙晶体管的塑料或塑料聚合物化合物，所述包覆成型件具有大于135℃的玻璃转变温度和小于20GPa的弯曲模量。
17.根据权利要求16所述的晶体管封装，其中所述包覆成型件在高于所述玻璃转变温度的温度处具有小于50ppm/℃的热膨胀系数，以及在低于所述玻璃转变温度的温度处具有小于18ppm/℃的热膨胀系数。
18.根据权利要求16所述的晶体管封装，其中所述包覆成型件具有小于0.5％的吸湿率。
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