DE102007032775B4

DE102007032775B4 - Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE102007032775B4
Application number: DE102007032775.9A
Authority: DE
Inventors: Donald Fowlkes; Bradley Griswold; Henrik Hoyer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2027-07-14
Also published as: US20080019108A1; US7961470B2; DE102007032775A1; CN101202256B; CN101202256A

Abstract

Leistungsverstärker, welcher aufweist: eine Platine (450a, 450b); eine einstückige Wärmesenke (410), die einen Sockel (415) aufweist, und an der Platine (450a, 450b) angebracht ist; eine Rahmenanordnung (420) mit einem Rahmen (423), die auf dem Sockel angeordnet ist, und mit Anschlüssen (425a, 425b), die sich in seitlicher Richtung vom Rahmen (423) weg erstrecken, so daß zwischen der Wärmesenke (410) und den Anschlüssen (425a, 425b) eine Öffnung ausgebildet ist, in die die Platine (450a, 450b) eingeschoben ist; wobei ein Leistungstransistor-Chip unmittelbar auf den Sockel montiert ist, derart, daß die Rahmenanordnung den Leistungstransistor-Chip auf dem Sockel umgibt.

Description

RF-Leistungsverstärker bestehen bei dem gegenwärtigen Stand der Technologie aus einem Leistungstransistor-Gehäuse (”package”), das unmittelbar an die Hauptverstärkerwärmesenke montiert und mit der Platine (Printed Circuit Board; PCB) verbunden ist. 1 zeigt eine typische Grundanordnung 100. Gezeigt sind ein Abschnitt der Hauptverstärker-Wärmesenke 110, Abschnitte der Verstärker-PCB 130a und 130b, und der RF-Leistungstransistor 140. Das RF-Leistungsgehäuse weist ebenso seine eigene integrale Wärmesenke 120 auf. 2 zeigt das RF-Leistungsgehäuse 140 ohne die Abdeckung. Das Basisgehäuse besteht aus der Basis-Wärmesenke 120, an der der dielektrische Isolatorrahmen 150 angebracht ist, an dem wiederum die Eingangs(Gate)-Leitung 170a und die Ausgangs(Drain)-Leitung 170b sowie beide elektrische Kontakte zu dem Leistungsverstärkersystem angebracht sind. Die Wärmesenke 120 dient als Source-Kontakt für die Transistorvorrichtung. Um die Vorrichtung zu vervollständigen, werden ein in dünner Form hergestellter Transistor-Wafer (”transistor die”) 160 plus Kondensatoren eutektisch an der Wärmesenke 120 angebracht. Diese werden wiederum miteinander sowie mit den Leitungen 170 verdrahtet. Abschließend wird eine Abdeckung auf dem Gehäuse angeordnet, so dass ein Transistorvorrichtungsgehäuse mit einem offenen Hohlraum entsteht. Dies schafft eine Mehrchipmodul-Anordnung. 3 stellt eine Aussparung 190 mit Schraubenlöchern dar, die häufig in die Hauptwärmesenke 110 eingearbeitet sind, welche zum Aufnehmen des RF-Leistungsgehäuses 140 benötigt wird. Während des Zusammenbauvorgangs für den Verstärker werden die PCB-Abschnitte 130a und 130b an der Hauptwärmesenke 110 angebracht. Das RF-Transistorgehäuse 140 wird daraufhin an der Wärmesenke 110 festgeschraubt, um einen thermischen und elektrischen Kontakt herzustellen, wie in 1 gezeigt ist. Die Leitungen 170a und 170b werden an die PCB-Abschnitt 130a bzw. 130b gelötet.
Der vorstehend beschriebene RF-Leistungsverstärker weist insbesondere im Hinblick auf das thermische Management der von dem RF-Leistungstransistorchip 160 erzeugten Wärme Beschränkungen auf. Das RF-Leistungstransistorgehäuse 140 und seine Wärmesenkebasis 120 sind dazu ausgelegt, die Ausdehnungscharakteristiken des Siliziumwafers zu berücksichtigen. Dies führt zu Kompromissen bei der Wärmeleitfähigkeit der Wärmesenke 120 des Gehäuses sowie zu höheren Kosten.
Des Weiteren kann die mechanische Grenzfläche zwischen der Wärmesenke 120 des Gehäuses und der Hauptwärmesenke 110 eine verschlechterte Wärmeleitfähigkeit besitzen, falls Bereiche mit einer geringeren Leitungsfähigkeit oder Lücken in Metall-Metall-Kontaktbereichen vorhanden sind. Die Hardware für die Montage erhöht ebenfalls die Kosten für den Verstärkerhersteller. In einigen Fällen wird die Wärmesenke 120 des Gehäuses unmittelbar an die Hauptwärmesenke 110 gelötet. Dieses Verfahren ist auf Grund der Ausdehnungscharakteristiken der Wärmesenken und des Lotes im Hinblick auf die Zuverlässigkeit problematisch, was sich wiederum auf die thermische Leistungsfähigkeit auswirkt.
In der Druckschrift US 6 462 413 B1 ist ein Flansch gezeigt, der einen Sockel aufweist, auf dem ein ”die” angeordnet ist. Der ”die” wird mit Hilfe von Kontaktarmen eines leadframes kontaktiert.
Aus der Druckschrift US 2004/0 195 662 A1 ist ein Halbleiter-Package bekannt, das einen Flansch aufweist, und eine z. B. aus organischem Material bestehende Rahmenanordnung.
In der Druckschrift US 5 012 386 A ist ein Package für eine integrierte Schaltung gezeigt, auf dem ein aus mehreren Schichten bestehendes Substrat angeordnet ist, das eine Aussparung aufweist.
Gemäß der Erfindung wird ein Leistungsverstärker mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch eine Lektüre der nachfolgenden Beschreibung von nicht-einschränkenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die wie folgt kurz beschrieben wird.
1 zeigt einen kleinen Abschnitt eines herkömmlichen RF-Leistungsverstärkers;
2 zeigt ein herkömmliches Leistungstransistorgehäuse ohne Abdeckung, das Leistungstransistor-Wafer und Kondensatoren enthält;
3 zeigt einen Abschnitt einer herkömmlichen Hauptwärmesenke mit Platinen für einen RF-Leistungsverstärker;
4 zeigt eine erste auseinandergezogene Ansicht einer Ausführungsform eines Leistungsverstärkers,
5 zeigt eine Ausführungsform von einem Wafer, Kondensatoren, einem Rahmen und Leitungen, die auf eine Wärmesenke installiert sind;
6 zeigt eine Ausführungsform einer über einen Rahmen montierten Schutzabdeckung; und
7 zeigt eine Ausführungsform einer fertiggestellten Anordnung mit Platinen, die an einer Wärmesenke montiert sind.
Es ist jedoch anzumerken, dass die beigefügte Zeichnung nur einige wenige Aspekte bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und daher deren Schutzumfang nicht einschränkt, da die Erfindung zusätzliche oder äquivalente Ausführungsformen mit umfasst.
Detaillierte Beschreibung
Bei einer Ausführungsform weist der RF-Leistungsverstärker eine Rahmenanordnung mit einem isolierenden dielektrischen Rahmen und am Rahmen angebrachte leitfähige Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen auf, wobei die Rahmenanordnung auf der einstückigen Wärmesenke befestigt ist und den RF-Leistungstransistor-Wafer umgibt. Der RF-Leistungstransistor-Wafer kann ferner Kondensatoren aufweisen, die mit der Eingangs- und Ausgangsleitung elektrisch gekoppelt sind. Der RF-Leistungsverstärker kann ferner eine auf der Rahmenanordnung angeordnete Abdeckung aufweisen. Der RF-Leistungsverstärker kann ferner mindestens eine auf der Wärmesenke angeordnete Platine für die elektrische Verbindung mit den Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen aufweisen. Die Wärmesenke kann eine Oberfläche aufweisen, die so geformt ist, dass sie einen Verstärkerentwurf aufnehmen kann. Die Oberfläche kann so geformt sein, dass sie einen Sockel bildet. Die Wärmesenke kann bei einer Ausführungsform eine ebene obere Oberfläche mit einem Sockel aufweisen, dessen Höhe für die Aufnahme der Platine geeignet ist. Die Anordnung erfüllt auch RF-Anforderungen an die Form und Länge von Zwischenverbindungsdrähten. Der Rahmen kann aus einem isolierenden dielektrischen Material bestehen. Der Rahmen kann aus Keramikmaterial bestehen. Eine einzelne Platine kann auf der Wärmesenke angeordnet sein.
Das Verfahren zur Herstellung eines RF-Leistungsverstärkers kann ferner den Schritt des Anbringens eines Rahmens umfassen, der eine Eingangsübertragungsleitung und eine Ausgangsübertragungsleitung auf der Wärmesenke aufweist. Das Verfahren kann ferner die Schritte des Anordnen mindestens einer Platine auf der Wärmesenke für die elektrische Verbindung umfassen, so dass die Platine zwischen den Übertragungsleitungen und einer oberen Oberfläche der Wärmesenke angeordnet ist. Das Verfahren kann auch die Schritte des Einschiebens einer ersten und einer zweiten Platine in eine Öffnung, die durch jeweils eine der Übertragungsleitungen und eine obere Oberfläche der Wärmesenke gebildet ist, und des elektrischen Verbinden der Platinen mit dem Leistungstransistor-Wafer umfassen. Ein eutektischer Bondiervorgang kann zur Anbringung des Leistungstransistor-Wafers an der Wärmesenke verwendet werden. Die Wärmesenke kann einen Sockel auf einer ebenen Oberfläche aufweisen. Die Höhe des Sockels kann so festgelegt werden, dass die Höhe einer zwischen einer der Übertragungsleitungen und einer ebenen oberen Oberfläche der Wärmesenke ausgebildeten Öffnung annähernd gleich der Höhe der Platine ist.
4 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer Ausführungsform eines RF-Leistungsverstärkers. Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Wärmesenke 410 verwendet. Bei einer Ausführungsform enthält die Wärmesenke 410 einen Hauptkörper 413 mit einer ebenen oberen Oberfäche 411. Bei anderen Ausführungsformen können andere Wärmesenken verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, Wärmesenken mit Rippen und verschiedenen Arten von Formgebungen zu verwenden. Bei einer Ausführungsform befindet sich eine erhabene Fläche 415 in der Mitte der oberen Oberfläche 411. Bei einer Ausführungsform ist die erhabene Fläche 415 ein Sockel 415.
Bei einer Ausführungsform befindet sich ein integrierter Sockel 415 in der Mitte der oberen Oberfläche 411. Bei anderen Ausführungsformen kann der Sockel 415 in einem anderen geeigneten Bereich auf der Oberfläche 411 vorliegen. Bei der veranschaulichten Ausführungsform besitzt der Sockel 415 eine rechteckige Form. Bei anderen Ausführungsformen kann der Sockel 415 jedoch andere geeignete Formgebungen aufweisen, um verschiedene Transistorwafer aufzunehmen, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird. Der Sockel 415 besitzt vertikale Abmessungen, welche die Aufnahme der PCB 450 ermöglichen, und ermöglicht eine Einstellung der Drahtlänge und -höhe von Verbindungen zu den Leitungen 425 zu RF-Abstimmzwecken. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Wärmesenke 410 aus einem jeglichen geeigneten Typ von thermisch und elektrisch leitfähigem Material wie etwa Aluminium gefertigt sein.
4 zeigt des Weiteren eine Ausführungsform einer Rahmenanordnung 420 mit einem Rahmen 423 und Anschlüssen bzw. Leitungen 425a und 425b. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Leitungen 425 aus geeigneten Materialien wie etwa Kupfer gefertigt sein. Der Rahmen 423 kann keramische oder andere elektrisch isolierende oder dielektrische Materialien aufweisen, welche an elektrische Erfordernisse des RF-Leistungstransistors angepasst sind. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Rahmenanordnung 420 als eine einzelne Anordnung vorliegen oder nach dem Anbringen des Rahmens 423 an dem Sockel 415 zusammengebaut werden. 4 zeigt auch Platinen (PCBs) 450a und 450b, die über Leitungen 425a und 425b eine Verbindung mit dem Transistorgehäuse ermöglichen. Bei einer Ausführungsform kann eine einzelne PCB 450 für die Verbindung mit dem Transistorgehäuse verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann eine einzelne PCB an der Wärmesenke angebracht werden, bevor ein Transistorwafer auf der Wärmesenke angeordnet wird.
5 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Transistor-Wafer-Array 430, ein Kondensator-Array und die Rahmenanordnung 420 auf dem Sockel 415 angeordnet sind. Bei anderen Ausführungsformen wird der Kondensator-Array nicht verwendet. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Transistor-Wafer-Array 430 unter Verwendung eines Hochtemperatur-Lötverfahrens oder unter Verwendung eines Klebeverfahrens, das eine thermische und elektrische Verbindung der Waferanordnung 430 an der Wärmesenke 410 zur Verfügung stellt, am Sockel angebracht werden. Bei einer Ausführungsform kann ein eutektischer Silizium-Gold-Bondiervorgang zum Montieren des Transistor-Wafer-Array 430 auf den Sockel 415 verwendet werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein thermisch und elektrisch leitfähiger Epoxidklebstoff verwendet werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Transistor-Wafer-Array 430 andere Vorrichtungen wie etwa Kondensatoren und Bonddrähte enthalten, die jeweilige Eingangs- und Ausgangs-Abgleichnetzwerke herstellen. Bei der veranschaulichten Ausführungsform werden nach dem Anordnen des Transistor-Wafer-Array 430, eines Kondensator-Array und der Rahmenanordnung 420 auf dem Sockel 415 Bonddrähte verwendet, um den Transistor-Wafer-Array 430, den Kondensator-Array und die Leitungen 425a und 425b nach Bedarf miteinander zu verbinden.
6 veranschaulicht eine Ausführungsform einer über eine Rahmenanordnung 420 montierten Schutzabdeckung 440. Die Abdeckung 440 wird über der Rahmenanordnung 420 angeordnet, um den Transistor-Wafer-Array 430 und den Kondensator-Array zu schützen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Abdeckung 440 aus Materialien wie etwa Keramik oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abdeckung 440 Aussparungen zum Aufnehmen der Übertragungsleitungen oder Leitungen 425a und 425b enthalten. Die Abdeckung 440 kann unter Verwendung eines jeglichen geeigenten Anbringungsverfahrens oder -materials wie etwa eines Klebstoffes angebracht werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Abdeckung 440 bei einem jeglichen Schritt nach dem Drahtbondiervorgang angebracht werden.
7 zeigt eine Ausführungsform von Platinen 450a und 450b, die an der Wärmesenke 410 montiert sind. Bei einer Ausführungsform weist die Wärmesenke 410 eine ebene obere Oberfläche mit einem Sockel 415 auf, der eine solche Höhe besitzt, dass er für die Aufnahme der Platinen 450a und 450b geeignet ist, was die Erfüllung von RF-Anforderungen hinsichtlich der Formgebung und Länge der Zwischenverbindungsdrähte ermöglicht. Bei einer Ausführungsform werden die Platinen 450a und 450b in eine zwischen der Wärmesenke 410 und den Übertragungsleitungen 425a und 425b ausgebildete Öffnung eingeschoben, nachdem der Rahmen auf dem Sockel 415 angeordnet wurde. Hierzu ist bei dieser Ausführungsform die Höhe des Sockels 415 so ausgelegt, dass die zwischen einer oder beiden der Übertragungsleitungen 425a und 425b und der Wärmesenke 410 ausgebildete Öffnung annähernd die gleiche Höhe wie die Platinen 450a oder 450b besitzt. Bei einer Ausführungsform besitzt der Sockel 415 eine Höhe, welche die Aufnahme von einer oder mehreren elektrischen Verbindungen zwischen der Eingangs- und Ausgangsleitung 425a und 425b und der mindestens einen Platine ermöglicht.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Platinen 450a und 450b zu verschiedenen Zeitpunkten während des Herstellungsvorgangs auf der Wärmesenke 410 angeordnet werden. Bei einer Ausführungsform werden Leitungen oder Bonddrähte vor dem Anordnen der PCB 450 auf der Wärmesenke 410 angebracht. Bei einer Ausführungsform werden Leitungen oder Bonddrähte nach dem Anordnen der PCB 450 auf der Wärmesenke 410 angebracht. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Platinen 450a und 450b unter Verwendung eines Verfahrens wie etwa eines Reflow-Verfahrens auf die Wärmesenke 410 gelötet werden. Eine jegliche geeignete Anzahl von Platinen 450 kann bei anderen Ausführungsformen verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann eine einzelne PCB 450 verwendet werden, um eine Verbindung mit dem Leistungstransistorgehäuse zur Verfügung zu stellen. Bei verschiedenen Ausführungsformen können jegliche geeigneten Anbringungsverfahren oder -materialien, wie etwa Klebstoffe, verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist daher gut dazu angepasst, die genannten Aufgaben zu lösen sowie die genannten und ihr innewohnenden Zwecke und Vorteile zu erzielen.

Claims

Leistungsverstärker, welcher aufweist: eine Platine (450a, 450b); eine einstückige Wärmesenke (410), die einen Sockel (415) aufweist, und an der Platine (450a, 450b) angebracht ist; eine Rahmenanordnung (420) mit einem Rahmen (423), die auf dem Sockel angeordnet ist, und mit Anschlüssen (425a, 425b), die sich in seitlicher Richtung vom Rahmen (423) weg erstrecken, so daß zwischen der Wärmesenke (410) und den Anschlüssen (425a, 425b) eine Öffnung ausgebildet ist, in die die Platine (450a, 450b) eingeschoben ist; wobei ein Leistungstransistor-Chip unmittelbar auf den Sockel montiert ist, derart, daß die Rahmenanordnung den Leistungstransistor-Chip auf dem Sockel umgibt.
Leistungsverstärker nach Anspruch 1, wobei der Rahmen ein dielektrischer Rahmen ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 1, wobei die Größe der Rahmenanordnung dazu bemessen ist, die Aufnahme des Sockels zu ermöglichen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 1, wobei die Öffnung zwischen den Anschlüssen (425a, 425b) und der Wärmesenke annähernd gleich der Höhe der Platine ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 1, mit einem oder mehreren Kondensatoren, die an der Wärmesenke angebracht sind.