JP2006294901A - Power amplifier - Google Patents

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Katsuhiko Kawashima
克彦 川島
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power amplifier capable of delivering high power output, while maintaining superior heat dissipation and grounding performance. <P>SOLUTION: An emitter electrode 4 of bipolar transistor elements is provided with a bump 8, and these are grounded with each other at a short distance. A unit cell 7 is formed as a single configuration unit by combining these arrangements. This method achieves the power amplifier capable of delivering high power output, while maintaining superior heat dissipation and grounding performance. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、バイポーラトランジスタを用いた電力増幅器に関するものであり、特に、携帯電話等の高周波応用で用いられるヘテロ接合バイポーラトランジスタ(以下HBTという)を用いた電力増幅器に関する。   The present invention relates to a power amplifier using a bipolar transistor, and more particularly to a power amplifier using a heterojunction bipolar transistor (hereinafter referred to as HBT) used in high frequency applications such as a cellular phone.

以下、図面を参照しながら従来のHBT電力増幅器の構造について説明する。   The structure of a conventional HBT power amplifier will be described below with reference to the drawings.

図2は従来のHBT電力増幅器の一例を示す平面図であり、HBT素子1が1つの単位となって、この単位の繰り返しによって構成される。   FIG. 2 is a plan view showing an example of a conventional HBT power amplifier. The HBT element 1 is a unit and is constituted by repeating this unit.

図2の構成の場合、HBT素子1が16セル2列並んだ32セルの例を示しているが、64セルならばこれを2つ、96セルならば3つ並べることによって構成されることになる。   In the case of the configuration of FIG. 2, an example of 32 cells in which HBT elements 1 are arranged in two rows of 16 cells is shown, but it is configured by arranging two of these in the case of 64 cells and three of them in the case of 96 cells. Become.

図中、2はベース電極、3はコレクタ電極、4はエミッタ電極であり、これら電極から構成されるHBT素子1が列状に並び、エミッタ電極4はビアホール5を介して接地されている。ベース電極2は、直流バイアス供給と高周波入力があり、多くの場合、バイアス供給には抵抗を介し、高周波入力には整合を兼ねた容量を介する構造となっているが、説明を簡略化するためにこれらの抵抗と容量を省き、単にベース電極2として示している。コレクタ電極3については、出力を集める列があり、その列はビアホール5の両側に配置されると共に、コレクタ引き出し電極6に合成されて出力される。実際のビアホール4は70μm径、ビアホールの中心間隔100μmで配置されている。   In the figure, 2 is a base electrode, 3 is a collector electrode, and 4 is an emitter electrode. HBT elements 1 composed of these electrodes are arranged in a line, and the emitter electrode 4 is grounded via a via hole 5. The base electrode 2 has a DC bias supply and a high-frequency input. In many cases, the bias supply is provided with a resistor, and the high-frequency input is provided with a capacitor serving as a match. These resistors and capacitors are omitted and are simply shown as the base electrode 2. As for the collector electrode 3, there is a column for collecting outputs, and these columns are arranged on both sides of the via hole 5 and are combined with the collector extraction electrode 6 and output. The actual via holes 4 are arranged with a diameter of 70 μm and a via hole center distance of 100 μm.

このHBT電力増幅器における放熱はビアホール5からなされ、かつエミッタ接地はビアホール5の列に接続される配線によってなされるので、この配線が短い程、即ち、コレクタ幅W1が狭いほどビアホール5とエミッタ電極4が接近するので放熱性能は向上して接地も良くなるが、このようにするとコレクタ電極3を外部に引き出すためのコレクタ引出し電極6とコレクタ電極3との接続線が細くなって高抵抗化し、増幅器としての出力を減衰させてしまうことになる。   In this HBT power amplifier, heat is radiated from the via hole 5 and emitter grounding is performed by a wiring connected to the column of the via holes 5. However, in this case, the connection line between the collector extraction electrode 6 and the collector electrode 3 for extracting the collector electrode 3 to the outside becomes thin and the resistance is increased. As a result, the output will be attenuated.

前記の課題に対応する従来構造の一例として例えば特許文献1に記載された高周波増幅器の構造を挙げることができる。
特開2000−106386号公報
An example of a conventional structure corresponding to the above-described problem is the structure of a high-frequency amplifier described in Patent Document 1.
JP 2000-106386 A

しかしながら、前記従来のHBT電力増幅器の構造では、後述のように互いに相反する2つの問題が起こる。即ち、このHBT電力増幅器において、各HBT素子で発生する熱の放熱はビアホール5からなされ、かつエミッタ接地はビアホール5の列に接続される配線によってなされるので、エミッタ接地までの距離が短い程放熱性能は向上し、接地も良くなることになる。この距離を短くすることは図2に示すコレクタ幅W1をできるだけ小さくすることで実現できるのであるが、一方、コレクタ出力を高出力化するためにHBTのコレクタ出力抵抗を低抵抗化することも必要であり、コレクタ電極3のコレクタ幅W1はできるだけ広く低抵抗であることが要求されるという互いに相反する2つの課題が発生する。   However, in the structure of the conventional HBT power amplifier, there are two problems that conflict with each other as will be described later. That is, in this HBT power amplifier, the heat generated in each HBT element is dissipated from the via hole 5 and the emitter ground is formed by the wiring connected to the row of the via holes 5, so that the shorter the distance to the emitter ground, the more the heat dissipates. Performance will be improved and grounding will be improved. Although shortening this distance can be realized by reducing the collector width W1 shown in FIG. 2 as much as possible, it is also necessary to reduce the collector output resistance of the HBT in order to increase the collector output. Thus, two contradictory problems arise that the collector width W1 of the collector electrode 3 is required to be as wide and low resistance as possible.

なお、ビアホール5はできるだけ多くかつ配置ピッチも狭いことが望ましいが、製造方法上制限があった。   Although it is desirable that there are as many via holes 5 as possible and the arrangement pitch is as narrow as possible, there are limitations on the manufacturing method.

本願発明は、前記従来の問題点を解決するものであり、放熱と接地の良さを維持しながら、高出力化が可能な電力増幅器を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a power amplifier capable of increasing the output while maintaining good heat dissipation and grounding.

前記課題を解決するために、本発明に係わる電力増幅器は、バイポーラトランジスタ素子のエミッタ電極にバンプが備えられて近距離接地されており、これらを複数個組み合わせて1つの構成単位としてのユニットセルを形成したものである。   In order to solve the above-mentioned problems, a power amplifier according to the present invention is provided with a bump on the emitter electrode of a bipolar transistor element and grounded at a short distance, and a plurality of these are combined to form a unit cell as one constituent unit. Formed.

また、前記バイポーラトランジスタ素子のコレクタ電極は共通コレクタ電極から枝状に分岐されて形成され、列をなして配置されるようにしたものである。   Further, the collector electrode of the bipolar transistor element is formed by branching from the common collector electrode and arranged in a row.

本発明の電力増幅器によれば、各ユニットセルに設けられたバンプがエミッタ接地と放熱の機能を有すると共に、バンプはビアホールに比べて配置ピッチが狭くできるために、全てのユニットセルに対してそのエミッタ電極の直近に設置することが可能となり、この設置数の多さと距離の近さでビアホールよりも放熱効果は高くなる。また、ビアホールは半導体基板をエッチングして構成するので、ビアホールのある場所には他にパターンを形成することができないが、バンプを用いる場合はエミッタ電極の上に形成するので、エミッタ電極下の半導体表面側はパターン形成が可能となり、この部分に広面積のコレクタ電極を配置すればコレクタ電極は従来に比べて劇的に太くすることができ、放熱と接地の良さを維持しながら、高出力が得られる電力増幅器を提供することが可能となる。   According to the power amplifier of the present invention, the bump provided in each unit cell has a function of grounding the emitter and dissipating heat, and the bump can be arranged with a smaller pitch than the via hole. The emitter electrode can be installed in the immediate vicinity, and the heat radiation effect is higher than that of the via hole due to the large number of installed electrodes and the closeness of the distance. In addition, since the via hole is formed by etching the semiconductor substrate, no other pattern can be formed at the location of the via hole, but when using a bump, it is formed on the emitter electrode, so the semiconductor under the emitter electrode Pattern formation is possible on the surface side, and if a collector electrode with a large area is arranged in this part, the collector electrode can be dramatically thicker than before, and high output can be achieved while maintaining good heat dissipation and grounding It is possible to provide the obtained power amplifier.

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態における電力増幅器の一例を示す平面図であり、周波数が400MHz以上で出力が20dBm以上であるHBTを用いた電力増幅器の例を示している。なお、図2において説明した構成部材に対応し、実質的に同等の機能を有するものには同一符号を付してこれを示す。また、以下の実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。   FIG. 1 is a plan view showing an example of a power amplifier according to an embodiment of the present invention, and shows an example of a power amplifier using an HBT having a frequency of 400 MHz or more and an output of 20 dBm or more. Note that components corresponding to the components described in FIG. 2 and having substantially the same functions are denoted by the same reference numerals. The following embodiment is an example embodying the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.

図1に示すように、HBT素子1を4個をまとめたユニットセル7を構成し、その1つのユニットセル7に対して1つのバンプ8を設ける。このバンプ8はフリップチップ実装されて接地され、接地と放熱の効果を有する。従来と異なり、接地面までの距離も最短であるから接地特性と放熱特性は改善される。コレクタ電極は共通コレクタ電極9から枝状に分岐されて形成され、列をなして配置される。   As shown in FIG. 1, a unit cell 7 in which four HBT elements 1 are combined is configured, and one bump 8 is provided for the unit cell 7. The bump 8 is flip-chip mounted and grounded, and has an effect of grounding and heat dissipation. Unlike the prior art, since the distance to the ground plane is also the shortest, the grounding characteristics and heat dissipation characteristics are improved. The collector electrodes are branched from the common collector electrode 9 and are arranged in rows.

この共通コレクタ電極9はエミッタ電極4の下の空間を利用して配置できるので、コレクタ幅W2は広くなり、従来のコレクタ幅W1と比べて数倍以上にすることができた。このコレクタ幅W2の増加により、コレクタ抵抗を低減できるので高出力化を図ることができ、併せて出力ロスも減り、効率も向上する。   Since the common collector electrode 9 can be arranged by utilizing the space below the emitter electrode 4, the collector width W2 is widened and can be several times larger than the conventional collector width W1. By increasing the collector width W2, the collector resistance can be reduced, so that the output can be increased, and the output loss is also reduced and the efficiency is improved.

なお、HBTのユニットセルのまとめ方は各HBT素子のベース端子をいくつまとめるかにより決定され、まとめる個数については、3個から5個までが望ましい。   The method of grouping the unit cells of the HBT is determined by how many base terminals of each HBT element are grouped, and the number of groups is preferably 3 to 5.

本発明は、優れた電極の接地特性と放熱特性および、高出力、高効率が要求される電力増幅器に適用され、携帯電話あるいはモバイル機器等に用いられる電力増幅器、特に、高周波応用で用いられるヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いた電力増幅器用として有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to a power amplifier that requires excellent grounding characteristics and heat radiation characteristics of an electrode, high output, and high efficiency, and is used in a mobile phone or a mobile device, and more particularly, a hetero amplifier used in high frequency applications. This is useful for a power amplifier using a junction bipolar transistor.

本発明の実施の形態における電力増幅器の一例を示す平面図The top view which shows an example of the power amplifier in embodiment of this invention 従来の電力増幅器の一例を示す平面図Plan view showing an example of a conventional power amplifier

符号の説明Explanation of symbols

1 HBT素子
2 ベース電極
4 エミッタ電極
6 コレクタ引き出し電極
7 HBTユニットセル
8 バンプ
9 共通コレクタ電極
W1 コレクタ幅
W2 コレクタ幅
1 HBT element 2 Base electrode 4 Emitter electrode 6 Collector lead electrode 7 HBT unit cell 8 Bump 9 Common collector electrode W1 Collector width W2 Collector width

Claims (2)

複数のバイポーラトランジスタ素子のまとめられたエミッタ電極に一つのバンプが備えられて、前記バイポーラトランジスタ素子が互いに近距離接地されており、この前記複数のバイポーラトランジスタ素子と前記バンプとの一体形成されたものが、新たな構成単位となっていることを特徴とする電力増幅器。   A single bump is provided on the combined emitter electrode of a plurality of bipolar transistor elements, and the bipolar transistor elements are grounded to each other at a short distance, and the plurality of bipolar transistor elements and the bump are integrally formed. Is a new structural unit. 前記複数のバイポーラトランジスタ素子と前記バンプとからなる構成単位が共通コレクタ電極列から枝状に分岐されて配置されていることを特徴とする請求項1記載の電力増幅器。   2. The power amplifier according to claim 1, wherein the structural unit composed of the plurality of bipolar transistor elements and the bumps is branched from the common collector electrode array.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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