JP6849060B2 - 増幅器 - Google Patents

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Description

この発明は増幅器に関する。
特許文献1には、金属キャリア上の誘電体基板にFETが固定され、この誘電体基板上にマイクロストリップ線路が形成され、FETのゲート電極、ドレイン電極とマイクロストリップ線路よりも幅広なマイクロストリップ線路の入出力上部電極が複数の金属ワイヤで接続されたことが開示されている。特許文献1には、さらに、FETの幅方向のエッジ部から中央部になるに従い金属ワイヤの長さを長くすることが開示されている。
特許文献2には、入出力端子と半導体増幅素子の入出力電極を複数の配線で接続するマイクロ波増幅器が開示されている。このマイクロ波増幅器は、複数の配線による配線列における各配線のインピーダンス値を中央列の配線で最も小さくし、配線列の端に向かう程各配線のインピーダンス値を大きくするものである。これにより、各配線における伝送電力の均一化を図り、マイクロ波増幅器の利得、電力付加効率および歪み特性の向上が図られる。
日本特開平10−223674号公報 日本特開平11−238851号公報
パッケージの中にトランジスタチップと整合基板をダイボンドし、ボンディングワイヤで必要な電気的接続を実現することで、増幅器が製造される。内部整合型ではないディスクリート型の増幅器では、トランジスタチップと整合基板をワイヤで接続し、パッケージの入出力端子と整合基板をワイヤで接続する。
増幅器の高出力化の要求に応えるために、並列な複数のトランジスタセルを結合する構造を有するトランジスタチップを用いることがある。複数のトランジスタセルは均一動作することが望ましい。しかしながら、平行に設けられた複数のワイヤからの磁界の相互作用、および端子などの導体における表皮効果により、各トランジスタセルでの入出力信号には位相差が発生する。そのため、複数のトランジスタセルの動作は不均一になる。その結果、複数のトランジスタセルの均一動作を仮定した場合と比較して、増幅器の電力利得、飽和出力電力および電力付加効率が低下してしまう。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、トランジスタチップに形成された複数のトランジスタセルを均一動作させることができる増幅器を提供することを目的とする。
本願の発明にかかる増幅器は、複数のトランジスタセルと、ゲートパッドと、ドレインパッドを有するトランジスタチップと、表面にメタルパターンが形成された整合基板と、該トランジスタチップの幅及び該整合基板の幅より幅が大きい端子と、該端子と該メタルパターンを接続する複数の端子ワイヤと、該メタルパターンと該トランジスタチップを接続する複数のチップワイヤと、を備え、複数の該端子ワイヤの該端子に接続された部分のワイヤ間距離よりも、複数の該端子ワイヤの該メタルパターンに接続された部分のワイヤ間距離が大きいことを特徴とする。
本願の発明に係る他の増幅器は、複数のトランジスタセルと、ゲートパッドと、ドレインパッドを有するトランジスタチップと、表面にメタルパターンが形成され、該メタルパターンの幅は該ゲートパッドの幅又は該ドレインパッドの幅より大きい整合基板と、端子と、該端子と該メタルパターンを接続する複数の端子ワイヤと、該メタルパターンと該トランジスタチップを接続する複数のチップワイヤと、を備え、複数の該チップワイヤの該メタルパターンに接続された部分のワイヤ間距離よりも、複数の該チップワイヤの該トランジスタチップに接続された部分のワイヤ間距離が大きいことを特徴とする。
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
この発明によれば、複数のワイヤを非平行とし、表皮効果の影響が小さい場所にワイヤを接続することで、トランジスタチップに形成された複数のトランジスタセルを均一動作させることができる。
実施の形態1に係る増幅器の断面図である。 パッケージの内部の平面図である。 比較例に係る増幅器の内部構成を示す平面図である。 比較例に係る複数の端子ワイヤの断面図である。 表皮効果による電流不均衡を示す図である。 実施の形態2に係る増幅器の内部の平面図である。
本発明の実施の形態に係る増幅器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る増幅器10の断面図である。増幅器10は、パッケージ12を備えている。パッケージ12は、金属ベース部分12a、金属ベース部分12aの上に設けられた側壁部分12b、および側壁部分12bの上に設けられたふた部分12cを備えている。パッケージ12に端子13と端子14が固定されている。
端子13と端子14だけがパッケージ12から露出している。パッケージ12の中には整合基板20、24とトランジスタチップ22が設けられている。整合基板20、トランジスタチップ22、および整合基板24は別々の基板に形成されている。トランジスタチップ22は例えばGaNなどで形成された電界効果トランジスタである。
端子13と整合基板20は端子ワイヤW1で接続されている。整合基板20とトランジスタチップ22はチップワイヤW2で接続されている。トランジスタチップ22と整合基板24はチップワイヤW3で接続されている。整合基板24と端子14は端子ワイヤW4で接続されている。このように、トランジスタチップ22を用いた増幅器10の入出力接続構造が形成されている。なお、パッケージ12として別の構造を採用してもよい。
図2は、パッケージ12の内部の平面図である。図2におけるx方向は幅方向であり、y方向は長さ方向である。言いかえればy方向は高周波信号の伝送方向であり、x方向は当該伝送方向と垂直の方向である。トランジスタチップ22は複数のトランジスタセルを有することで高出力に対応できるものである。トランジスタチップ22は、幅方向に沿って並んだ複数のゲートパッド22aと、幅方向に伸びるストライプ状のドレインパッド22bを有している。トランジスタチップ22全体として見れば、幅方向の長さの方が長さ方向の長さより大きい。
整合基板20は、誘電体20aと、誘電体20aの上に設けられたメタルパターン20bを備えている。つまり、整合基板20の表面にはメタルパターン20bが形成されている。整合基板20は入力整合基板として機能する。
整合基板24は、誘電体24aと、誘電体24aの上に設けられたメタルパターン24bを備えている。つまり、整合基板24の表面にはメタルパターン24bが形成されている。整合基板24は出力整合基板として機能する。
端子13、14の幅はXaである。この幅Xaは、トランジスタチップ22の幅、整合基板20、24の幅、およびメタルパターン20b、24bの幅より大きい。端子13は入力端子として機能する。端子14は出力端子として機能する。
端子ワイヤW1は複数設けられている。複数の端子ワイヤW1は端子13とメタルパターン20bを接続している。複数の端子ワイヤW1と端子13との接続点は、端子13の幅をXaとしたとき、端子13の幅方向の一端13aから端子13の幅方向の他端13bへXa/4進んだ場所と、他端13bから一端13aへXa/4進んだ場所との間だけにある。Xa/4とは、Xaを4で除算した値のことである。複数の端子ワイヤW1と端子13の接続点は、端子13の幅方向全体にわたって存在するのではなく、端子13の中央部分に集中している。
端子ワイヤW1とメタルパターン20bとの接続点はメタルパターン20bの幅方向全体にわたって存在する。その結果、複数の端子ワイヤW1の端子13に接続された部分のワイヤ間距離よりも、複数の端子ワイヤW1のメタルパターン20bに接続された部分のワイヤ間距離が大きくなっている。つまり、複数の端子ワイヤW1はy正方向に進むほど端子間距離が大きくなる。また、複数の端子ワイヤW1は端に近いワイヤほどワイヤ長が長くなっている。複数の端子ワイヤW1は非平行に設けられている。
端子ワイヤW4は複数設けられている。複数の端子ワイヤW4は端子14とメタルパターン24bを接続している。複数の端子ワイヤW4と端子14との接続点は、端子14の幅をXaとしたとき、端子14の幅方向の一端14aから端子14の幅方向の他端14bへXa/4進んだ場所と、他端14bから一端14aへXa/4進んだ場所との間だけにある。つまり、複数の端子ワイヤW4と端子14の接続点は、端子14の幅方向全体にわたって存在するのではなく、端子14の中央部分に集中している。
端子ワイヤW4とメタルパターン24bとの接続点はメタルパターン24bの幅方向全体にわたって存在する。その結果、複数の端子ワイヤW4の端子14に接続された部分のワイヤ間距離よりも、複数の端子ワイヤW4のメタルパターン24bに接続された部分のワイヤ間距離が大きくなっている。つまり、複数の端子ワイヤW4はy負方向に進むほど端子間距離が大きくなる。また、複数の端子ワイヤW4は端に近いワイヤほどワイヤ長が長くなっている。複数の端子ワイヤW4は非平行に設けられている。
チップワイヤW2は複数設けられている。チップワイヤW2はメタルパターン20bとトランジスタチップ22を接続している。具体的には、複数のチップワイヤW2はメタルパターン20bとゲートパッド22aを接続している。1つのゲートパッド22aに1つのチップワイヤW2が接続されている。複数のチップワイヤW2は平行に設けられている。
チップワイヤW3は複数設けられている。チップワイヤW3はメタルパターン24bとトランジスタチップ22を接続している。具体的には、複数のチップワイヤW3はメタルパターン24bとドレインパッド22bを接続している。1つのドレインパッド22bにすべてのチップワイヤW3が接続されている。複数のチップワイヤW3は平行に設けられている。
複数の端子ワイヤW1を第1ワイヤと称し、複数の端子ワイヤW4を第4ワイヤと称し、複数のチップワイヤW2を第2ワイヤと称し、複数のチップワイヤW3を第3ワイヤと称する。そうすると、高周波信号は、第1ワイヤから、第2ワイヤ、第3ワイヤ、第4ワイヤをこの順に伝送し、端子14から出力されると言うことができる。
図3は、比較例に係る増幅器のパッケージ内部構成を示す平面図である。複数の端子ワイヤW1は平行に設けられ、複数のチップワイヤW2は平行に設けられ、複数のチップワイヤW3は平行に設けられ、複数の端子ワイヤW4は平行に設けられている。
図4は、比較例に係る複数の端子ワイヤW1の断面図である。複数の端子ワイヤW1に電流が流れると複数の端子ワイヤW1の周囲に磁界が発生する。複数の端子ワイヤW1に同じ向きの電流が流れると、端子ワイヤW1間の磁界が打ち消しあう。そのため、複数の端子ワイヤW1全体の磁界は図4の一点鎖線のようになる。破線は電気力線を表す。電気力線の密度が電界の強さを表す。電界は、端子ワイヤW1とパッケージ12の間では、磁界に対して垂直に生じる。しかしながら、両端の端子ワイヤW1については、隣接する端子ワイヤW1の数が中央の端子ワイヤW1と比較して少ないため、磁界の相互作用も小さくなる。このことにより、両端の端子ワイヤW1には中央の端子ワイヤW1よりも電流が多く流れる。したがって両端の端子ワイヤW1の実効的な寄生インダクタンスは、中央の端子ワイヤW1の実効的な寄生インダクタンスより小さくなる。
また、幅が大きい端子13と端子14では、表皮効果によって端子中心から離れるほど電流が多く流れる。図5は、表皮効果によって端子を流れる電流が不均衡となったことを示す図である。図5においては複数の端子ワイヤW1が平行になっている。また、複数の端子ワイヤW1は端子13の中央にも端部にも固定されている。大きな矢印は端子13の端部で大きな電流が流れることを示す。小さな矢印は端子13の中央で小さな電流が流れることを示す。両端の端子ワイヤW1には多くの電流が流れるので、上記の磁界の相互作用による効果とは別に、実効的な寄生インダクタンスが小さくなる。
両端の端子ワイヤW1の実効的な寄生インダクタンスが小さくなることにより、特に両端のトランジスタセルは、中央のトランジスタセルと比較して位相差を伴って動作する。結果として複数のトランジスタセルの動作は不均一となり、トランジスタチップ22の電力利得、飽和出力電力、および電力付加効率が低下してしまう。なお、複数のチップワイヤW2、複数のチップワイヤW3又は複数の端子ワイヤW4を平行に設けた場合にも同じ現象が生じてしまう。
ところが、本発明の実施の形態1に係る増幅器10によればこの問題を解消できる。実施の形態1に係る増幅器10では、複数の端子ワイヤW1の端子13に接続された部分のワイヤ間距離よりも、複数の端子ワイヤW1のメタルパターン20bに接続された部分のワイヤ間距離が大きくなっている。つまり、信号の伝送が進行する方向に向かってワイヤ間距離が大きくなるので、端にある端子ワイヤW1ほどワイヤ長が長くなる。言いかえれば、中央の端子ワイヤW1が最も短く、中央の端子ワイヤW1からの距離が大きい端子ワイヤW1ほど長い。こうすることで、端部および端部に近い端子ワイヤW1の寄生インダクタンスの低減を補償することができる。
複数の端子ワイヤW4についても、端子14に接続された部分のワイヤ間距離よりも、メタルパターン24bに接続された部分のワイヤ間距離を大きくすることで、端部および端部に近い端子ワイヤW4の寄生インダクタンスの低減を抑制することができる。
さらに、複数の端子ワイヤW1は非平行となっているので、複数の端子ワイヤW1の電流の向きも非平行である。そのため、複数の端子ワイヤW1を平行にした場合と比べて複数の端子ワイヤW1間での磁界の相互作用は弱くなる。その結果、各端子ワイヤW1の実効的な寄生インダクタンスの偏差を低減できる。複数の端子ワイヤW4についても、非平行に設けられているので、各端子ワイヤW4の実効的な寄生インダクタンスの偏差を低減できる。こうして、実施の形態1に係る増幅器10では、磁界の相互作用による弊害を抑制する。
表皮効果による弊害は、端子13、14の中央にワイヤを集中させることで抑制する。具体的には、上述のとおり、複数の端子ワイヤW1と端子13との接続点は、端子13の幅をXaとしたとき、端子13の幅方向の一端13aから端子13の幅方向の他端13bへXa/4進んだ場所と、他端13bから一端13aへXa/4進んだ場所との間だけにある。また、複数の端子ワイヤW4と端子14との接続点は、端子14の幅をXaとしたとき、端子14の幅方向の一端14aから端子14の幅方向の他端14bへXa/4進んだ場所と、他端14bから一端14aへXa/4進んだ場所との間だけにある。つまり、複数の端子ワイヤW1と端子13の接続点は端子13の中央部分に集中し、複数の端子ワイヤW4と端子14の接続点は端子14の中央部分に集中している。こうすることで、整合基板20、24及びメタルパターン20b、24bより幅の広い端子13、14を採用しつつ、表皮効果で外側の端子ワイヤW1、W4に大きな電流が流れることを緩和できる。よって、複数の端子ワイヤW1、W4の両端に位置するワイヤの実効的な寄生インダクタンスの減少を抑制できる。
したがって、実施の形態1に係る増幅器10によれば、複数の端子ワイヤW1、W4の磁界の相互作用、および端子13、14での表皮効果による各トランジスタセルの信号の位相差を低減できる。よって、トランジスタチップ22に形成された複数のトランジスタセルを均一動作させ、増幅器10の高利得化、高出力化および高効率化を実現することができる。
本発明の実施の形態1に係る増幅器10はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。例えば、複数の端子ワイヤW1を平行に設けても、複数の端子ワイヤW4が上記特徴を有することで、複数のトランジスタセルをある程度均一動作に近づけることができる。また、複数の端子ワイヤW4を平行に設けても、複数の端子ワイヤW1が上記特徴を有することで、複数のトランジスタセルをある程度均一動作に近づけることができる。また、複数の端子ワイヤW1、W4を端子13、14の中央部分に集中させる際の上記の数値限定は例示である。端子ワイヤW1、W4と端子13、14との接続点を端子13、14の端部からどの程度離すかは必要に応じて設定すればよい。
実施の形態1で言及した変形は以下の実施の形態に係る増幅器に応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る増幅器は実施の形態1との共通点が多いので、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
実施の形態2.
図6は、実施の形態2に係る増幅器30の内部の平面図である。整合基板20、24の表面にはメタルパターン20b、24bが形成されている。メタルパターン20b、24bの幅はゲートパッド22aの幅およびドレインパッド22bの幅より大きい。ゲートパッド22aの幅というのは複数のゲートパッド22a全体の幅という意味である。ゲートパッド22aの幅とドレインパッド22bの幅はほぼ等しい。
メタルパターン20bの幅はゲートパッド22aの幅より大きいので、複数のチップワイヤW2を平行にすることが可能である。しかし、実施の形態2では、複数のチップワイヤW2のメタルパターン20bに接続された部分のワイヤ間距離よりも、複数のチップワイヤW2のトランジスタチップ22に接続された部分のワイヤ間距離が大きくなっている。これにより、複数のチップワイヤW2は非平行になるので、磁界の相互作用によって両端のチップワイヤW2の実効的な寄生インダクタンスが小さくなることを抑制できる。また、複数のチップワイヤW2は端に近いワイヤほどワイヤ長が長いので、端部および端部に近いチップワイヤW2の寄生インダクタンスの低減を補償することができる。
また、複数のチップワイヤW2とメタルパターン20bの接続点をメタルパターン20bの端部を避けてメタルパターン20bの中央部に集中させることで、メタルパターン20bの表皮効果によって両端のチップワイヤW2の実効的な寄生インダクタンスが小さくなることを抑制できる。このとき、複数のチップワイヤW2とメタルパターン20bとの接続点は、メタルパターン20bの幅をXbとしたとき、メタルパターン20bの幅方向の一端20cからメタルパターン20bの幅方向の他端20dへXb/4進んだ場所と、他端20dから一端20cへXb/4進んだ場所との間だけにあるようにすることが好ましい。
メタルパターン24bの幅はドレインパッド22bの幅より大きいので、複数のチップワイヤW3を平行にすることが可能である。しかし、実施の形態2では、複数のチップワイヤW3のメタルパターン24bに接続された部分のワイヤ間距離よりも、複数のチップワイヤW3のトランジスタチップ22に接続された部分のワイヤ間距離が大きくなっている。これにより、複数のチップワイヤW3は非平行になるので、磁界の相互作用によって両端のチップワイヤW3の実効的な寄生インダクタンスが小さくなることを抑制できる。また、複数のチップワイヤW3は端に近いワイヤほどワイヤ長が長いので、端部および端部に近いチップワイヤW3の寄生インダクタンスの低減を補償することができる。
また、複数のチップワイヤW3とメタルパターン24bの接続点をメタルパターン24bの端部を避けてメタルパターン24bの中央部に集中させることで、メタルパターン24bの表皮効果によって両端のチップワイヤW3の実効的な寄生インダクタンスが小さくなることを抑制できる。このとき、複数のチップワイヤW3とメタルパターン24bとの接続点は、メタルパターン24bの幅をXbとしたとき、メタルパターン24bの幅方向の一端24cからメタルパターン24bの幅方向の他端24dへXb/4進んだ場所と、他端24dから一端24cへXb/4進んだ場所との間だけにあるようにすることが好ましい。
上記のように複数のチップワイヤW2、W3を設けることで、トランジスタチップ22に形成された複数のトランジスタセルを均一動作させることができる。複数のチップワイヤW3を平行に設けても、複数のチップワイヤW2が上記特徴を有することで、複数のトランジスタセルをある程度均一動作に近づけることができる。複数のチップワイヤW2を平行に設けても、複数のチップワイヤW3が上記特徴を有することで、複数のトランジスタセルをある程度均一動作に近づけることができる。なお、図2に示される端子ワイヤW1、W4を図6の端子ワイヤW1、W4と置き換えて、複数のトランジスタセルの動作の均一性をさらに高めてもよい。
13,14 端子、 20,24 整合基板、 22 トランジスタチップ、 W1,W4 端子ワイヤ、 W2,W3 チップワイヤ

Claims (8)

  1. 複数のトランジスタセルと、ゲートパッドと、ドレインパッドを有するトランジスタチップと、
    表面にメタルパターンが形成された整合基板と、
    前記トランジスタチップの幅及び前記整合基板の幅より幅が大きい端子と、
    前記端子の前記整合基板と対向する部分と前記メタルパターンを接続する複数の端子ワイヤと、
    前記メタルパターンと前記トランジスタチップを接続する複数のチップワイヤと、を備え、
    前記トランジスタチップと前記整合基板と前記端子は、これらの幅方向と垂直方向に並び、
    複数の前記端子ワイヤの前記端子に接続された部分のワイヤ間距離よりも、複数の前記端子ワイヤの前記メタルパターンに接続された部分のワイヤ間距離が大きく、
    複数の前記端子ワイヤは端に近いワイヤほどワイヤ長が長いことを特徴とする増幅器。
  2. 前記整合基板は、入力整合基板と、出力整合基板とを有し、
    前記端子は、入力端子と、出力端子とを有し、
    複数の前記端子ワイヤは、前記入力端子と前記入力整合基板を接続する複数の第1ワイヤと、前記出力整合基板と前記出力端子を接続する複数の第4ワイヤとを有し、
    複数の前記チップワイヤは、前記入力整合基板と前記トランジスタチップを接続する複数の第2ワイヤと、前記トランジスタチップと前記出力整合基板を接続する複数の第3ワイヤと、を有することを特徴とする請求項1に記載の増幅器。
  3. 複数の前記端子ワイヤは非平行に設けられたことを特徴とする請求項1に記載の増幅器。
  4. 複数の前記端子ワイヤと前記端子との接続点は、前記端子の幅をXaとしたとき、前記端子の幅方向の一端から前記端子の幅方向の他端へXa/4進んだ場所と、前記他端から前記一端へXa/4進んだ場所との間だけにあることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の増幅器。
  5. 複数のトランジスタセルと、ゲートパッドと、ドレインパッドを有するトランジスタチップと、
    表面にメタルパターンが形成され、前記メタルパターンの幅は前記ゲートパッドの幅又は前記ドレインパッドの幅より大きい整合基板と、
    端子と、
    前記端子と前記メタルパターンを接続する複数の端子ワイヤと、
    前記メタルパターンの前記トランジスタチップと対向する部分と前記トランジスタチップを接続する複数のチップワイヤと、を備え、
    前記トランジスタチップと前記整合基板と前記端子は、これらの幅方向と垂直方向に並び、
    複数の前記チップワイヤの前記メタルパターンに接続された部分のワイヤ間距離よりも、複数の前記チップワイヤの前記トランジスタチップに接続された部分のワイヤ間距離が大きく、
    複数の前記チップワイヤは端に近いワイヤほどワイヤ長が長いことを特徴とする増幅器。
  6. 前記整合基板は、入力整合基板と、出力整合基板とを有し、
    前記端子は、入力端子と、出力端子とを有し、
    複数の前記端子ワイヤは、前記入力端子と前記入力整合基板を接続する複数の第1ワイヤと、前記出力整合基板と前記出力端子を接続する複数の第4ワイヤとを有し、
    複数の前記チップワイヤは、前記入力整合基板と前記トランジスタチップを接続する複数の第2ワイヤと、前記トランジスタチップと前記出力整合基板を接続する複数の第3ワイヤと、を有することを特徴とする請求項5に記載の増幅器。
  7. 複数の前記チップワイヤは非平行に設けられたことを特徴とする請求項5に記載の増幅器。
  8. 複数の前記チップワイヤと前記メタルパターンとの接続点は、前記メタルパターンの幅をXbとしたとき、前記メタルパターンの幅方向の一端から前記メタルパターンの幅方向の他端へXb/4進んだ場所と、前記他端から前記一端へXb/4進んだ場所との間だけにあることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の増幅器。
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