JPS5929377Y2 - High frequency high power transistor device - Google Patents

High frequency high power transistor device

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JPS5929377Y2
JPS5929377Y2 JP1975031399U JP3139975U JPS5929377Y2 JP S5929377 Y2 JPS5929377 Y2 JP S5929377Y2 JP 1975031399 U JP1975031399 U JP 1975031399U JP 3139975 U JP3139975 U JP 3139975U JP S5929377 Y2 JPS5929377 Y2 JP S5929377Y2
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JP
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transistor
transistor element
circuit
electrode
line
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JP1975031399U
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Inventor
勇次 梶原
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日本電気株式会社
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Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、高出力半導体装置のうち、とくにVHF帯お
よびマイクロ波帯で高出力をとり出しうる高周波高出力
トランジスタ装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a high-frequency, high-output transistor device that can extract high output from among high-output semiconductor devices, particularly in the VHF band and the microwave band.

周知の如く、通常のトランジスタ素子は半導体基板自身
がコレクタ電極となり、この半導体基板の上面にベース
電極とエミッタ電極が形成されている。
As is well known, in a typical transistor element, a semiconductor substrate itself serves as a collector electrode, and a base electrode and an emitter electrode are formed on the upper surface of this semiconductor substrate.

このトランジスタ素子を用いて高周波信号の電力増幅を
行なうためには、入力端子をエミッタ電極かあるいはベ
ース電極に、出力端子はコレクタ電極として剛いられ、
共通端子が電気的に接地されたベース電極あるいはエミ
ッタ電極、として構成される。
In order to amplify the power of a high-frequency signal using this transistor element, the input terminal is set as an emitter electrode or base electrode, and the output terminal is set as a collector electrode.
The common terminal is configured as an electrically grounded base electrode or emitter electrode.

すなわち、半導体基板自身からなるコレクタ電極は接地
電極から電気的に絶縁した構成にする必要がある。
That is, the collector electrode made of the semiconductor substrate itself needs to be electrically insulated from the ground electrode.

従来、この種の半導体装置は通常第1図に示すようにべ
IJ IJア磁器等の良熱伝導性誘電体からなる平板状
ステム基板4上にトランジスタ素子1および外部引出電
極3を設置し、前記ステム基板4の下部には熱放散をよ
くするために銅からなる接地用放熱体2を設けた構造に
なっていて、高性能化を目的として高出力電力動作する
場合に問題になるトランジスタの接合温晩を下げるため
に、特に熱抵抗を低減するように設計されている。
Conventionally, this type of semiconductor device usually has a transistor element 1 and an external lead electrode 3 installed on a flat stem substrate 4 made of a dielectric material with good thermal conductivity such as ceramic, as shown in FIG. A grounding heat sink 2 made of copper is provided at the bottom of the stem board 4 to improve heat dissipation. Specifically designed to reduce thermal resistance to lower bonding temperatures.

しかし、このような従来の構造においては、さらに熱抵
抗を下げようとするならば、ステム基板4の厚さを薄く
したり、トランジスタ素子1チツプの厚さを薄くするし
か方法がない。
However, in such a conventional structure, if the thermal resistance is to be further reduced, the only way is to reduce the thickness of the stem substrate 4 or the thickness of the transistor element 1 chip.

しかしながら、ステム基板4を薄くすると素子1と接地
間の寄生容量および外部引出電極3と接地間の寄生容量
が増加し、半導体装置の性能としてはむしろ、逆効果に
なったり、異常現象の原因になったりもする。
However, if the stem substrate 4 is made thinner, the parasitic capacitance between the element 1 and the ground and the parasitic capacitance between the external extraction electrode 3 and the ground increase, which may have an adverse effect on the performance of the semiconductor device or cause abnormal phenomena. Sometimes it happens.

またトランジスタ素子1を薄くすることは、製作技術上
困難な点があり、現状が限界である。
Furthermore, it is difficult to make the transistor element 1 thinner in terms of manufacturing technology, and the current state of the art is at its limit.

さらにまたステム基板4の上下にはメタライズ層5を介
してトランジスタ素子1や接地用放熱体2をロー着して
いるが、前記メタライズ層5自身、およびロー着するた
めのロー材自身の熱抵抗も無視できなくなり、それぞれ
がトランジスタ素子1と接他用放熱体2との間に2層形
成されることによる熱抵抗があり、またそれぞれの膜厚
を均−Zこするのが困難である。
Furthermore, the transistor element 1 and the grounding heat sink 2 are soldered to the top and bottom of the stem board 4 via the metallized layer 5, but the thermal resistance of the metalized layer 5 itself and the brazing material itself for soldering is This cannot be ignored, and there is a thermal resistance due to the formation of two layers between the transistor element 1 and the heat dissipating body 2, and it is difficult to equalize the thickness of each film.

またステム基板4にロー着時クラックが生じたりして、
パッケージの熱抵抗が大きくなり、しかも大きなばらつ
きを生ずる等の欠点があった。
In addition, cracks may occur on the stem board 4 when soldering,
There were drawbacks such as an increase in the thermal resistance of the package and large variations in the thermal resistance.

本考案の目的は、か\る欠点を除去し、熱抵抗が小さく
、高性能の高周波用高出力トランジスタ装置を提供する
ことにある。
An object of the present invention is to eliminate such drawbacks, to provide a high-power transistor device for high-frequency use with low thermal resistance and high performance.

本考案によれば、誘電体基板上にバラン変換器が設けら
れてなる入力回路と他の誘電体基板上に導電体線路が設
けられてなる出力回路とがトランジスタのコレクタ電極
が直接接地固着されてなる接地導体上の前記トランジス
タに近接して接地導体上に固着され、かつ前記入力回路
を構成するバラン変換器の平行伝送線路の一方の端子に
前記トランジスタのベース電極が、他の端子にエミッタ
電極が、前記出力回路の一端に前記トランジスタのベー
ス電極がそれぞれ直接もしくは整合回路を介して接続さ
れていることを特徴とする高周波高出力トランジスタ装
置が得られる。
According to the present invention, an input circuit in which a balun converter is provided on a dielectric substrate and an output circuit in which a conductive line is provided on another dielectric substrate are connected so that the collector electrode of the transistor is directly fixed to ground. The base electrode of the transistor is connected to one terminal of the parallel transmission line of the balun converter, which is fixed on the ground conductor in close proximity to the transistor on the ground conductor and which constitutes the input circuit, and the base electrode of the transistor is connected to the other terminal of the parallel transmission line. A high frequency, high output transistor device is obtained, wherein the base electrodes of the transistors are connected to one end of the output circuit, either directly or via a matching circuit.

前記本考案によれば、トランジスタ素子が直接放熱体を
かねた接地導体に接続されているために、熱放散が非常
に良くなすことができ、しかも熱抵抗が小さくバラツキ
の少ない高出力化を実現することができる。
According to the present invention, since the transistor element is directly connected to the ground conductor that also serves as a heat sink, heat dissipation is very good, and the thermal resistance is small, achieving high output with little variation. can do.

例えば接地導体にはCuにAuメッキした材料を用い、
トランジスタ素子にはSi基板を用いたトランジスタ装
置の場合、前記トランジスタ素子をロー材を用いずに直
接接地導体に熱圧着することにより接着面で容易にAu
−8i共晶合金が出来て固着される。
For example, the ground conductor is made of Cu plated with Au,
In the case of a transistor device that uses a Si substrate for the transistor element, the transistor element can be thermocompression bonded directly to the ground conductor without using a brazing material, making it easy to bond Au on the adhesive surface.
-8i eutectic alloy is formed and fixed.

しだがって従来のステム基板がもつ固有の熱抵抗、およ
びそのステム基板上下にそれぞれ設置した例えばMoM
u層からなるメタライズ層の熱抵抗が少なくとも無くな
る。
Therefore, due to the inherent thermal resistance of the conventional stem substrate, and the
At least the thermal resistance of the metallized layer made of the U layer is eliminated.

以下本考案について一実施例を示す図面を用いて詳述す
る。
The present invention will be described in detail below with reference to drawings showing one embodiment.

第2図a、b、cは本考案の一実施例を示す縦断面図お
よび上面概略図とその等価回路図である。
FIGS. 2a, 2b, and 2c are a vertical sectional view, a schematic top view, and an equivalent circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

同図aにおいて、トランジスタ素子1は接地導体2上に
直接載置固着されていて、前記トランジスタ素子1のコ
レクタ電極は接地されている。
In FIG. 1A, a transistor element 1 is directly mounted and fixed on a ground conductor 2, and the collector electrode of the transistor element 1 is grounded.

さらに接地導体2上には砥入出力回格が構成されている
誘電体基板6,7を設置し、外部引出線3にて外部回路
に接続される。
Furthermore, dielectric substrates 6 and 7 on which a grinding input/output circuit is formed are installed on the ground conductor 2, and are connected to an external circuit by an external lead wire 3.

このような構造のトランジスタ装置は、トランジスタ素
子1で発生する熱は接地導体2に伝達され放散される。
In the transistor device having such a structure, heat generated in the transistor element 1 is transmitted to the ground conductor 2 and dissipated.

したがってトランジスタ素子1の温度上昇は少なく、と
くに高出力トランジスタ装置のように、高電流で動作さ
せ高電力がトランジスタ素子で消費される場合に適して
いる。
Therefore, the temperature rise of the transistor element 1 is small, and the present invention is particularly suitable for a high-output transistor device in which the transistor element operates at a high current and consumes high power.

さらに、従来の半導体装置において問題になっていたス
テム基板の熱抵抗、および該ステム基板のメタライズ層
および放熱体とのロー付けの際のロー材の熱抵抗を考慮
する必要がない。
Furthermore, there is no need to consider the thermal resistance of the stem substrate, which has been a problem in conventional semiconductor devices, and the thermal resistance of the brazing material when brazing the stem substrate with the metallized layer and the heat sink.

通常、ステム基板は熱伝導の良いべIJ IJア磁器を
用いているが、べIJ IJア磁器は高価でしかも有毒
な材料であるので、本考案によれば、価格および生産性
の点で有利である。
Normally, the stem board is made of ceramic with good heat conductivity, but ceramic is an expensive and toxic material, so the present invention is advantageous in terms of cost and productivity. It is.

第2図す、cにおいて、トランジスタ素子1の入力側回
路を形成しているバラン変換器は入力側誘電体基板6上
に使用周波数で約2分の一波長の長さをもつ分布定数線
路10からなり、該分布定数線路10の両端に使用周波
数で約4分の1波長の長さを有する平衡2線路11.1
2が接続されている。
In FIGS. 2 and 2c, the balun converter forming the input side circuit of the transistor element 1 has a distributed constant line 10 on the input side dielectric substrate 6 having a length of approximately one-half wavelength at the operating frequency. At both ends of the distributed constant line 10, there are two balanced lines 11.1 having a length of about a quarter wavelength at the operating frequency.
2 are connected.

該平衡2線路11.12の他端にはトランジスタ素子1
のベース電極とエミッタ電極がリード線8で接続されて
いる。
A transistor element 1 is connected to the other end of the balanced two-line line 11 and 12.
A base electrode and an emitter electrode are connected by a lead wire 8.

前記平衡2線路11.12の特性インピーダンスは、ト
ランジスタ素子1の入力インピーダンスと前記バラン変
換器の出力側インピーダンスを整合するように選ばれて
いる。
The characteristic impedance of the two balanced lines 11, 12 is selected to match the input impedance of the transistor element 1 and the output impedance of the balun converter.

さらに、前記バラン変換器の2分の1波長分布定数線路
10の一端からは線路13を介して外部引出線3へ、ト
ランジスタ素子1のベース電極からはリード線8、線路
14を介して外部引出線3へと接続されている。
Further, one end of the half wavelength distributed constant line 10 of the balun converter is connected to an external lead line 3 via a line 13, and the base electrode of the transistor element 1 is connected to an external lead line 8 via a lead line 8 and a line 14. Connected to line 3.

リード@8および線路14は、外部引出線3を介して接
続される負荷と、インピーダンス整合をとるための出力
回路の1部であるために、それぞれの構造は高周波的に
考慮した適当な値に選ばれている。
Since the lead@8 and the line 14 are part of the output circuit for impedance matching with the load connected via the external lead wire 3, their respective structures should be set to appropriate values in consideration of high frequency. selected.

このような構成のトランジスタ装置は、トランジスタ素
子のコレクタ電極が直接接地されているにもかかわらず
高周波的にはベース共通回路となる。
A transistor device having such a configuration becomes a common-base circuit in terms of high frequency even though the collector electrode of the transistor element is directly grounded.

すなわち、共通端子となるトランジスタ素子1のベース
電極Bは、入力回路の端子であるエミッタ電極Eと共に
高周波的に、接地電位からは入力側に設置したバラン変
換器10、平行2線線路11.12によって完全に分離
され、高周波信号はエミッタ電極Eとベース電極Bとの
間にのみ入力される。
That is, the base electrode B of the transistor element 1, which is a common terminal, and the emitter electrode E, which is a terminal of the input circuit, are connected at high frequency to the balun converter 10 installed on the input side from the ground potential, and the parallel two-wire line 11, 12. The high frequency signal is input only between the emitter electrode E and the base electrode B.

このため、エミッタ電極Eとベース電極Bの各々の接地
電位に対する高周波的な電位差はトランジスタ素子1の
動作特性に対応して決まり、これが出力信号となる。
Therefore, the high-frequency potential difference between the emitter electrode E and the base electrode B with respect to the ground potential is determined in accordance with the operating characteristics of the transistor element 1, and this becomes an output signal.

当然、コレクタ電極Cは接地されているので、接地電極
と高周波的な共通端子であるベース電極Bとの間に出力
信号が発生する。
Naturally, since the collector electrode C is grounded, an output signal is generated between the ground electrode and the base electrode B, which is a high frequency common terminal.

ベース共通回路としての基本構成を損なうことなく、従
来ベース接地でトランジスタを動作させる場合に問題と
なっていた共通端子のインダクタンスは、まったく問題
にならなくなり、トランジスタ素子の共通電極からの入
力側、出力側へのそれぞれのリード線のインダクタンス
は、単なる入出力回路の整合素子として取り扱うことが
出来る。
Without damaging the basic configuration as a common base circuit, the inductance of the common terminal, which was a problem when operating transistors with a common base, no longer becomes a problem at all. The inductance of each lead wire to the side can be treated as simply a matching element of the input/output circuit.

したがって、性能向上を達成できるばかりでなく、異常
現象を低減できる利点がある。
Therefore, there is an advantage that not only performance improvement can be achieved but also abnormal phenomena can be reduced.

また、この種の高出力トランジスタは熱的な制限から、
能率のよいB、C級動作を行なうが、本考案の構成によ
れば、前記バラン変換器によって、トランジスタ素子の
エミッタ電極とベース電極とは直流的に常に同電位であ
り、入力側外部回路にRFチョウク回路を必要としない
Also, due to thermal limitations, this type of high-power transistor
Efficient class B and C operation is performed, but according to the configuration of the present invention, the emitter electrode and base electrode of the transistor element are always at the same potential in terms of DC, due to the balun converter, and there is no connection to the input side external circuit. No RF choke circuit required.

以上説明したように、従来のベース共通回路においては
、共通端子とするベース電極は接地電位を与えて動作さ
せていたために、トランジスタ素子の基板であるコレク
タ電極を接地に対して絶縁しなくてはいけなかったが、
本考案においては同様なベース共通回路であっても入力
側にバラン変換器を設置することによってベース電極お
よびエミッタ電極を接地電位にすることなく回路を構成
できるので、コレクタ電極を直接接地することができる
As explained above, in conventional base common circuits, the base electrode, which serves as the common terminal, is operated by applying a ground potential, so the collector electrode, which is the substrate of the transistor element, must be insulated from the ground. I couldn't go, but
In the present invention, even if the base common circuit is similar, by installing a balun converter on the input side, the circuit can be configured without setting the base electrode and emitter electrode to ground potential, so it is possible to directly ground the collector electrode. can.

以上の一実施例では高周波的にはベース接地回路になっ
ているが、本考案はこれに限定することなく、エミッタ
接地回路としても動作させることができることも明らか
である。
Although the above embodiment is a common base circuit in terms of high frequency, the present invention is not limited to this, and it is clear that it can also be operated as a common emitter circuit.

また、このような構成のトランジスタ装置は高出力用と
して適しているが、バラン変換器にDCブロックを用い
てトランジスタ素子のエミッタ電極とベース電極を直流
的に分離してやれば、低電力用としても使用可能で良好
な結果が得られることはもちろんである。
Although a transistor device with this configuration is suitable for high-power applications, it can also be used for low-power applications by using a DC block in the balun converter to separate the emitter electrode and base electrode of the transistor element in terms of direct current. Of course, this is possible and good results can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来のトランジスタ装置の一例を示した縦断面
図、第2図a、b、cは本考案の一実施例を示す縦断面
図および上面図とその等他回路図である。 図において、1はトランジスタ素子、2は放熱体を兼ね
た接地導体、3は外部引出線、4はベリリア磁器からな
るステラ基板、5はそのステム基板上下面のメタライズ
層、6は入力側回路誘電体基板、7は出力側回路誘電体
基板、8はリード線、10はバラン変換器の2分の1波
長分布線路、11.12は4分の1波長平行2線線路、
13゜14は線路、Bはトランジスタのベース$A、E
はトランジスタのエミッタ、Cはトランジスタのコレク
タ電極である。
FIG. 1 is a vertical sectional view showing an example of a conventional transistor device, and FIGS. 2 a, b, and c are a vertical sectional view, a top view, and other circuit diagrams showing an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a transistor element, 2 is a ground conductor that also serves as a heat sink, 3 is an external lead wire, 4 is a Stella board made of beryllia porcelain, 5 is a metallized layer on the top and bottom surfaces of the stem board, and 6 is an input side circuit dielectric 7 is the output side circuit dielectric substrate, 8 is the lead wire, 10 is the 1/2 wavelength distribution line of the balun converter, 11.12 is the 1/4 wavelength parallel two-wire line,
13゜14 is the line, B is the base of the transistor $A, E
is the emitter of the transistor, and C is the collector electrode of the transistor.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 誘電体基板上に不平衡線路を入力側とし、平衡線路を出
力端として形成したバラン変換器が設けられてなる入力
回路と、他の誘電体基板上に不平衡線路で構成されてな
る出力回路と、コレクタ電極がトランジスタ基板から構
成されてなるトランジスタ素子と、平板状接地導体とか
らなる高周波高出力トランジスタ装置において、前記入
力回路の前記平衡線路の一方に前記トランジスタ素子の
ベース電極が、他方の端子にエミッタ電極が、前記出力
回路の前記不平衡線路の一端に前記トランジスタ素子の
前記ベース電極あるいは前記エミッタ電極のいずれかの
電極が、それぞれ直接あるいは整合回路を介して接続さ
れ、前記入力回路と、前記出力回路と、前記トランジス
タ素子とが前記平板状接地導体上に直接固着され、一体
化されてなることを特徴とする高周波高出力トランジス
タ装置。
An input circuit consisting of a balun converter formed on a dielectric substrate with an unbalanced line as an input side and a balanced line as an output end, and an output circuit consisting of an unbalanced line on another dielectric substrate. and a high frequency, high power transistor device comprising a transistor element whose collector electrode is constituted by a transistor substrate, and a flat ground conductor, wherein the base electrode of the transistor element is connected to one side of the balanced line of the input circuit and An emitter electrode is connected to the terminal, and either the base electrode or the emitter electrode of the transistor element is connected to one end of the unbalanced line of the output circuit, either directly or through a matching circuit, and the output circuit is connected to the input circuit. . A high frequency, high output transistor device, wherein the output circuit and the transistor element are directly fixed onto the flat ground conductor and integrated.
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JPS5130922Y2 (en) * 1971-12-23 1976-08-03

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