KR20010080542A - 고주파 전력 트랜지스터 소자 - Google Patents

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KR20010080542A
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conductors
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conductive island
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블레어신시아
밸러드티머씨
커티스제임스
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도날드 디. 먼둘
에릭슨 인크.
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Abstract

출력-정합 LDMOS RF 전력 트랜지스터 소자(100)는 서로 맞물린 복수의 전극(110)이 그 위에 형성되어 있는 반도체 다이(108)를 포함한다. 상기 전극은 각각 각자의 입력 단자(112)와 출력 단자(114)를 갖는다. 입력 리드가 복수의 제 1도체(105)(예컨대, 본드 와이어)에 의해 입력 정합 커패시터(106)의 제 1단자(107)에 연결된다. 정합 커패시터의 제 2단자는 접지(145)에 연결된다. 정합 커패시터의 제 1단자는 또한 복수의 제 2도체(116)에 의해 전극 입력 단자에 연결된다. 접지와 절연된 전도성 아일랜드(120)는 복수의 제 3도체(118)에 의해 전극 출력 단자에 연결된다. 상기 소자의 출력 정합은 복수의 제 4도체(122)에 의해 형성된 션트 인덕턴스에 의해 제공된다. 상기 제 4도체는 출력 블록킹 커패시터(124)의 제 1단자를 전도성 아일랜드에 연결한다. 블록킹 커패시터의 제 2단자는 접지에 연결되어 있다. 출력 리드는 복수의 제 5도체(126)에 의해 전도성 아일랜드에 연결된다. 구체적으로, 전도성 아일랜드는 반도체 다이에 인접하게 배치되고, 출력 블록킹 커패시터는 전도성 아일랜드와 출력 리드 사이에 배치되어, 전극 출력 단자를 블록킹 커패시터에 연결하는 복수의 각자의 제 3 및 제 4도체를 지나는 전송 인덕턴스가 충분히 작아, 비교적 높은 동작 주파수에서 트랜지스터 소자의 출력 임피던스 정합이 허용된다.

Description

고주파 전력 트랜지스터 소자{HIGH FREQUENCY POWER TRANSISTOR DIVICE}
예컨대, 무선 통신망에서 고주파(RF) 증폭기를 이용하는 것은 잘 알려져있다. 개인 휴대 통신 시스템(PCS)과 같은 무선 서비스에 대한 수요에 있어서의 최근의 상당한 발전으로, 무선 네트워크의 동작 주파수가 매우 증가하여, 이제는 기가헤르쯔(GHz) 주파수로 상당히 관심이 모아지고 있다. 이와 같이 높은 주파수에서, LDMOS 트랜지스터는 안테나 기지국에서와 같이 RF 전력 증폭 소자에 바람직하다.
보편적인 배치(deployment)에서, LDMOS RF 전력 트랜지스터 소자는 일반적으로 실리콘 다이(die)에 형성된 복수의 전극을 포함한다. 상기 전극 각각은 서로 맞물려있는 복수의 트랜지스터를 포함한다. 각 전극의 개별적인 트랜지스터는 각 전극에 대한 각자의 공통 입력 (게이트) 및 출력 (드레인) 단자에 접속된다. 다이는, 공지된 공정 다이 부착 과정(entectie die attach process)에 의해 금속 (소스) 기판의 맨 위에 부착되며, 이것은 열 싱크와 접지 기준의 역할을 하는 금속 플랜지(flange)에 자체 장착된다. 각자의 입력 (게이트)과 출력 (드레인) 리드 프레임(lead frame)이 플랜지 쪽에 부착되며, 금속 (소스) 기판과 전기적으로 절연되는데, 상기 입력 및 출력 리드 프레임은 다수의 와이어에 의해 실리콘 다이 상의 각자의 전극 입력 및 출력 단자에 연결된다(즉, 각자의 단자와 리드 프레임에 본딩됨(bonded)).
입력과 출력 전극 단자를 각자의 입력과 출력 리드 프레임에 정합하는 임피던스는 특히 높은 동작 주파수에서의 증폭기 소자의 올바른 동작에 결정적이다.
예컨대, 도 1은 입력 (게이트) 리드(12), 출력 (드레인) 리드(14), 및 아래에 놓인 기판을 지나는 소스(16)를 가진 비정합 LDMOS 소자에 대한 간략한 전기적인 개요도를 도시하는 것이다. 각자의 트랜지스터 핑거(finger)의 공통 입력 단자에 입력 리드(12)를 접속하는 복수의 본드 와이어와 같은 입력 경로를 지나는 전송 임피던스가 인덕턴스(18)로 표시된다. 각 트랜지스터의 공통 출력 단자를 출력 리드(14)에 접속하는 복수의 본드 와이어와 같은 출력 경로를 지나는 출력 인덕턴스는 인덕턴스(20)로 표시된다.
도 2는 공지되어 있는 (정합) LDMOS 전력 트랜지스터 소자(40)를 도시한다. 상기 소자(40)는 입력 (게이트) 리드(42), 출력 (드레인) 리드(44), 및 장착 플랜지(45)에 부착된 금속 (소스) 기판(47)을 포함한다. 복수의 제 1와이어(48)는 입력 리드(42)를 입력 정합 커패시터(46)의 제 1단자에 연결한다. 입력 정합 커패시터(46)의 제 2단자는 접지(즉, 플랜지(45))에 연결한다. 복수의 제 2와이어(52)는 정합 커패시터(46)의 제 1단자를, 금속 기판(47)에 부착되어 있는 반도체 다이(50)에 형성된 복수의 서로 맞물린 전극(51)의 각 입력 단자(49)에 연결한다. 정합 커패시터(46)와 와이어(48 과 52)의 직렬 인덕턴스를 적절히 선택함으로써, 입력 리드(42)와 전극 입력 단자(49) 사이의 입력 임피던스가 효과적으로 정합될 수 있다.
전극의 각 출력 단자(53)는 복수의 제 3와이어(54)에 의해 출력 리드(44)에 연결된다. 소자의 출력을 임피던스 정합하기 위해, 션트(shunt) 인덕턴스가 사용된다. 이로 인해, 출력 리드(44)는 복수의 제 4와이어(60)에 의해 DC 블록킹 커패시터(blocking capacitor)(58)(즉, AC 단락)의 제 1단자에 연결된다. 상기 블록킹 커패시터(58)는 입력 정합 커패시터(46)보다 대체로 더 높은 값을 갖는다. 도 3은 도 2의 소자의 개략적인 회로도를 도시하는 것으로서, 각각의 복수의 와이어를 지나는 전송 인덕턴스는 도 2의 와이어에 대한 상응하는 참조 번호로 표시된다.
1500 MHz와 같은 "저주파" 응용의 경우, 도 2의 LDMOS 소자(40)가 적절히 제어될 수 있지만, 2 GHz와 같은 고주파에서는, 와이어(54)를 통해 션트 인덕턴스(60)로 비교적 큰 직렬 인덕턴스가 발생되므로 상기 소자의 효과적인 제어가 어려워진다. 또한, 전극 출력 단자(53)상의 물리적인 공간이 제한되기 때문에, 복수의 전극(51)을 출력 리드(44)에 접속하는 와이어(54)의 수가 제한된다.
따라서, 비교적 높은 주파수(예컨대, GHz)에서의 출력 정합이 더욱 용이하게 얻어질 수 있는 LDMOS RF 전력 트랜지스터 소자를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 일반적으로 고주파 전력 트랜지스터 분야에 관한 것으로서, 특히 LDMOS 전력 트랜지스터 소자(device)의 출력 임피던스 정합 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 비정합 LDMOS 전력 트랜지스터의 개략적인 회로도.
도 2는 선행 기술의 LDMOS RF 전력 트랜지스터 소자의 부분적인 상면도(top view).
도 3은 도 2의 LDMOS 트랜지스터 소자의 개략적인 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 바람직한 LDMOS RF 전력 트랜지스터 소자의 상면도.
도 5는 도 4의 LDMOS 트랜지스터 소자의 개략적인 회로도.
본 발명의 제 1국면에 있어서, RF 전력 트랜지스터 소자는 각자의 출력 단자를 가진 복수의 전극이 그 위에 형성되는 반도체 다이를 포함한다. 전도성 아일랜드(conductive island)는 반도체 다이에 인접하게 제공되며, 복수의 제 1도체에 의해 전극 출력 단자에 연결된다. 션트 인덕턴스 정합이 복수의 제 2도체에 의해 전도성 아일랜드에서 블록킹 커패시터로 연결되며, 출력 리드는 복수의 제 3도체에 의해 개별적으로 전도성 아일랜드에 연결된다.
예컨대, 바람직한 실시예에서, LDMOS RF 전력 트랜지스터 소자는 복수의 서로 맞물린 전극이 위에 형성되어 있는 반도체 다이를 포함하는데, 상기 전극은 각각 각자의 입력 단자와 출력 단자를 갖는다. 입력 리드는 복수의 제 1도체(예컨대, 본드 와이어)에 의해 입력 정합 커패시터의 제 1단자에 연결되는데, 상기 정합 커패시터의 제 2단자는 접지에 연결된다. 정합 커패시터의 제 1단자는 또한 복수의 제 2도체에 의해 전극 입력 단자에 연결된다. 접지와 절연된 전도성 아일랜드는 복수의 제 3도체에 의해 전극 출력 단자에 연결된다. 상기 소자의 출력 정합은 전도성 아일랜드를 출력 블록킹 커패시터에 연결하는 복수의 제 4도체에 의해 형성된 션트 인덕턴스에 의해 제공된다. 상기 블록킹 커패시터의 제 2단자는 접지에 연결된다. 출력 리드는 복수의 제 5도체에 의해 전도성 아일랜드에 연결된다.
전도성 아일랜드는 반도체 다이에 인접하게 배치되는 것이 바람직하며, 출력 블록킹 커패시터는 전도성 아일랜드와 출력 리드 사이에 배치되어, 전극 출력 단자를 블록킹 커패시터에 연결하는 각자의 복수의 제 3 및 제 4도체를 지나는 전송 인덕턴스가 충분히 작음으로써, 비교적 높은 동작 주파수에서 트랜지스터 소자의 출력 임피던스 정합이 가능하다.
당업자들에게 명백한 바와 같이, 이하 본 발명에 대한 상기 이외의 국면과장점이 나타나있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 예로서 설명된 것이지 제한을 위한 것은 아니며, 첨부 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 말한다.
도 4와 5를 참조하면, 본 발명에 따른 바람직한 LDMOS RF 전력 트랜지스터 소자(100)는 입력 (즉, 게이트) 리드 프레임(102)과, 전도성 플랜지(145)에 부착되지만 이것과 전기적으로는 절연되는 출력 (즉, 드레인) 리드 프레임(104)을 포함한다. 예컨대, 각각의 리드 프레임(102 와 104)을 플랜지(145)로부터 절연시키는데 세라믹 기판(143)이 이용될 수도 있다. 플랜지의 상부에는 금속 (즉, 소스) 기판(103)이 놓인다. 바람직한 실시예에서, 금속 (소스) 기판은 금 또는 합금을 포함한다.
한 쌍의 반도체 (예컨대, 실리콘) 다이(108)는 초음파 세척(ultrasonic scrubbing) 및/또는 열 처리 등을 이용하여 금속 기판(103)에 부착된다. 각다이(108)는 각각 서로 맞물린 복수의 전극(110)이 그 위에 형성되어 있으며, 상기 각 전극은 각자의 입력 (게이트) 단자(112)와 출력 (드레인) 단자(114)를 갖는다. 양쪽 다이(108)에 있는 전극(110)의 각 입력 및 출력 단자(112 와 114)는 상기와 동일한 방식으로 각자의 리드 프레임(112 와 114)에 접속된다. 그러나, 설명을 용이하게 하고자, 나머지 설명은 상기 다이(108) 중 단 하나의 전극(110)에 대해서만 이루어진다.
소자(100)의 입력 정합은 도 2에 도시된 선행 기술의 소자(40)와 유사하게 수행된다. 즉, 입력 정합 커패시터(106)는 입력 리드 프레임(102)에 인접한 (소스) 기판(103)을 통해 놓인다. 입력 정합 커패시터(106)의 제 1단자(107)는 복수의 제 1본딩 와이어(105)에 의해 입력 리드 프레임(102)에 연결된다. 구체적으로 설명하면, 와이어(105)의 한 단부는 입력 리드 프레임(102)에 본딩되고, 다른 단부는 정합 커패시터(106)의 제 1단자(107)에 본딩된다. 정합 커패시터(106)의 제 2단자(도시되지 않음)는 (접지) 플랜지(145)에 연결된다. 복수의 제 2와이어(116)가 정합 커패시터(106)의 제 1단자(107)를 전극(110)의 각 입력 단자(112)에 연결한다. 즉, 와이어(116)의 한 단부는 정합 커패시터 단자(107)에 본딩되고, 나머지 한 단부는 각 전극 입력 단자(112)에 본딩된다. 따라서, 상기 소자(100)의 입력 정합은 정합 커패시터(106)의 바람직한 커패시턴스 값과 와이어(105와 106)의 인덕턴스를 선택함으로써 수행된다.
본 발명에 있어서, 소자(100)의 출력 정합은 다음과 같이 얻어진다:
비-전도성 재료(예컨대, 알루미늄)에 의해 플랜지(145)로부터 절연된 전도성아일랜드(120)가 반도체 다이(108)에 인접하게 제공되는데, 여기서 전도성 아일랜드(120)는 (접지) 플랜지(145)와 전기적으로 절연된다. 복수의 제 3본딩 와이어(118)는 각 전극 출력 단자(114)를 전도성 아일랜드(120)에 연결한다. 출력 블록킹 커패시터(124)는 전도성 아일랜드(120)와 출력 리드 프레임(104) 사이의 금속 기판을 통해 배치된다. 션트 인덕턴스는, 블록킹 커패시터(124)의 제 1단자(125)에 전도성 아일랜드를 연결하는 복수의 제 4본딩 와이어(122)에 의해 형성된다. 블록킹 커패시터(124)의 제 2단자(도시되지 않음)는 (접지) 플랜지(145)에 연결된다. 출력 리드 프레임(104)은 개별적으로 복수의 제 5본딩 와이어(126)에 의해 전도성 아일랜드(120)에 연결된다.
특히, 전극 출력 단자(114)를 션트 인덕턴스(122)에 연결하는 와이어(118 와 122)를 지나는 출력 직렬 인덕턴스는 도 2에 도시된 선행 기술의 소자(40) 보다 상당히 감소된다. 또한, 더욱 긴 와이어가 전극 출력 단자의 수(114)에 의해 제한되지 않으므로, 소자(100) 내의 전도성 아일랜드(120)는 소자(40)에서보다 훨씬 더 많은 수의 와이어(126)를 사용하여 아일랜드(120)를 출력 리드(140)에 연결할 수 있다. 이와 같이, 소자(100)의 출력 정합은, 예컨대 기가헤르쯔 주파수 대역폭으로의 비교적 높은 동작 주파수에서 특히 소자(40)에서보다 더 용이하게 얻어질 수 있다.
출력-정합된 LDMOS 전력 트랜지스터 소자의 바람직한 실시예와 응용이 도시 및 기술되어 있지만, 당업자들에게 명백한 바와 같이, 본원에 포함된 본 발명 개념을 벗어나지 않고 다양한 변형과 응용이 가능하다.
따라서, 개시된 발명의 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 따른 것 이외의 것으로 한정되지 않는다.

Claims (7)

  1. 각자의 출력 단자를 가지며 서로 맞물린 복수의 트랜지스터를 각각 포함하는 복수의 전극이 그 위에 형성된 반도체,
    복수의 제 1도체에 의해 전극 출력 단자에 연결된 전도성 아일랜드,
    입력 정합 커패시터로서, 입력 인덕턴스를 전달하는 복수의 제 2도체에 의해 입력 리드 프레임에 연결되며 복수의 제 3도체에 의해 상기 반도체에 연결된 제 1단자와 접지에 연결된 제 2단자를 가진 입력 정합 커패시터,
    복수의 제 4도체에 의해 전도성 아일랜드에 연결된 제 1단자와 접지에 연결된 제 2단자를 가진 출력 블록킹 커패시터, 및
    출력 인덕턴스를 전달하는 복수의 제 5도체에 의해 전도성 아일랜드에 연결된 출력 리드를 포함하는 RF 전력 트랜지스터 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각자의 복수의 도체가 각각 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 트랜지스터 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 아일랜드는 반도체에 인접하게 배치되고, 상기 블록킹 커패시터는 전도성 아일랜드와 출력 리드 사이에 배치되어, 전극 출력 단자를 블록킹 커패시터에 연결하는 복수의 각 제 1 및 제 4도체를 지나는 전송 인덕턴스가 작으므로 높은 동작 주파수에서의 소자의 출력 임피던스 정합이 허용되는 것을 특징으로 하는 RF 전력 트랜지스터 소자.
  4. 제 1리드,
    각자의 입력 단자와 출력 단자를 가지며 서로 맞물린 복수의 트랜지스터를 각각 포함하는 복수의 전극이 그 위에 형성된 반도체,
    입력 인덕턴스를 전달하는 복수의 제 1도체에 의해 제 1리드에 연결되며 복수의 제 2도체에 의해 전극 입력 단자에 연결되는 제 1단자를 가진 제 1커패시터,
    접지와 절연되며 복수의 제 3도체에 의해 전극 출력 단자에 연결되는 전도성 아일랜드,
    복수의 제 4도체에 의해 전도성 아일랜드에 연결되는 제 1단자와 접지에 연결되는 제 2단자를 가진 제 2커패시터, 및
    출력 인덕턴스를 전달하는 복수의 제 5도체에 의해 전도성 아일랜드에 연결된 제 2리드를 포함하는 RF 전력 트랜지스터 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각자의 복수의 도체가 각각 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 트랜지스터 소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전도성 아일랜드가 반도체에 인접하게 배치되고, 상기 제 2커패시터가 전도성 아일랜드와 제 2리드 사이에 배치되어, 전극 출력 단자를 제 2커패시터에 연결하는 각자의 복수의 제 3 및 제 4도체를 지나는 전송 인덕턴스가 작아 높은 동작 주파수에서의 출력 임피던스 정합이 허용되는 것을 특징으로 하는 RF 전력 트랜지스터 소자.
  7. 입력 리드 프레임,
    각자의 입력 단자와 출력 단자를 각각 가지며 서로 맞물린 복수의 트랜지스터를 각각 포함하는 복수의 전극이 그 위에 형성된 반도체
    입력 인덕턴스를 전달하는 복수의 제 1와이어에 의해 입력 리드에 연결되며 복수의 제 2와이어에 의해 전극 입력 단자에 연결되는 제 1단자와, 접지에 연결되는 제 2단자를 가진 입력 정합 커패시터,
    접지와 절연되며 복수의 제 3와이어에 의해 전극 출력 단자에 연결되는 전도성 아일랜드,
    복수의 제 4도체에 의해 전도성 아일랜드에 연결되는 제 1단자와 접지에 연결되는 제 2단자를 가진 출력 블록킹 커패시터, 및
    출력 인덕턴스를 전달하는 복수의 제 5와이어에 의해 전도성 아일랜드에 연결되는 출력 리드 프레임을 포함하고,
    상기 전도성 아일랜드가 반도체에 인접하게 배치되고, 상기 출력 블록킹 커패시터가 전도성 아일랜드와 출력 리드 프레임 사이에 배치되어, 전극 출력 단자를 출력 블록킹 커패시터의 제 1단자에 연결하는 각자의 복수의 제 3 및 제 4와이어를 지나는 전송 인덕턴스가 작아 높은 동작 주파수에서의 소자의 출력 임피던스 정합이 허용되는 LDMOS RF 전력 트랜지스터 소자.
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