JP2008311527A

JP2008311527A - 高周波半導体回路

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Publication number: JP2008311527A
Application number: JP2007159305A
Authority: JP
Inventors: Masanori Ito; 正紀伊藤
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】高出力電力増幅ＩＣのチャネル温度を低下させ、信頼性を向上した高周波半導体回路を得ることを目的とする。
【解決手段】パッケージ２５のベースに搭載されたＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のゲートが接続されるインピーダンス整合用キャパシタ１５、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のドレインが接続されるインピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ形−ＳｉＣ３０、インピーダンス整合用キャパシタ１５とパッケージ２５に形成されたメタライズ１２ａを接続するワイヤ１６ａ及びインピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ形−ＳｉＣ３０とメタライズ１２ｂを接続する幅広のリボンワイヤ５５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波半導体回路に関し、特に小型で発熱量の大きな高出力電力増幅ＩＣを用いたときの放熱の向上を図った高周波半導体回路に関するものである。

従来の高周波回路基板は、窒化アルミニウムなどのセラミックスにて形成された多層基板のキャビティ内に配置されたトランジスタなどの高周波能受動素子、この高周波能受動素子を駆動する素子駆動電気回路、及び上記高周波能受動素子に接続され、インピーダンス整合回路を有するストリップライン回路を備えている。
このような従来の高周波回路基板において、例えば、高周波能受動素子が入出力インピーダンスが１Ω以下であるような高出力電力増幅ＩＣを用いる場合は、搭載するチップが大きくなるので、パッケージ内を大きくし、また、ワイヤの本数も多くする必要があった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２４４３７５号公報（段落０００８〜００１６，図１，図２）

従来の高周波半導体回路においては、従来の高出力電力増幅ＩＣが大きかったので、パッケージ内の熱源の面積も大きく、パッケージの占める熱抵抗は小さく、また、チップが大きいためワイヤの本数も多かった。しかし、例えば、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣを用いる場合は、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣの大きさが、高出力電力増幅ＩＣの１／２〜１／４程度の大きさとなり、熱抵抗が大きくなり、また、ワイヤの本数も１／２〜１／４程度と少なくなり、ワイヤからの熱放散が低下するという問題があった。

さらに、従来の高出力電力増幅ＩＣの代わりにＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣを用いる場合は、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣの動作電圧はＧａＡ−ＩＣの１０倍程度、ＬＤＭＯＳの２倍程度と高くなり、ドレイン・ワイヤに接続されたインピーダンス整合用キャパシタには高い電圧と高周波による交流電流が流れ、発生する熱量も２〜１０倍程度と高くなる問題があった。

また、ソース・ワイヤからの熱放散はベースを通してその下にあるヒートシンクへ効率よく熱放散されるが、インピーダンス整合用キャパシタ（通常セラミック）やセラミックＡなどの熱伝導率の悪い素材上の配線であるため、ソース・ワイヤに比べ熱放散の効率が悪く、ドレイン・ワイヤからの熱放散はパッケージ・メタライズとリードを通してまでも外部基板金属配線へと熱放散されるという問題があった。
そのため、熱がＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣから逃げにくくなり、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣのゲート・チャネル温度が上昇し、電気特性の悪化ならびに信頼性の低下を生じるという問題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、高出力電力増幅ＩＣのチャネル温度を低下させ、信頼性を向上した高周波半導体回路を得ることを目的とする。

本発明に係る高周波半導体回路は、パッケージのベースに搭載された高出力電力増幅ＩＣ、前記高出力電力増幅ＩＣのゲートが接続される入力インピーダンス整合用キャパシタ、前記高出力電力増幅ＩＣのドレインが接続される出力インピーダンス整合用キャパシタ及び前記入、出力インピーダンス整合用キャパシタと前記パッケージに形成された入、出力リード端子を各々接続する入、出力ワイヤを備えた高周波半導体回路において、前記出力用インピーダンス整合キャパシタをＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮまたはダイヤモンド上に形成したＭＩＭの薄膜キャパシタとし、前記出力ワイヤを幅広のリボンワイヤとしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、出力用インピーダンス整合キャパシタをＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮまたはダイヤモンド上に形成したＭＩＭの薄膜キャパシタとし、前記出力ワイヤを幅広のリボンワイヤとしたので、高出力電力増幅ＩＣのチャネル温度を低下させ、信頼性を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示す高周波半導体回路の要部構成を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は高周波半導体回路のパッケージの分解斜視図、図４は高周波半導体回路の高出力電力増幅ＩＣの表面温度比較図、図５は高周波半導体回路の接続ワイヤ形状を示す図である。

図１〜図３において、高出力電力増幅ＩＣ等で用いられる内部インピーダンス整合型パッケージに実装された高周波半導体回路は、セラミックのパッケージ２５が、ベース１４，ベース１４の上に設けられた枠体であるセラミック枠体Ａ１３、セラミック枠体Ａ１３の上面に設けられた入、出力リード端子である一対のパッケージ・メタライズ（信号引き出し線）１２ａ、１２ｂ、パッケージ・メタライズ１２ａ、１２ｂに各々接続されたリード１１ａ，１１ｂ、セラミック枠体Ａ１３の上にパッケージ・メタライズ１２ａ、１２ｂを挟んで設けられた枠状のセラミック枠体Ｂ２２、セラミック枠体Ｂ２２の上に設けられたシール・リング２１及びシール・リング２１を挟んでセラミック枠体Ｂ２２の上を覆う蓋２０から構成される。

また、パッケージ２５のベース１４にはＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のゲートが接続される入力インピーダンス整合用キャパシタであるインピーダンス整合用キャパシタ１５及びＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のドレインが接続される出力インピーダンス整合用キャパシタであるインピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣ３０が搭載される。
インピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣ３０は熱伝導率の高いＳｉＣ上にＭＩＭ（金属−絶縁膜−金属）の薄膜キャパシタを形成したものである。
また、ワイヤ１６ａ，１６ｂは、インピーダンス整合のインダクタの役割をする。

なお、本発明の実施の形態１を示す高周波半導体回路は、従来の高周波半導体回路と同様の内部インピーダンス整合回路を構成するが、ドレイン・ワイヤ１８に接続されている従来の通常セラミック上に形成したキャパシタからなるインピーダンス整合用キャパシタを薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣ１０に代えた点が相違する。

この構成において、内部インピーダンス整合は、インピーダンス整合用キャパシタ１５、インピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣ３０、パッケージ２５のパッケージ・メタライズ１２ａとインピーダンス整合用キャパシタ１５間に接続される入力ワイヤであるワイヤ１６ａ、パッケージ・メタライズ１２ｂとインピーダンス整合用薄膜キャパシタｎ型−ＳｉＣ３０間に接続される出力ワイヤであるワイヤ１６ｂ、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のゲートとインピーダンス整合用キャパシタ１５間に接続されるゲート・ワイヤ１７、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のドレーンとインピーダンス整合用薄膜キャパシタｎ型−ＳｉＣ３０間に接続されるドレイン・ワイヤ１８、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のソースと接地点を接続するソース・ワイヤ１９によって得られる。

また、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０で発生した熱は、大部分はＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣを通して下にあるベース１４に放散されるが、ゲート・ワイヤ１７、ドレイン・ワイヤ１８及びソース・ワイヤ１９からも放散される。
さらに、ドレイン・ワイヤ１７からドレイン・ワイヤ１８に伝わってくる熱をインピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣ３０及びベース１４を通して、下部のヒートシンク（図示せず）へ効率よく熱放散させる。

図４はＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０の表面温度を周波数２．１４ＧＨｚ、ドレイン電圧５０Ｖ、電力負荷５０％で出力電力５０Ｗの条件でシミュレーションにより比較したものである。図４（ａ）は本発明のインピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣ３０を用いたときのＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０の表面温度、図４（ｂ）は従来のセラミックのインピーダンス整合用キャパシタを用いたときのＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０の表面温度を示す。インピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣ３０を用いたときのＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０の中心部の表面温度は１３８℃であり、従来のセラミックのインピーダンス整合用薄膜キャパシタを用いたときの１４３℃に比べ表面温度が広い範囲で低下している。

以上のように、パッケージ２５のベースに搭載された高出力電力増幅ＩＣ、高出力電力増幅ＩＣのゲートが接続される入力インピーダンス整合用キャパシタ、高出力電力増幅ＩＣのドレインが接続される出力インピーダンス整合用キャパシタ及び入、出力インピーダンス整合用キャパシタとパッケージ２５に形成されたメタライズ１２ａ，１２ｂを各々接続するワイヤ１６ａ，１６ｂを備えた高周波半導体回路において、出力用インピーダンス整合キャパシタをＳｉＣ上に形成したＭＩＭの薄膜キャパシタとし、ワイヤ１６ｂを幅広のリボンワイヤ５５としたので、高出力電力増幅ＩＣのチャネル温度を低下させ、信頼性を向上させることができる。

また、高出力電力増幅ＩＣは、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０であるのでＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のチャネル温度を低下させ、信頼性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、パッケージ・メタライズ１２ｂとインピーダンス整合用薄膜キャパシタｎ型−ＳｉＣ３０との間の接続を通常のワイヤ１６ｂとしたが、図５に示すように幅広のリボンワイヤ５５か、バネ板形状のものとして、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のチャネル温度をさらに低下させるようにしてもよい。
また、本実施の形態のように、インピーダンス整合用薄膜キャパシタｎ型−ＳｉＣ３０でなく、従来の通常セラミックのインピーダンス整合用キャパシタを用いたときでも、内部整合用にキャパシタを使用したときに、交流電流による発熱は、熱伝導率の低いセラミックの場合、下部はヒートシンクから放熱され、発熱領域が上部に集中するので、この発熱を上記構成のものを用いてパッケージ・メタライズ１２ｂに効果的に逃がすことができる。

また、本実施の形態では、インピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣ３０は、ＳｉＣ上にＭＩＭ（金属−絶縁膜−金属）の薄膜キャパシタを形成したものであるが、ＭＥＳ（金属−半導体）キャパシタやＰＮ接合を用いたキャパシタでもよい。
また、ｎ型−ＳｉＣと記述したが、導電性基板を用いることが重要でありｐ型でもよい。
また、内部インピーダンス整合キャパシタとして使用したが、整合回路としてではなくドレイン側の熱を逃がすために、例えば、容量が小さい半絶縁性基板を配置してもよい。

また、インピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣ３０はドレイン・ワイヤ１８に接続される内部インピーダンス整合キャパシタとして使用したが、ゲート・ワイヤ１７に接続される内部インピーダンス整合キャパシタとして使用してもよい。
また、内部インピーダンス整合キャパシタについて説明したが、整合回路作成時にキャパシタや分布定数回路だけではなく，低い周波数帯域ではインダクタを用いてもよく、また，静電破壊対策のためにチップとパッケージの間にダイオード（バリスタ）を入れてもよい。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２を示す高周波半導体回路の要部構成を示す斜視図、図７は図６のＡ−Ａ断面図である。
実施の形態１は、パッケージ２５の枠体はセラミック枠体Ａ１３であるが、本実施の形態は熱伝導率の高い半絶縁性−ＳｉＣに代えたものである。
図６，図７において、実施の形態の図１，図２と同一分には同一の符号を付し説明を省略する。ドレイン・ワイヤ１８に接続されるパッケージ・メタライズ１２ｂ下部の枠体は半絶縁性−ＳｉＣ枠体４０である。

この構成において、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０で発生した熱がドレイン・ワイヤ１８、パッケージ・メタライズ１２ｂと半絶縁性−ＳｉＣ４０を通してベース１４に熱放散する。

以上のように、パッケージ２５のベース１４上面に形成された枠体を半絶縁性−ＳｉＣ４０で構成したので、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０からドレイン・ワイヤ１８に伝わってくる熱の熱放散がよくなり、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のチャネル温度を低下させ、信頼性を向上させることができる。

実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３を示す高周波半導体回路の要部構成を示す斜視図、図９は図８のＡ−Ａ断面図である。
本実施の形態１は、実施の形態１の出力用インピーダンス整合キャパシタはインピーダンス整合用薄膜キャパシタｏｎｎ型−ＳｉＣであるが、本実施の形態はパッケージ内部インピーダンス整合用薄膜半絶縁性ＳｉＣ基板５０の上にメタライズされた内部インピーダンス整合回路パターン５１とに代えたものである。

この構成において、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０で発生した熱がドレイン・ワイヤ１８、パッケージ内部インピーダンス整合用薄膜半絶縁性ＳｉＣ基板５０通してベース１４に熱放散する。また、内部インピーダンス整合回路パターン５１に加わる高電圧、高周波電流によって発生する熱をパッケージ内部インピーダンス整合用薄膜半絶縁性ＳｉＣ基板５０を通してベース１４に熱放散する。

以上のように、出力用インピーダンス整合キャパシタをパッケージ内部インピーダンス整合用薄膜半絶縁性ＳｉＣ基板５０の上にメタライズされた内部インピーダンス整合回路パターン５１とで構成し、ワイヤ１６ｂを幅広のリボンワイヤとしたので、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０からドレイン・ワイヤ１８に伝わってくる熱の熱放散がよくなり、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０のチャネル温度を低下させ、信頼性を向上させることができる。
また、内部インピーダンス整合回路パターン５１で発生する熱もパッケージ内部インピーダンス整合用薄膜半絶縁性ＳｉＣ基板５０を通して、下部のベース１４へ効率よく熱を逃がし、結果としてチャネル温度を低下させ、信頼性を向上させることができる。

なお、実施の形態１〜３では高出力電力増幅ＩＣとして、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ１０を用いたが、ＳｉＣ−ＩＣ等の半導体素子でもよく、同様な効果を得ることができる。
また、熱伝導率のよい材質としてＳｉＣをあげたが、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＧａＮ（窒化ガリウム）やダイヤモンド等の材料でも有効である。
また、ＡｌＮ、ＧａＮやダイヤモンド等は、材料として特に明記していなかったが、単結晶体や多結晶体でもよい。

本発明の実施の形態１を示す高周波半導体回路の要部構成を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施の形態１を示す高周波半導体回路のパッケージの分解斜視図である。本発明の実施の形態１を示す高周波半導体回路の高出力電力増幅ＩＣの表面温度比較図である。本発明の実施の形態１を示す高周波半導体回路の接続ワイヤ形状を示す図である。本発明の実施の形態２を示す高周波半導体回路の要部構成を示す斜視図である。図６のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施の形態３を示す高周波半導体回路の要部構成を示す斜視図である。図８のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣ、１２ａ，１２ｂメタライズ、１３セラミック枠体Ａ、１４ベース、１５インピーダンス整合用キャパシタ、１６ａ，１６ｂワイヤ、１７ゲート・ワイヤ、１８ドレイン・ワイヤ、２５パッケージ、４０枠体、５０パッケージ内部インピーダンス整合用薄膜半絶縁性ＳｉＣ基板、５１内部インピーダンス整合回路パターン、５５リボンワイヤ。

Claims

パッケージのベースに搭載された高出力電力増幅ＩＣ、前記高出力電力増幅ＩＣのゲートが接続される入力インピーダンス整合用キャパシタ、前記高出力電力増幅ＩＣのドレインが接続される出力インピーダンス整合用キャパシタ及び前記入、出力インピーダンス整合用キャパシタと前記パッケージに形成された入、出力リード端子を各々接続する入、出力ワイヤを備えた高周波半導体回路において、
前記出力用インピーダンス整合キャパシタをＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮまたはダイヤモンド上に形成したＭＩＭの薄膜キャパシタとし、
前記出力ワイヤを幅広のリボンワイヤとしたことを特徴とする高周波半導体回路。
パッケージのベースに搭載された高出力電力増幅ＩＣ、前記高出力電力増幅ＩＣのゲートが接続される入力インピーダンス整合用キャパシタ、前記高出力電力増幅ＩＣのドレインが接続される出力インピーダンス整合用キャパシタ及び前記入、出力インピーダンス整合用キャパシタと前記パッケージに形成された入、出力リード端子を各々接続する入、出力ワイヤを備えた高周波半導体回路において、
前記出力用インピーダンス整合キャパシタをパッケージ内部インピーダンス整合用薄膜半絶縁性ＳｉＣ基板の上にメタライズされた内部インピーダンス整合回路パターンとで構成し、
前記出力ワイヤを幅広のリボンワイヤとしたことを特徴とする高周波半導体回路。
前記高出力電力増幅ＩＣは、ＧａＮ−ＨＥＭＴ−ＩＣまたはＳｉＣ−ＩＣであることを特徴とする請求項１または２記載の高周波半導体回路。
前記パッケージのベース上面に形成された枠体を半絶縁性−ＳｉＣ、半絶縁性−ＡｌＮまたは半絶縁性−ＧａＮで構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高周波半導体回路。