專利名稱：千瓦功率管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高功率高壓晶體管，具體地說，本發(fā)明涉及在結(jié)構(gòu)上和電學(xué)性能上適用于對在MF-HF-VHF RF頻譜范圍內(nèi)的射頻能量進(jìn)行非常高功率、高效率放大的一種晶體管。更具體地說，本發(fā)明涉及一種在射頻應(yīng)用中能夠提供一千瓦至幾千瓦輸出功率，而不會產(chǎn)生熱耗散問題的晶體管，并且所使用的電路復(fù)雜性最小。本發(fā)明并不限于任何一種特定的晶體管類型(BJT,FET,IGBT)或任何特定的工作特性類別(A,AB,B,C,D，E，或F)。
在現(xiàn)有技術(shù)的高頻和超高頻高功率射頻放大器中，最后一級功率晶體管通常由射頻共源場效應(yīng)管(FET)或射頻共發(fā)射極雙極性結(jié)型晶體管(BJT)構(gòu)成。該共源極(或發(fā)射極)相對于輸入和輸出射頻電流路徑接地，所以相反極性的直流電極，即漏極(或集電極)必須是與地電絕緣的。這要求使用內(nèi)置或外置的絕緣器件。結(jié)果，在晶體管管芯產(chǎn)生的熱量必須通過電絕緣層才能到達(dá)相應(yīng)的散熱部分。這個絕緣層由于是絕緣的，使漏極與地(或集電極與地)之間的電容增大。較薄的絕緣層對于熱傳導(dǎo)的阻礙較??；所以，一般使用非常薄的陶瓷絕緣材料，例如氧化鈹(BeO)、氮化鋁(AlN)、或金剛石薄膜。但是，在相當(dāng)高功率量值的情況下，甚至是產(chǎn)生無法接受的較大的熱分布梯度的情況下這限制了從給定的晶體管管芯中獲得穩(wěn)定可靠的功率。而且，高介電常數(shù)更增大了漏極與地之間的電容，限制了晶體管在較高射頻頻率范圍的性能。
現(xiàn)有技術(shù)中的高頻高功率射頻放大器一般在12至50伏特的低電壓下工作。所以，相應(yīng)的大電流使晶體管以及與其相連的射頻電路和其中的集成無源電路元件產(chǎn)生I2R的熱量。以往還沒有能夠徹底地解決這個發(fā)熱問題，而只是簡單地通過采用高電壓、低電流的方式來減小其影響?，F(xiàn)有技術(shù)的射頻功率發(fā)生器使用多芯片內(nèi)絕緣晶體管組合，如以下的表A所示。這需要在較高的溫度下工作。因為現(xiàn)有技術(shù)的晶體管在晶體管管芯與安裝凸緣之間使用了陶瓷絕緣材料，所以，對于向相鄰的散熱器充分地傳導(dǎo)熱量仍然是一個關(guān)鍵問題。
本發(fā)明的目的是提供一種功率管，這種功率管的管芯與相應(yīng)的散熱器之間具有較高的導(dǎo)熱率，從而實現(xiàn)可靠的高功率性能，并且能夠為使用一種簡單而功能強(qiáng)大的、充分發(fā)揮了晶體管結(jié)構(gòu)和為接地-漏極(或接地-集電極)/射頻共源極(或共發(fā)射極)工作而構(gòu)成的支持電路所具有的技術(shù)特性的射頻放大器電路打下良好的基礎(chǔ)。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種大功率晶體管由安裝在一個導(dǎo)熱、導(dǎo)電凸緣上的半導(dǎo)體管芯構(gòu)成的。該凸緣，通常是由銅利用機(jī)加工而成，具有平坦的上表面，而半導(dǎo)體管芯具有平坦的下表面，在該下表面的較大部分上形成有一個漏極觸點金屬化區(qū)域。在所說管芯的下表面以外部分上分別形成有一個柵極金屬區(qū)和多個金屬化圖形(或結(jié)合區(qū))源區(qū)；一根與凸緣絕緣的源極引線與源極區(qū)電連接，一根與凸緣絕緣的柵極引線與柵極區(qū)電連接。發(fā)熱的漏極區(qū)設(shè)置在凸緣上與之電接觸和熱接觸，從而該凸緣用作晶體管管芯的漏電極。這種管芯具有一千伏或更高量級的漏極-源極擊穿電壓；晶體管管芯的平坦表面具有10萬平方密耳或更大的面積；漏極區(qū)的幾乎整個表面都被金屬化?？扇〉氖牵诼O區(qū)與凸緣之間設(shè)置了一個鉬片。鉬片具有與硅相近的熱擴(kuò)散系數(shù)，用以保護(hù)管芯不受由于功率變化引起的熱應(yīng)力的影響。同時，鉬片是良好的導(dǎo)熱體和導(dǎo)電體。在一個優(yōu)選實施例中，可以以共線對稱結(jié)構(gòu)在凸緣上安裝四個晶體管管芯。或者，在一個晶體管管殼內(nèi)可以安裝不同數(shù)目的管芯。本發(fā)明不限于任何特定的晶體管類型，如下文中參照表A和表B所述，并且可同樣地應(yīng)用于一個1.25千瓦的裝置、一個3.0千瓦的裝置和一個更大功率的裝置。本發(fā)明可同樣地應(yīng)用于MOS型場效應(yīng)晶體管和結(jié)型場效應(yīng)晶體管(J-FET)；雙極性結(jié)型晶體管，單“達(dá)林頓”型和復(fù)合“達(dá)林頓”型功率晶體管器件、以及絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)。所用材料可以包括硅、碳化硅、或其它材料。在本說明書中，以及權(quán)利要求書中晶體管器件端子一詞廣義地指三種基本類型的電極，如在表B中所使用的含義。
表B
應(yīng)當(dāng)指出，在所有實例中，控制電極為1號端子，主要的發(fā)熱電極為3號端子，公共電極為2號端子。
根據(jù)本發(fā)明的兩個可能的實施例，射頻放大器的功率級可以利用4-芯片或9-芯片結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成，在該結(jié)構(gòu)中采用漏極接地，射頻共用源極工作方式。直流源極電壓，例如“負(fù)”160伏特直流電壓(用于一個負(fù)極性N-溝道器件)通過一個射頻扼流圈施加到源極，射頻驅(qū)動信號施加到柵極。因為漏極接地，驅(qū)動信號反流路徑相對于地是浮置的。在一個優(yōu)選實施例中，晶體管為N溝道MOS場效應(yīng)管。但是，晶體管可以包括P-溝道器件，其中各個浮置電壓極性是相反的。如前所述，晶體管還可以是一個雙極性結(jié)型晶體管，NPN型或PNP型。
通過以下參照附圖對優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，可以更加清楚地了解本發(fā)明的上述的和其它的目的、特征、和優(yōu)點。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例構(gòu)成的一個4-芯片組合千瓦射頻功率晶體管(沒有與電路連接)的示意圖。
圖2為這個實施例中晶體管的平面圖。
圖3為這個實施例中晶體管的透視圖。
圖4為表示這個實施例中一個芯片的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部連線結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖5為用于測試這種器件芯片的一個典型電路的電路圖。
圖6為另一個實施例中一個4-芯片組合千瓦射頻功率晶體管的分解組裝示意圖。
圖7為圖6所示晶體管的平面圖。
圖8為表示本發(fā)明的任一實施例中一個芯片的射頻電流和信號路徑的電路示意圖。
圖9為任一4-芯片組合晶體管的一種可能的實施結(jié)構(gòu)的電路示意圖。
圖10A和10B表示在應(yīng)用本發(fā)明的晶體管的電路結(jié)構(gòu)中使用的可能的電路諧波和次諧波濾波單元。
圖11為一種可能的8-芯片組合數(shù)千瓦電路結(jié)構(gòu)的電路示意圖。
圖12為一種可能的9-芯片組合數(shù)千瓦電路結(jié)構(gòu)的電路示意圖。
圖13為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例構(gòu)成的晶體管器件的分解透視圖，這種晶體管可以用作圖11或圖12所示的器件。
圖13A和圖13B為這個實施例的金屬環(huán)形基片的透視圖。
圖14表示該實施例的另一個元件。
圖15為該實施例的晶體管器件的平面圖。
圖16為圖15中沿16-16方向的側(cè)視圖。
圖17為該實施例的一種電路結(jié)構(gòu)的電路示意圖。
圖18和圖19為該實施例的晶體管的變型的示意圖。
參照附圖，首先參見圖1-3,一個千瓦功率晶體管10具有一個平坦的金屬凸緣12或基座，其安裝在一個適合的散熱片(未示出)上，散熱片可以作為放大器底板的一部分而形成。該晶體管為四芯片組合設(shè)計，在凸緣12上安裝有四個晶體管芯片或管芯14a、14b、14c、14d，它們各自的漏極區(qū)D通過與凸緣12連接而接地。每個晶體管管芯具有各自的柵極G1至G4和各自的源極S1至S4。如圖所示，這些源極還與源極反流引線R1至R4相連。凸緣12上帶有端槽或端孔16和用于固定到一個相應(yīng)的散熱片HS上的安裝通孔18。一個塑料殼或類似材料的護(hù)蓋20覆蓋住這四個管芯14a至14d，而將凸緣12的兩端露出。凸緣12本身用作四個晶體管單元中每一個的接地漏極引線或電極，并且附帶有用于與外部射頻電路地電位連接的扁帶狀引線28。扁帶狀源極引線22a至22d、柵極引線24a至24d、和源極反流引線26a至26d(它們與各個源極引線連結(jié)在一起)共同形成射頻電極端子。這些引線22、24、26、28在它們從護(hù)蓋20側(cè)面伸出的出口附近是彎折的以使各個引線耐拉。
圖4中表示四芯片晶體管10中一個芯片14的基本對稱和較佳的低電抗焊接和接線結(jié)構(gòu)。圖中表示，在使用半導(dǎo)體場效應(yīng)管芯片的情況下，其中一個管芯14具有四個源極區(qū)(表示為管芯上表面上的四個點)和一對柵極區(qū)。相反的或背面一側(cè)漏極金屬化區(qū)借助于一個鉬片(在這個圖中未示出)與金屬基座或凸緣12接觸。一個輸出陶瓷絕緣子或托腳30具有一個一體化金屬區(qū)或焊接點32，源極引線22就固定在該金屬化區(qū)上。連接線將每個源極區(qū)與源極焊接點32相連。一個輸入陶瓷絕緣子33設(shè)置在在管芯14的相反一側(cè)，具有一體化金屬區(qū)34，柵極引線24固定在該金屬化區(qū)上，并且具有一個源極-柵極反流金屬化區(qū)35，源極-柵極反流引線26固定在該金屬化區(qū)上。一些連線將每個柵極金屬化區(qū)34彼此相連，和與柵極區(qū)相連，另一些連線將反流金屬化區(qū)35與源極金屬化區(qū)32和管芯14上的源極區(qū)相連。反流引線用于在柵極與源極之間施加?xùn)艠O-源極輸入信號，它只要求柵極輸入端相對于漏極，即相對于地電位，是浮置的。此外，地或漏極引線28(參見圖2)可以直接焊接到凸緣(flange)上，或者可以通過連接線與焊接在凸緣12上的焊接點或接頭連接。管殼位于陶瓷絕緣子30、33和半導(dǎo)體管芯14之上，并固定在凸緣12上。
圖5中表示了一種優(yōu)選的放大器電路結(jié)構(gòu)，其中表示了晶體管10的四個管芯14中的一個。在該放大器電路40中采用直流接地漏極，和射頻共源極。漏極端D接地(即與凸緣12連接)，源極S連接作為輸出端和源極-柵極反流輸入端。其中，施加在柵極和源極之間的輸入信號是通過使輸入信號相對于地電位，即漏極浮置而獲得的。一個射頻輸入端41具有一個接地的外端子和一個內(nèi)端子。在輸入中心端子與地之間連接有一個輸入電容器C1和一個輸入變壓器T1的一個初級線圈。在變壓器T1的一個次級線圈TS的兩個末端抽頭之間連接有一個用于增強(qiáng)射頻穩(wěn)定性(即，抑制干擾信號)的輸入電阻器R1，并且在一個末端抽頭與該晶體管10的四個管芯14之一的柵極24之間還連接有一個用于使射頻穩(wěn)定性最佳的柵極電阻器R2。次級線圈TS的另一端與晶體管的一對源極反流引線26相連。在晶體管10的輸出側(cè)，漏極或地電位引線28上連接著一對并聯(lián)的漏極電容器C2、C3，在電容器C2、C3的另一側(cè)(即遠(yuǎn)離地電位的一側(cè))和晶體管10的源極引線22之間連接著一個電感器L1。一個射頻扼流線圈L2將電感器L1的漏極電容器一側(cè)與一個直流電壓源-Vss相連。源極引線22借助于電容器R4和電感器L3與一個射頻輸出端42相連。L3-C4串聯(lián)電路可以避免發(fā)生諧振。這個電路提高了某些應(yīng)用所需的效率。在其它應(yīng)用中，單元L3-C4用一個隔直流電容器(未示出)代替。
圖6和圖7中表示了本發(fā)明的四芯片晶體管50的第二實施例。在圖6所示的分解組裝圖中，凸緣或基座52是用鍍鎳的銅板制成的，并用一對準(zhǔn)直柱53固定。這四個管芯54可以是N-溝道MOS場效應(yīng)管硅芯片，也可以是雙極型結(jié)型晶體管硅芯片。一個管芯安裝型板55位于凸緣52上的準(zhǔn)直柱之上。焊接預(yù)型件56位于安裝型板中各個開口位置處，接著為鉬片57，然后是各個管芯54的上部焊接預(yù)型件58。較小的鉬片59用作漏極連接線的焊接點，后面將予以討論。
一旦將管芯54和鉬片57、59在凸緣52上定位，就將安裝型板55卸下，然后利用準(zhǔn)直柱53將一個模制的引線框60在凸緣上定位。當(dāng)完成所需的連接之后將一個護(hù)蓋62固定在引線框之上，并將準(zhǔn)直柱卸下。
如圖7中平面圖更加詳細(xì)表示的，該模制引線框60具有一個大小適合于固定在凸緣52上的塑料體63，和四個橢圓形導(dǎo)電框64，每個導(dǎo)電框均為金屬環(huán)繞形狀，即圍繞著各個橢圓形開口66的一個金屬環(huán)。開口66固定在各個半導(dǎo)體管芯54上，但是不與其接觸。柵極端焊接點68分別向各個管芯54的一側(cè)向內(nèi)延伸。接地(即漏極)引線70間隔設(shè)置在引線框60的另一側(cè)和接地片59的位置上。如圖所示，具有適合直徑(一般為15密耳直徑)的連接線72將鉬片59與接地引線70相連。而且，類似的連接線72將橢圓框64與管芯54上的各個金屬化源極區(qū)73相連(這里，表示出每個管芯有6個源極區(qū))，一對連接線72還將各個柵極端焊接點68與管芯的金屬化柵極區(qū)相連。每個橢圓引線框區(qū)64有一根源極引線74從塑料體63的一側(cè)伸出，一對源極反流引線78從塑料體63的另一側(cè)伸出。源極反流引線78是分開的，位于從柵極端焊接點68伸出的柵極引線76的兩側(cè)。這樣形成了對稱平衡的反流路徑。護(hù)蓋62膠粘或焊接在引線框60上方以完成晶體管的構(gòu)成。
在這個實施例中，沒有使用陶瓷絕緣子、金屬基片或支座絕緣子，從而簡化了結(jié)構(gòu)，減少了部件數(shù)量。上述的引線框結(jié)構(gòu)具有高度對稱、低寄生電抗的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)提高了在射頻信號的放大過程中幅值和相位相干性和平衡性。附圖中表示了在制造或生產(chǎn)工藝開始時連結(jié)在一起的引線帶的外端。這些引線帶上的外部遮條在安裝晶體管50之前拆掉。除了塑料體63以外，還可以使用陶瓷或類似的絕緣基片。金屬框可以印刷在絕緣體上。
在本發(fā)明的千瓦功率晶體管10、50中，在-160伏特的直流電壓下，以如圖8所示電路中50歐姆負(fù)載工作時，每個管芯14、54可以以最高效率，通常峰值效率為85％或更高，產(chǎn)生最小500瓦以上的射頻輸出功率。這對應(yīng)于每個管芯產(chǎn)生額定350瓦的射頻輸出功率，標(biāo)準(zhǔn)功率限值范圍44％。當(dāng)四個晶體管管芯14或54按照要求，并如圖9中電路所示，即以平衡的幅值和相位，協(xié)同工作時，四個千瓦功率晶體管10或50在相同的直流電壓(-160V)和適合的50歐姆負(fù)載條件下的組合輸出功率在最高效率時最小射頻輸出功率為1.80千瓦。這對應(yīng)于44％功率限值范圍時1.25千瓦額定射頻功率輸出。根據(jù)表C所示，在達(dá)到44％功率限值范圍時，千瓦功率晶體管產(chǎn)生前向功率驅(qū)動最差相位失配負(fù)載。因為前向功率輸出和效率下降，而負(fù)載失配功率反射增加，所以相應(yīng)的器件功率損耗增大。這樣提高了器件管芯溫度，但是因為具有上述的優(yōu)良的散熱構(gòu)造，其溫度遠(yuǎn)低于表A所示的現(xiàn)有技術(shù)器件的溫度。
表C1.25kW千瓦功率晶體管最差相位前向功率輸出與負(fù)載失配幅值負(fù)載失配幅值 最差相位前向功率
通過使用高電阻率外層材料或Rho-T產(chǎn)品硅材料，可以使管芯14或54具有高的工作電壓容量。這些管芯的源極-漏極擊穿電壓一般為1000伏特，當(dāng)源極-漏極電壓處于160伏至200伏時工作正常。因此，使用相對較低的電流，通常為每個管芯大約2.5安培，產(chǎn)生較高的功率。這種結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)良好的射頻接地和動態(tài)工作范圍，而不會犧牲射頻強(qiáng)度和射頻穩(wěn)定性，如在射頻等離子體負(fù)載情況下嚴(yán)格的技術(shù)要求所需要的。較大的射頻擊穿電壓范圍使得即使在嚴(yán)格的、接近開路負(fù)載失配情況下也能持續(xù)工作。由于較高的工作電壓所形成的每個芯片相對較低(通常為2.5A)的直流電流還使得管芯產(chǎn)生的熱量I2R減少。這種特點，再加上較大的金屬漏極區(qū)直接將熱量擴(kuò)散到凸緣中，使晶體管管芯保持在低于現(xiàn)有技術(shù)放大器的工作溫度，從而解決了散熱問題。每個芯片高電壓350瓦的結(jié)構(gòu)還實現(xiàn)了每個芯片較高的36歐姆準(zhǔn)線性電阻性負(fù)載線阻抗，降低了對于整個4-芯片器件的負(fù)載匹配電路的性能要求。本發(fā)明漏極接地晶體管的其它優(yōu)點包括與其它具有非常大芯片尺寸(100000平方密耳)和較大擊穿電壓(1000伏)的管芯相比具有降低的器件輸出電容(COSS)和降低的反饋電容(CRSS)。這使得晶體管在13.56MHz頻率下可以達(dá)到相當(dāng)高的射頻效率和射頻增益。這些實施例由于使用適合于射頻的連接線與引線框和連接線圍繞管芯或芯片對稱分布而具有高度對稱性和降低的寄生電抗，也使得晶體管性能更加優(yōu)良。與安裝在一個標(biāo)準(zhǔn)的T0-247器件封裝外殼中的相同芯片相比，橢圓形引線框結(jié)構(gòu)可以使350瓦射頻增益標(biāo)稱值提高大約3dB。
利用正弦波驅(qū)動信號可以實現(xiàn)90％至95％的超高效率。與利用現(xiàn)有技術(shù)的較大的(例如35000平方密耳)低電壓單芯片雙極型結(jié)型晶體管器件所能達(dá)到的一般為12至13dB射頻增益相比在350瓦時可以達(dá)到14至15dB的典型的單芯片射頻增益。
已經(jīng)證明本發(fā)明一個實施例的晶體管芯片工作時僅僅具有每瓦特大約0.3℃的射頻熱點熱阻，而每個晶體管芯片在每個管芯350瓦輸出功率下工作時的功率消耗為100瓦。這些芯片還具有安全負(fù)載失配允差，其特征在于在驅(qū)動5:1VSWR負(fù)載最差相位失配時具有300瓦的高前向功率輸出。這種射頻強(qiáng)度特性是一些嚴(yán)格應(yīng)用所需的關(guān)鍵參數(shù)。
其它多芯片結(jié)構(gòu)也是可能的。
此外，盡管已經(jīng)相對于13.56MHz的射頻波形頻率介紹了本發(fā)明上述實施例的結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明可以應(yīng)用于很寬的頻率范圍，包括其它射頻頻率，諸如27.12MHz、40.68MHz，等等。
圖8表示了一個單芯片放大器構(gòu)成，其中表示了本發(fā)明千瓦功率晶體管的射頻電流和信號路徑。在該附圖中表示了四個管芯14之一的放大器，相同的電路與其它三個(或多個)管芯相連。一個射頻輸入電路41接收射頻驅(qū)動信號。第一管芯14的1號端子，或柵極，通過一個內(nèi)柵極電阻R2與一個輸入變壓器次級線圈TS的一端相連，另一端與2號端子或源極相連。漏極或3號端子與凸緣相連接地。源極電壓-Vss通過一個射頻扼流圈L和諧振回路80及81從一個直流輸入端施加到管芯的源極或2號端子。直流輸入端借助于電容器83或84射頻接地。射頻輸出通過一個串聯(lián)LC電路85從2號端子傳送到射頻輸出端子42。
圖9與圖10A和10B結(jié)合示意性表示了構(gòu)成本發(fā)明的一種類型的千瓦功率晶體管實施例的一種四芯片型F1放大器。圖9表示采用四個管芯或芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)的一個完全實用的實施方案。其中，輸入變壓器次級線圈TS通過各個柵極電阻器91、92、93和94從一端將射頻電流施加到四個管芯14的柵極或1號端子；在次級線圈共用的另一端分別與四個源極或2號端子相連。源極或2號端子的輸出信號通過一個并聯(lián)三次諧波諧振電路95和一個串聯(lián)諧振電路96，其僅在失諧狀態(tài)下工作，傳送到一個輸出端。負(fù)電壓-Vss直流功率通過三次諧波諧振回路95、二次基波諧振回路97、和一個射頻扼流圈98施加到源極或2號端子。
在輸出端之前可以設(shè)置一個四端電路元件(networkelement)99，該元件一般可以具有三叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)F(圖10A)或三部分高度隔離π形四端電路元件F(圖10B)。這個元件作為一個耗能型帶通濾波器，以消除諧波和次諧波能量。
圖11一般地示意性表示了一個千瓦功率晶體管器件的并聯(lián)推挽放大器結(jié)構(gòu)，這個放大器可以用如圖13至16所示的千瓦功率晶體管構(gòu)成。
圖13至圖16表示了這種器件的一個第三實施例。這種器件能夠滿足大大超過迄今所述的構(gòu)造的功率量值的電學(xué)和機(jī)械對稱的要求。圖13表示了一個數(shù)千瓦3.0kW器件。這種構(gòu)造要求晶體管晶片從四個管芯增加到九個管芯。這個實施例具有轉(zhuǎn)盤形或圓形晶體管構(gòu)型以構(gòu)成電學(xué)和物理徑向?qū)ΨQ。這個實施例在射頻頻率范圍具有優(yōu)異的性能，同時又使寄生電抗最小。它特別適合于需要6至9個，或更多個芯片的數(shù)千瓦晶體管。
如圖13分解表示的，凸緣部件112由適合材料，如鍍鎳銅片構(gòu)成。一個適合絕緣基片構(gòu)成的切口環(huán)114上有9個矩形凹口或切口116，并且如圖13A和13B所示，具有金屬化圖案118a或118b。這些圖案118a和118b分別組成兩組四管芯或三組三管芯。根據(jù)晶體管應(yīng)用的不同，也可以采用許多其它的金屬化圖案。
在凸緣112中心形成有一個空心螺紋管接頭120，一個端帽形柵極絕緣子122固定在這個管接頭上。一個柵極圓片(geta terminaldisk)124固定在該端帽形絕緣子122的柱狀部分。圓片124由絕緣材料或介電材料制成，并且根據(jù)所需應(yīng)用的要求，將選定的扇區(qū)部分金屬化。圖14表示了若干種圓片金屬化形狀，例如，完全金屬化的圓片124a、具有三個金屬化扇區(qū)124b的圓片、和具有九個金屬化扇區(qū)124c的圓片。在后一種情況，選擇的扇區(qū)可以利用搭接片或?qū)Ь€連接。也可以采用許多其它的各種金屬化圖案。
鉬片126位于凸緣112上環(huán)114的各個凹口或切口116內(nèi)，9個管芯128分別安裝在鉬片上，例如，通過焊接的方式。柵極電阻130分別位于各個管芯128徑向向內(nèi)的位置。
環(huán)114的各個金屬化部分利用連接線(未示出)與各個管芯128的源極或2號端子區(qū)相連，柵極電阻以類似的方式與相應(yīng)的管芯128的1號端子區(qū)，例如柵極相連。
護(hù)蓋132固定在圖15和圖6所示位置。
如圖15所示，在凸緣112的邊緣上有九個安裝孔134，其間隔為40度。螺紋緊固件通過安裝孔134固定到相應(yīng)的散熱片上，例如放大器底座(chassis)部分。另一個螺紋緊固件通過中央管接頭120插入。這種對稱結(jié)構(gòu)，使每個安裝孔134與一個管芯128對齊，確保了在凸緣與底座之間施加均勻的壓力以保持接地盡可能對稱，和使接地電流最佳。
圖11所示的并聯(lián)推挽放大器結(jié)構(gòu)采用了具有8個晶體管管芯14的晶體管，這8個管芯安裝在一個凸緣上，但是分成兩組，每組4個管芯。
其中四個管芯14各自的輸入阻抗101分別與它們的柵極或1號端子相連，在輸入變壓器次級線圈TS與各組四個管芯的源極或2號端子之間設(shè)置有輸入四端電路元件99a。這兩組管芯各自的2號端子分別與上部和下部四端電路元件99b的輸入端相連，該元件還與地電位和一個輸出四端電路元件99c的各個輸入端相連，該元件99c產(chǎn)生射頻輸出。該四端元件99a、99b和99c可以具有如圖10A或10B所示結(jié)構(gòu)。
圖12表示一個數(shù)千瓦九芯片晶體管射頻放大器電路，其中三組三管芯分別并聯(lián)連接。射頻輸入信號從射頻輸入端輸入三路分頻器110，其具有三個輸出端，它們分別通過各個電路元件99d與各組三晶體管管芯14的合并1號輸入端相連。這些管芯的2號端子以相同方式合并，并將經(jīng)過放大的射頻輸出信號通過各個四端電路元件99e傳送到一個三路合成器113的輸入端。位于輸出端的耗能型帶通濾波器四端電路元件99可以具有如圖10A或圖10B所示的結(jié)構(gòu)，例如三叉形或π形結(jié)構(gòu)。
圖17示意性表示了圖13至圖16所示的具有徑向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤形晶體管器件的一種電路表示。在這種結(jié)構(gòu)中，晶體管組成三組三管芯。其中射頻輸入通過柵極圓片124b的金屬化扇區(qū)和電阻器130傳送到管芯128的柵極或1號端子。環(huán)114的金屬化部分118b以同樣的方式將三管芯的源極或2號端子與一個射頻輸出端相連。漏極或3號端子與凸緣相連接地。圖18表示了這種晶體管的一種圓形(結(jié)構(gòu)上非常重要)示意圖，圖中表示三組三個晶體管管芯128的圓周對稱結(jié)構(gòu)，以及柵極圓片金屬化區(qū)124b、柵極電阻器130、管芯128和環(huán)形金屬化圖案118b的徑向結(jié)構(gòu)。
圖19示意性表示本實施例的九芯片晶體管的另一種實施方案，在這種情況下選擇柵極圓片124和環(huán)114的金屬化區(qū)118a將九芯片晶體管構(gòu)成兩組四管芯結(jié)構(gòu)，第九個管芯不與電路相連。還有許多其它實施方案也是可以采用的。
上述千瓦至數(shù)千瓦實施例中的千瓦功率晶體管簡化了大功率(1.25-10kW，或更高)射頻發(fā)生器和放大器的構(gòu)造，提高了其可靠性。簡化或消除了輸出端上的組合電路。這包括場效應(yīng)管，如MOS場效應(yīng)管和J-場效應(yīng)管、雙極型結(jié)型晶體管，其中包含單BIT結(jié)構(gòu)、單塊功率達(dá)林頓結(jié)構(gòu)、和絕緣柵極雙極型結(jié)型晶體管(IGBT)。芯片材料可以是傳統(tǒng)的高Rho-T產(chǎn)品硅，盡管還可以使用其它多種外國產(chǎn)的半導(dǎo)體材料。晶體管放大器可以以所有相關(guān)的工作類型實施，就是A、AB、B、C、D、E、和F類，包括子類F1、F2、F3、和F4，以及脈沖模式。三種主要的射頻功能全部可以由下述方式實現(xiàn)1)射頻功率放大器；2)射頻功率振蕩器；3)射頻功率頻率倍增器；4)組合了上述兩種或多種射頻功能的射頻組合功能裝置。例如，KPT的一個芯片可以用作一個功率振蕩器，利用芯片功能的平衡作為一個功率放大器。該振蕩器設(shè)置在射頻源用于驅(qū)動功率放大器。由于這些芯片具有3個接地端子，功率振蕩器所要求的零相位漂移通過應(yīng)用1-3號端子所需的反饋自動滿足。
權(quán)利要求
1.大功率高電壓大芯片晶體管，它包括一個具有平坦上表面的一個導(dǎo)熱和導(dǎo)電凸緣(12)；具有平坦下表面的一個半導(dǎo)體管芯(14)，在所說下表面的大部分區(qū)域上形成一個電極端子3區(qū)(D)，在所說管芯(14)離開所說平坦下表面部分分別形成有一個電極端子1區(qū)(G)和一個電極端子2區(qū)(S)；與所說凸緣絕緣并與所說電極端子2區(qū)(S)相連的一根端子2引線(22)；與所說凸緣絕緣并與所說電極端子1區(qū)(G)相連的一根端子1引線(24)；和用于將所說電極端子3區(qū)設(shè)置在所說凸緣(12)上的部件，其特征在于所說管芯(14)與所說凸緣直接產(chǎn)生電接觸和熱接觸，所說凸緣(12)用作所說管芯的端子3引線；所說管芯(14)在端子2與端子3區(qū)之間的擊穿電壓在一千伏或更高的量級；所說管芯的下表面具有大約10萬平方密耳或更大的面積；所說電極端子3區(qū)(D)幾乎整個表面都金屬化。
2.如權(quán)利要求1所述的大功率晶體管，其特征在于所說用于設(shè)置所說電極端子3區(qū)的部件包括焊接在所說電極端子3區(qū)與所說凸緣之間的一個鉬片(57)。
3.大功率高電壓大芯片晶體管，包括具有平坦上表面的導(dǎo)熱和導(dǎo)電凸緣(12)；由若干半導(dǎo)體管芯(14a-14d)構(gòu)成的一個多芯片組合，每個管芯具有一個平坦下表面，在所說下表面的大部分之上形成有一個電極端子3區(qū)(D)，在所說管芯遠(yuǎn)離所說平坦下表面的部分分別形成有一個電極端子1區(qū)(G)和一個電極端子2區(qū)(S)；與所說凸緣絕緣并與所說的各個管芯的電極端子2區(qū)電相連的一組端子2引線(22a-22d)；與所說凸緣絕緣并與所說各個管芯的電極端子1區(qū)電連接的一組端子1引線(24a-24d)；和用于將所說管芯的電極端子3區(qū)設(shè)置在所說凸緣上的部件；其特征在于所說端子3區(qū)(D)與所說凸緣直接電接觸和熱接觸，所說凸緣用作所說管芯的一根端子3引線；每個所說管芯(14a-14d)在各個端子2和端子3區(qū)之間的擊穿電壓在一千伏或更高的量級；所說管芯的平坦下表面具有大約10萬平方密耳的面積；每個所說端子3區(qū)(D)的幾乎整個表面都金屬化。
4.如權(quán)利要求3所述的大功率晶體管，其特征在于在所說凸緣上設(shè)置至少四個所說管芯。
5.如權(quán)利要求3所述的大功率高電壓芯片晶體管，其特征在于所說管芯為MOS場效應(yīng)管管芯、所說電極端子1、2和3區(qū)分別為柵極、源極、和漏極區(qū)。
6.一種大功率接地漏極共源極射頻放大器電路，它包括一個輸入端(40)、一個直流電壓源(-Vss)、一個負(fù)載裝置(42)、和一個大功率高電壓大芯片晶體管(10)，該晶體管包括具有平坦上表面的一個導(dǎo)熱和導(dǎo)電凸緣(12)；具有平坦下表面的一個半導(dǎo)體管芯(14)，其中漏極區(qū)(D)形成在所說下表面的大部分面積之上，一個柵極區(qū)和一個源極區(qū)分別形成在所說管芯遠(yuǎn)離所說平坦下表面的部分；與所說凸緣絕緣并將所說直流電壓源和所說負(fù)載裝置與所說源極區(qū)電連接的一根源極引線；與所說凸緣絕緣并將所說輸入端(40)與所說柵極區(qū)電相連的一根柵極引線(24)；用于將所說漏極區(qū)設(shè)置在所說凸緣上的部件(57)；一個散熱片，所說凸緣安裝在其上用于將所說晶體管中的熱量散掉；其特征在于所說晶體管(10)的漏極區(qū)(D)與所說凸緣直接電接觸，所說凸緣用作所說管芯的漏極引線；所說管芯(14)的漏極-源極擊穿電壓在一千瓦或更高的量級；所說管芯的所說平坦下表面具有大約10萬平方密耳或更大的面積；所說漏極區(qū)是由幾乎整個表面金屬化構(gòu)成的。
7.如權(quán)利要求6所述的大功率接地漏極共源極射頻放大器，其特征在于直流隔離級(T1)位于所說輸入端和所說柵極之間，從而傳送到其上的輸入信號相對于所說漏極區(qū)是浮置的。
8.如權(quán)利要求6所述的大功率漏極接地共源極射頻放大器，其特征在于所說電壓源(-Vss)向所說源極輸送-160伏或更高的直流功率。
9.大功率高電壓大芯片晶體管，它包括一個具有平坦上表面的導(dǎo)熱和導(dǎo)電凸緣(52)；一個具有平坦下表面的半導(dǎo)體管芯，在所說下表面的大部分區(qū)域形成有一個電極端子3區(qū)，在所說管芯上離開所說平坦下表面的部分分別形成有一個電極端子1區(qū)和一個電極端子2區(qū)；用于將所說電極端子3區(qū)設(shè)置在所說凸緣上的部件(57)，和設(shè)置在所說凸緣上用于將所說管芯與外部引線連接起來的一個引線框結(jié)構(gòu)；其特征在于所說管芯的端子3區(qū)與所說凸緣直接電接觸和熱接觸，用所說凸緣(52)作為所說管芯的端子3引線；所說管芯(54)端子2與端子3之間的擊穿電壓在一千伏或更高量級；所說管芯下表面的面積大約為10萬平方密耳或更大；所說電極端子3區(qū)(D)的幾乎整個表面經(jīng)過金屬化處理；所說引線框(60)包括一個絕緣體(55)，所說絕緣體上與所說管芯配準(zhǔn)的一個金屬環(huán)繞體(64)，該環(huán)繞體上具有一個容納所說管芯的敞口(66)，所說敞口通過所說絕緣體(55)連續(xù)配準(zhǔn)，所說絕緣體上的端子2引線(74)與所說環(huán)繞體(64)直接電接觸，所述絕緣體上的端子引線(76)與所述環(huán)繞體(64)絕緣，引線接合部件(72)使所說環(huán)繞體(64)與所說管芯的電極端子2區(qū)電連接，并且引線接合部件(72)使端子1引線與所說管芯的電極端子1區(qū)電連接。
10.大功率高電壓大芯片晶體管，包括一個具有平坦上表面的導(dǎo)熱和導(dǎo)電凸緣(112)；設(shè)置在所說凸緣上構(gòu)成一組半導(dǎo)體管芯(128)的一個多芯片組合，每個管芯具有平坦下表面，在所說下表面上大部分區(qū)域形成有一個電極端子3區(qū)，在所說管芯上離開所說平坦下表面的部分分別形成有一個電極端子1區(qū)和一個電極端子2區(qū)；一個端子2引線框(114)，其具有一個絕緣層和與所說凸緣絕緣的一個金屬層，用于使所說端子2引線的金屬層與各個所說管芯的電極端子2區(qū)電連接的部件；與各個所說管芯的電極端子1區(qū)相連的端子1部件(122、124)；其特征在于所說凸緣是圓片形，所說半導(dǎo)體管芯以一定角度間隔沿圓周設(shè)置在所說凸緣上，使所說電極端子3區(qū)與所說凸緣直接電接觸，從而所說凸緣(112)用作所說管芯的端子3引線；所說端子2引線框(114)是環(huán)形的，并且同心地設(shè)置在所說凸緣上；每個所說管芯(128)各自的端子2和端子3區(qū)之間的擊穿電壓為一千伏或更高量級；所說管芯下表面的面積大約為10萬平方密耳或更大；每個所說電極端子3區(qū)的幾乎整個表面都經(jīng)過金屬化處理。
11.大功率高電壓大芯片晶體管，它包括一個具有平坦上表面的導(dǎo)熱和導(dǎo)電凸緣(52)；構(gòu)成一組半導(dǎo)體管芯(54)的一個多芯片組合，每個管芯具有平坦下表面，在所說下表面的大部分區(qū)域上形成有一個電極端子3區(qū)，在所說管芯上離開所說平坦下表面的部分上分別形成有一個電極端子1區(qū)和一個電極端子2區(qū)；與所說凸緣絕緣并與所說的各個管芯的電極端子2區(qū)相連的一組端子2引線；和設(shè)置在所說凸緣(52)上的一個引線框，其特征在于所說凸緣與所說管芯電接觸，并用作所說管芯的端子3引線；每個所說管芯各自的端子2區(qū)與端子3區(qū)之間的擊穿電壓為一千伏或更高的量級；所說管芯的下表面面積大約為10萬平方密耳；每個所說漏極區(qū)的幾乎整個表面都經(jīng)過金屬化處理；所說引線框由一個絕緣體(63)，和設(shè)置在所說絕緣體上的一組金屬環(huán)繞體(64)構(gòu)成，每個絕緣體與各個所說管芯之一(54)配準(zhǔn)，其上具有一個敞口以容納相應(yīng)的管芯，所說敞口通過所說絕緣體與之連續(xù)對準(zhǔn)，所說絕緣體上的一組端子2引線(74、78)與各個所說的環(huán)繞體完全電接觸，所說絕緣體上與所說環(huán)繞體(64)絕緣的一組端子1引線(76)，用于將所說環(huán)繞體與相應(yīng)管芯的所說電極端子2區(qū)相連的引線接合部件(72)，和用于將所說端子1引線與相應(yīng)管芯上的所說電極端子1區(qū)電連接的引線接合部件(72)。
全文摘要
一種大功率高電壓晶體管具有四個或多個以熱接觸形式安裝在一個金屬凸緣上的半導(dǎo)體管芯(14)。在每個管芯(14)下表面幾乎80%的區(qū)域上形成有一個漏極(集電極)區(qū),柵(基)區(qū)與源(射)區(qū)分別形成在其上表面,凸緣用作管芯(14)的漏極引線。管芯的漏極－源極(或集電極－射極)擊穿電壓為一千伏或更高量級,面積約為10萬平方密耳或更大。在漏極(集電極)區(qū)與凸緣之間的鉬片(57)保護(hù)管芯不受熱應(yīng)力的影響。
文檔編號H01L23/495GK1219773SQ98123439
公開日1999年6月16日 申請日期1998年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月24日
發(fā)明者G·C·阿迪施安 申請人:恩尼技術(shù)公司