高频功率放大器模块及半导体集成电路器件.pdf

本发明公开了一种高频功率放大器模块和半导体集成电路器件，其显著地提高交叉频带隔离性能而不使用任何滤波电路。在RF电源模块中设置的半导体芯片的中心部分中从上部向下形成接地线层。该接地线层形成在用于放大不同频带的GSM侧晶体管和DCS侧晶体管之间的边界上。在接地布线层上以相等的间隔形成芯片电极，且芯片电极的任意一个通过键合线连接到键合电极。在将安装半导体芯片的模块布线板上形成键合电极，且接地布线层连接到键合电极。通过接地布线层和键合引线俘获谐波信号。

1.  一种高频功率放大器模块，包括：
在半导体芯片上方形成的、用于放大两个不同频带的高频信号的第一和第二功率放大器部分；
用于匹配待进入所述第一和第二功率放大器部分的信号的阻抗的输入匹配电路；
用于匹配待从所述第一和第二功率放大器部分提供的信号的阻抗的输出匹配电路；以及
用于在其上方安装所述半导体芯片、所述输入匹配电路以及所述输出匹配电路的模块布线板，
其中，在所述半导体芯片的主表面上方的所述第一功率放大器部分和所述第二功率放大器部分之间形成基准电位区，以及
其中，所述基准电位区通过通孔连接到遍布所述半导体芯片的背面设置的基准电位层。

2.  根据权利要求1的高频功率放大器模块，
其中，在所述半导体芯片的所述主表面上方形成的基准电位区中形成用于俘获的多个凸块。

3.  根据权利要求1的高频功率放大器模块，
其中用于俘获的键合引线连接到在所述半导体芯片的所述主表面上方形成的所述基准电位区，以及
其中，所述基准电位区经由用于俘获的所述键合引线连接到在所述模块布线板上方形成的基准电位布线层。

4.  根据权利要求3的高频功率放大器模块，
其中邻近所述第一功率放大器部分设置的末级的晶体管放置用于俘获的所述键合引线，所述第一功率放大器部分用于放大两个不同频带的低频带的高频信号。

5.  一种半导体集成电路器件，具有用于放大两个不同频带的高频信号的第一和第二功率放大器部分，所述半导体集成电路器件包括：
在半导体芯片的主表面上方的所述第一功率放大器部分和所述第二功率放大器部分之间布置的基准电位区，
其中，所述基准电位区通过通孔连接到遍布所述半导体芯片的背面形成的基准电位层。

6.  根据权利要求5的半导体集成电路器件，其中在所述半导体芯片的所述主表面上方形成的基准电位区中形成用于俘获的多个凸块。

7.  根据权利要求5的半导体集成电路器件，
其中，用于俘获的键合引线连接到在所述半导体芯片的所述主表面上方形成的基准电位区，以及
其中，所述基准电位区经由用于俘获的所述键合引线连接到在所述模块布线板上方形成的基准电位布线层。

8.  根据权利要求7的半导体集成电路器件，
其中，邻近所述第一功率放大器部分中设置的末级的晶体管放置用于俘获的所述键合引线，所述第一功率放大器部分用于放大两个不同频带的低频带的高频信号。

高频功率放大器模块及半导体集成电路器件
本申请要求2003年7月9日递交的日本专利申请JP2003-194063的优先权，其内容通过参考引入本申请。
技术领域
本发明涉及用于高频信号的滤波技术，更具体地涉及可以有效地应用于除去在半导体芯片的表面上方或其它地方传播的谐波含量的技术。
背景技术
近年来，蜂窝电话已广泛地用作移动通信的一种主要装置，并且要求它们的功能更加多样化。例如，对于蜂窝电话的高频功率放大器模块的尺寸减小的需求特别迫切，且为了满足该需求，广泛地使用在单个芯片上调节不同频带的通信公式(formulas)如GSM和DCS的这种模块。
在单个芯片上调节不同频带的通信公式(formulas)之处从一个频带提供的高频成分影响另一频带，由此严重地使所谓的交叉频带隔离水平降低。
为此，在高频功率放大器模块中高频成分泄漏的侧边上的输出匹配电路中提供由PIN二极管和电容器构成的滤波电路，以当一个频带工作时通过过滤高频成分处理该问题。
顺便提及，某些这种高频功率放大器在它们的输出匹配电路中具有用于传递不同信号的多个输出侧微分裂(micro-split)线，且通过在输出侧微分裂线之间设置多个地线防止一个输出侧微分裂线和另一个输出侧微分裂线之间的干扰。
专利参考文献1：日本未审查的专利公开No.2002-141756
发明内容
但是，本发明人发现用于改进这种高频功率放大器模块中的交叉频带隔离性能的技术涉及下列问题。
因此，由于滤波电路由分立部件构成，因此PIN二极管和电容器占据极其大的面积，由此对高频功率放大器模块的尺寸减小形成一个障碍。
而且，分立部件的使用意味着相应地增加构成高频功率放大器模块的部件的数目，由此增加高频功率放大器模块的成本。
因此，本发明的目的是提供一种高频功率放大器模块和半导体集成电路器件，允许除去半导体芯片的表面上方及它附近传播的谐波含量而不使用滤波电路且由此实现交叉频带隔离性能的显著改进。
本发明的另一目的是提供一种允许改进交叉频带隔离性能的高频功率放大器模块及半导体集成电路器件。
从下面结合附图的说明书的描述将使本发明的上述及其他目的、以及新颖性特点变得更明显。
下面简要地描述本申请中公开的本发明的代表性方面。
因此，根据本发明的高频功率放大器模块包括在半导体芯片上方形成的、用于放大两个不同频带的高频信号的第一和第二功率放大器部分；用于匹配将进入第一和第二功率放大器部分的信号的阻抗的输入匹配电路；用于匹配将从第一和第二功率放大器部分提供的信号的阻抗的输出匹配电路；以及用于在其上安装半导体芯片、输入匹配电路以及输出匹配电路的模块布线板，其中在半导体芯片的主表面上方的第一功率放大器部分和第二功率放大器部分之间形成基准电位区，且该基准电位区经由通孔连接到在半导体芯片的背面上方设置的基准电位层。
下面简要地描述本申请公开的本发明的其他方面。
根据本发明，还提供了一种半导体集成电路器件，该器件具有用于放大两个不同频带的高频信号的第一和第二功率放大器部分，设有布置在半导体芯片的主表面上方的第一功率放大器部分和第二功率放大器部分之间的基准电位区，其中该基准电位区经由通孔连接到在半导体芯片的背面上方形成的基准电位层。
图1是本发明的实施例1的双频带通信终端的框图。
图2示出了图1的双频带通信终端中设置地RF功率模块的模块布线板的布局。
图3示出了在图2的RF功率模块中设置的一个晶体管的a-a′截面。
图4示出了在图2的RF功率模决中设置的另一个晶体管的b-b′截面。
图5示出了在图2的RF功率模块中设置的输出匹配电路的一个实例的电路图。
图6示出在本发明的实施例2中的RF功率模块中设置的半导体芯片中的凸块的布局。
图7示出了当向下面对模块布线板键合时图6的半导体芯片的c-c′截面。
图8示出了当向上面对模块布线板键合时图6的半导体芯片的c-c′截面。
图1是本发明的实施例1的双频带通信终端的框图；图2示出了图1的双频带通信终端中设置的RF功率模块的模块布线板的布局；图3示出了在图2的RF功率模块中设置的一个晶体管的a-a′截面；图4示出了在图2的RF功率模块中设置的另一个晶体管的b-b′截面；以及图5示出了在图2的RF功率模块中设置的输出匹配电路的一个实例的电路图。
在该实施例1中，双频带通信终端1是通信系统，例如可以是蜂窝电话。该双频带通信终端1包括用于发送/接收的天线2、前端模块3、RF线性部分4、APC-IC控制部分5以及基带部分6，如图1所示。
用于发送/接收的天线2发送和接收信号波。前端模块3分路由用于发送/接收的天线2接收的高频信号(900MHz/1.8GHz频带)并放大待发送的功率高频信号。
RF线性部分4将从麦克风进入的语音信号转变为高频信号。APC-IC控制部分5控制输出信号电平。基带部分6转换接受信号的频率用于语音处理。
前端模块3包括分路滤波器7、发送/接收转换开关8和9、滤波器10和11、耦合器12和13、RF功率模块(高频功率放大器模块)14、表面声学器件(SAW)15和16等。
由用于发送/接收的天线接收的高频信号(900MHz/1.8GHz频带)进入前端模块3且在被分路滤波器7分路之后，经由发送/接收转换开关8和9以及SAW15和16二者之一进入RF线性部分4中设置的接收器电路。
SAW15和16通过利用压电的弹性表面波选择已传播的特定频率的信号作为高频信号。
分路滤波器7由通过高频带(DCS频带/1.8GHz)的高通滤波器(HPF)和通过低频带(GSM频带/900MHz)的低通滤波器(LPF)构成，分开双频带的两种频率。由例如PIN二极管构成的发送/接收转换开关8和9通过控制偏压的导通和截至在发送和接收之间转换。
经历频率变换之后进入的信号进入基带部分6，并通过基带部分6经历语音处理。
从麦克风进入的语音信号通过RF线性部分4转变为高频，并进入前端模块3的RF功率模块14。由两个功率放大器部分14a和14b构成的RF功率模块14执行用于发送/接收的天线2的发送所需的功率放大。
功率放大器部分(第二功率放大器部分)14a放大用于DCS频带的高频信号的功率，而功率放大器部分(第一功率放大器部分)14b放大用于GSM频带的高频信号的功率。
在该处理中，RF功率模块14根据来自APC-IC控制部分5的控制信号放大功率。APC-IC控制部分5探测来自耦合器12和13的信号，并产生用于保持来自于RF功率模块14的功率恒定的控制信号。耦合器12和13选出并反馈来自RF功率模块14的部分输出。
当通过RF功率模块14放大的信号达到用于输出的规定电平时，在通过例如可以由LPF构成的滤波器10和11清除不必要的谐波含量之后，通过发送/接收转换开关8和9以及分路滤波器7将它们提供给用于发送/接收的天线2。
图2示出了RF功率模块14的模块布线板的布局。
在模块布线板17中设置的芯片安装区中安装半导体芯片18。模块布线板17的左下角布置输入匹配电路19以及在输入匹配电路19之上布置输出匹配电路20。
模块布线板17的右下角布置输入匹配电路21以及在输入匹配电路21之上布置输出匹配电路22。
这些输入匹配电路19和21以及输出匹配电路20和22旨在优化与待连接的外部电路匹配的阻抗并满足输入/输出性能的要求。
在半导体芯片18的左边，从下部向上，布置晶体管T1和T2，在半导体芯片18的右边，从下部向上布置晶体管T3和T4。
输入匹配电路19、输出匹配电路20以及晶体管T1和T2构成功率放大器部分14a，以及输入匹配电路21、输出匹配电路22以及晶体管T3和T4构成功率放大器部分14b。
在模块布线板17的背面的四个拐角附近分别布置电极部分23至26。电极部分23连接到输入匹配电路19的输入部分，以及电极部分24连接到输出匹配电路20的输出部分。电极部分25连接到输入匹配电路21的输入部分，以及电极部分26连接到输出匹配电路22的输出部分。
在输入匹配电路19的右边设置键合电极27，以及在输入匹配电路21的左边设置键合电极28。在键合电极27和键合电极28之间设置键合电极29和30。
键合电极27和28连接到输入匹配电路19和21的各个输出部分。电源电压Vbb提供到键合电极29和30。
在输出匹配电路20的右边设置键合电极31，以及在输出匹配电路22的左边设置键合电极32。这些键合电极31和32连接到输出匹配电路20和22的各个输入区。
在半导体芯片18之上从左至右布置键合电极33至35。电源电压VCC提供到键合电极33和35，键合电极34连接到模块布线板17中的接地(基准电位)布线层17。
而且在半导体芯片18中从上向下形成接地布线层(基准电位区)36。该接地布线层36也由晶体管T1至晶体管T3形成并连接到晶体管T1和T3的发射极。
在从半导体芯片18的上部向下部延伸的接地布线层36上方例如以任意希望的间隔形成三个芯片电极37至39。芯片电极37至39连接到接地布线层36。
在晶体管T1和T2的左边形成芯片电极40，以及在晶体管T3和T4的右边形成芯片电极41。在晶体管T2和T4之上分别形成芯片电极42和43，以及在晶体管T1和T3的下面分别形成芯片电极44和45。
这些键合电极27至33和35经由键合引线46分别连接到芯片电极40至44。键合电极34通过键合引线(用于俘获的键合引线)47连接到芯片电极37至39之一(在该实例中为芯片电极38)。
该键合引线47是用于俘获谐波信号的引线，俘获从GSM侧(晶体管T1和T2)朝着DCS侧(晶体管T3和T4)的方向传播到半导体芯片18的上部的谐波信号。
通过在GSM侧(晶体管T1和T2)和DCS侧(晶体管T3和T4)之间的边界上方形成的接地布线层36隔离在半导体芯片18的表面上方传播的谐波信号。
图3示出了图2的晶体管T3的a-a′截面。
在由砷化镓(GaAs)等构成的半导体衬底48的主表面上方形成的晶体管T3中依次层叠子集电极49、集电极50、基极51以及发射极52。
子集电极49、集电极50以及基极51由GaAs形成，且子集电极49具有比集电极50更高的杂质浓度。
发射极52由磷化镓铟(InGaP)形成。在发射极52上方形成由金(Au)形成的发射极53。
在发射极53上方形成例如由金构成的内层布线54，在发射极53上方的内层布线54的表面上方形成镀有金等的表层布线55。
发射极52通过内层布线54连接到通孔56。通孔56是电连接半导体衬底48的主表面和背面的穿通孔。
在该通孔56之上和内层布线54上方的部分中形成镀有金等的表层布线57。表层布线57构成接地布线层36(图2)。
遍布半导体衬底48的整个背侧面形成背面布线(基准电位层)58。该背面布线58构成例如镀有金的接地布线层。
通孔56连接到背面布线58，以及晶体管T3中的发射极52通过内层布线54、通孔56以及背面布线58接地。
图4示出了图2的晶体管T4的b-b′截面。
在半导体衬底48的主表面上方形成的晶体管T4中，依次层叠子集电极60、集电极61、基极62以及发射极63。
在晶体管T4中同样层叠由砷化镓形成的子集电极60、集电极61以及基极62，且子集电极60具有比集电极61更高的杂质浓度。
发射极63由InGaP形成。在该发射极6上方形成例如由金(Au)构成的发射极64。
在发射极64上方是例如由金构成的内层布线65和基极电极66。在基极电极66上形成由金等构成的内部布线67。
在子集电极60上方形成集电极68，以及在集电极68上方形成由金等构成的内层布线69。
在这些内层布线65、67以及69上方分别形成镀有Au等的表面布线层70至72，且表面布线层70至72分别构成晶体管T4的发射极、基极以及集电极。
在晶体管T4左边的部分半导体衬底48中形成连接到在半导体衬底48的背面上方形成的背面布线58的通孔73。
在该通孔73上方形成图3所示的内层布线54。在内层布线54上方形成将构成图3中所示的接地布线层36(图2)的表层布线57。
图5示出了输出匹配电路20(或22)的结构的一个实例。
输出匹配电路20(或22)由电容器74至77、线圈78以及传输路由79至81构成。传输路由79至81是感应器，每个由在模块布线板17上方形成的布线图形构成。
晶体管T2(或T4)的集电极连接到将构成输出匹配电路20(或22)的输入部分的传输路由79。传输路由79的输出部分连接到线圈78的另一连接部分、电容器75的一个连接部分以及传输路由80的输入部分。
电源电压VCC连接到线圈78的一个连接部分以及电容器74的一个连接部分。电容器76的一个连接部分和传输路由81的输入部分连接到传输路由80的输出部分。基准电位(VSS)连接到电容器74至76的另一连接部分。
传输路由81的输出部分连接到连接电容器77的一个连接部分，以及电容器77的另一连接部分构成输出匹配电路20的输出部分RFout。
在该实施例1中，因为键合引线47和接地线层36的存在，因此使在半导体芯片18的表面上和之上传播的谐波信号的捕获成为可能，所以可以提高RF功率模块14的交叉频带隔离性能。
而且，因为在输出匹配电路20和22中不需要防止交叉频带隔离的电路，如PIN二极管或电容器，因此可以显著地减小RF功率模块14的尺寸。
(实施例2)
图6示出了在本发明的实施例2的RF功率模块中设置的半导体芯片中的凸块的布局。图7是当向下面对模块布线板键合时图6的半导体芯片的c-c′截面。图8是当向上面对模块布线板键合时图6的半导体芯片的c-c′截面。
在该实施例2中，与上述实施例1中的相应部分相同的RF功率模块，包括由输入匹配电路、输出匹配电路以及两个晶体管构成的功率放大器部分14a(图1)以及由输入匹配电路、输出匹配电路以及两个晶体管构成的功率放大器部分14b(图1)。
这些晶体管的布局与如上所述的实施例1的半导体芯片18中的相同。在半导体芯片18a的主面上方，在半导体芯片18a的左边从下部向上布置晶体管T1和T2(图2)，在半导体芯片18a的右边从下部向上布置晶体管T3和T4。
图6示出了凸块的布局，该凸块将构成半导体芯片18a中的外部端子。
在半导体芯片18a的主面上方形成由Au等构成的凸块82至94。在半导体芯片的左侧附近例如以等间隔形成五个凸块82。这些凸块82连接到晶体管T2的集电极。
在半导体芯片的右侧附近例如形成五个凸块83，五个凸块83连接到晶体管T4的集电极。这些凸块82和83构成晶体管T2和T4的输出部分RFout。
在半导体芯片18a的上部的左侧和右侧形成两个凸块84，两个凸块84连接到源电压Vcc，在半导体芯片18a的下部从左至右形成凸块85至88。
连接到晶体管T1和T3的基极的凸块85和88是前级，构成输入匹配电路的RF信号中的输入部分RFin。凸块86和87连接到源电压Vbb。
在半导体芯片18a的中心部分从上部向下例如以等间隔形成五个凸块(用于捕获的凸块)89至93，这些凸块89至93通常连接到在半导体芯片18a的布线层中形成的接地布线层36a。
在多个凸块82和凸块89至93之间以及在多个凸块83和凸块89至93之间形成阵列形状的多个凸块94。这些凸块94用于接地(基准电位)和连接到模块布线板17a的接地布线层(图7)。
在此情况下，在半导体芯片18a上方从GSM侧(晶体管T1和T2)传播到DCS侧(晶体管T3和T4)的谐波信号被凸块89至93捕获，以及在半导体芯片18a的表面上方传播的谐波信号被接地布线层36a隔离。
图7示出了当向下面对模块布线板17a键合时图6的半导体芯片18a的c-c′截面。
半导体芯片18a的凸块89至93连接到在模块布线板17a的主面上方形成的电极部分。这些电极部分经由通孔94连接到在模块布线板17a的背面上方形成的接地布线层。
在模块布线板17a的主面上方形成电极部分，电极部分连接到其他凸块82至88以及94。这些电极部分经由通孔和在模块布线板17a的背面上方形成的构图布线连接到也形成在模块布线板17a的背面上方的电极部分。
在模块布线板17a的背面上形成的电极部分上方形成焊剂凸块等且通过这些焊剂凸块将电极部分安装在印刷电路板上方。
图8示出了当向上面对模块布线板17b键合时图6的半导体芯片18a的c-c′截面。
半导体芯片18a的凸块89至93连接到在模块布线板17b的背面上方的芯片安装部分中形成的电极部分。这些电极部分经由通孔94a连接到在模块布线板17b的主面上方形成的接地布线层。
在模块布线板17b的背面上方形成电极部分，电极部分连接到凸块82至88以及94(图6)。这些电极部分经由通孔和在模块布线板17b的主面上方形成的构图布线连接到也形成在模块布线板17b的主面上方的电极部分。
在模块布线板17b的背面上方形成的电极部分中例如形成焊剂凸块等，通过这些焊剂凸块将电极部分安装在印刷电路板上方。在该安装工序中，通过例如金膏95等也将半导体芯片18a的背面安装在印刷电路板上方。
此外，在该实施例2中，由于在半导体芯片18a的表面上和之上传播的谐波信号被凸块89至93以及接地布线层36a捕获，因此可以提高RF功率模块的交叉频带隔离性能。
而且，因为输出匹配电路中不需要防止交叉频带隔离的电路，如PIN二极管或电容器，因此可以显著地减小RF功率模块的尺寸。
尽管至此已参考其具体实施例描述了通过本发明实现的发明，但是本发明不局限于这些实施例。在不背离其要领的情况下显然可以以各种其他方式体现本发明。
下面简要地描述通过在本申请中公开的本发明的大多数代表性方面的一些实现的优点。
(1)可以改进用于放大不同频带的高频信号的半导体芯片中的交叉频带隔离性能。
(2)此外，由于输出匹配电路不需阻止交叉频带隔离的外部电路，因此可以显著地减小半导体集成电路器件和高频功率放大器模块的尺寸。