(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特性インピーダンスの異なる第１の伝送線路および第２の伝送線路を備えるインピーダンス変換器であって、
前記第１の伝送線路は、第１の基板に形成された１つの直線線路であり、
前記第２の伝送線路は、第２の基板に形成され、共通の第２端部に接続され、前記直線線路の信号方向に対して外側に曲がる折り曲げ形状を有する同じ線路長の２つの分岐線路を備え、
前記２つの分岐線路の２つの第１端部は、前記第１の伝送線路の前記直線線路に、前記直線線路の信号方向に垂直な端面で対向し、且つ前記第１の伝送線路に共通に接続され、
前記２つの分岐線路のそれぞれの特性インピーダンスは、前記第２の伝送線路の特性インピーダンスの２倍であることを特徴とするインピーダンス変換器。
【請求項２】
前記第２の伝送線路は、同一誘電率の基板上に形成され、互いに線対称の折り曲げ形状の２つのマイクロストリップ線路を備える請求項１に記載のインピーダンス変換器。
【請求項３】
前記２つのマイクロストリップ線路の前記第１端部は、分離している請求項２に記載のインピーダンス変換器。
【請求項４】
前記２つのマイクロストリップ線路の前記第１端部は、テーパー状である請求項３に記載のインピーダンス変換器。
【請求項５】
前記２つのマイクロストリップ線路は、前記第１端部が共通に接続される共通電極を備える請求項２に記載のインピーダンス変換器。
【請求項６】
前記２つのマイクロストリップ線路の前記第２端部は一体である請求項２から５のいずれか１項に記載のインピーダンス変換器。
【請求項７】
前記２つのマイクロストリップ線路は、前記第１端部の近傍に、前記２つのマイクロストリップ線路を接続する抵抗を備える請求項２から６のいずれか１項に記載のインピーダンス変換器。
【請求項８】
前記２つの分岐線路の前記第１端部と前記第１の伝送線路を接続する複数のワイヤボンディングを備え、
前記複数のワイヤボンディングは、前記第１の伝送線路の信号の進行方向に対して両側の端部近傍に接触するワイヤボンディングを含む請求項１から７のいずれか１項に記載のインピーダンス変換器。
【請求項９】
集積回路と、整合回路と、を備える集積回路搭載装置であって、
前記整合回路は、請求項１から８のいずれか１項に記載のインピーダンス変換器を備えることを特徴とする集積回路搭載装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の集積回路搭載装置を備える通信機モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送線路、伝送線路を含むインピーダンス変換器、インピーダンス変換器を含む集積回路搭載装置、および集積回路搭載装置を含む通信機モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話基地局やレーダー向けに高出力トランジスタを含む集積回路チップを搭載した高出力の集積回路搭載装置が要望されている。このような集積回路搭載装置は、メタルパッケージ上の集積回路チップ上に形成されたパワートランジスタを複数並列に配置し、誘電体基板上の線路でインピーダンス変換器を形成してインピーダンス整合させて高出力特性を実現している。
【０００３】
広帯域な整合回路を形成するには、Ｑ値を小さく保持するように、１／４波長線路を複数直列に接続したインピーダンス変換器を利用する。このようなインピーダンス変換器は、１／４波長線路の段数を増加させることで広帯域な特性が得られるため、広帯域特性を必要とする集積回路搭載装置に広く使用されている。１／４波長インピーダンス変換器を構成する際、所望の特性インピーダンスを有する伝送線路を、配線の基板厚や基板の誘電率、および配線幅を考慮して形成する。
【０００４】
図１は、インピーダンス変換を説明する図であり、図１の（Ａ）は１段で整合する場合を、（Ｂ）は２段で整合する場合を示す。トランジスタの出力インピーダンスをＲ１、後段の入力インピーダンスをＲ０とし、Ｒ０＞Ｒ１であるとする。図１の（Ａ）に示すように１段で整合する場合は、特性インピーダンスがＺの１／４波長線路を１つ使用して、Ｚ＝（Ｒ０×Ｒ１）1/2にする。これに対して、図１の（Ｂ）に示すように２段で整合する場合は、特性インピーダンスがＺ１の１／４波長線路とＺ２の１／４波長線路を直列に接続し、Ｚ１＝（Ｒ１3×Ｒ０）1/4およびＺ２＝（Ｒ１×Ｒ０3）1/4にする。なお、３段以上の１／４波長線路を直列に接続する場合もある。
【０００５】
高出力の集積回路搭載装置では、高出力化のために、トランジスタのゲート幅を増やすことが行われる。トランジスタのゲート幅の増加は、同一の特性の複数のトランジスタを並列に使用し、複数のトランジスタの出力を共通に接続することにより実現される。このようにしてトランジスタのゲート幅を増加すると、トランジスタの出力インピーダンスは１オーム以下にまで低下する。トランジスタからの出力を最大限に引き出すためには、数オームの出力インピーダンスを、通常使われる５０オームにインピーダンス変換を行い、インピーダンス整合する必要がある。この場合、周波数帯域を確保するために、図１の（Ｂ）に示したように、インピーダンス変換器を複数直列接続して、段階的にインピーダンスを５０オームへ変換して整合させることが行われる。１／４波長線路の長さおよび幅などの形状は、基板の誘電率、インピーダンスなどにより決定される。そのため、低誘電率の基板を使用した高インピーダンスの線路は、高誘電率の基板を使用した低インピーダンスの線路に比べて長くなり、線幅も太くなる。その結果、整合回路のサイズが大きくなるという問題がある。そのため、長い線路は配線を折り曲げるパターンレイアウトを用いて、整合回路を小型化することが行われる。
【０００６】
図２は、折り曲げ（ベンド）形状の線路を含む高出力の集積回路搭載装置の整合回路の従来例を示す図である。図２において、集積回路チップ１１は、複数のトランジスタを含む。集積回路チップ１１の左側が入力整合回路２０であり、右側が出力整合回路３０である。入力整合回路２０は、基板２１上に形成された折り曲げ形状の１／４波長線路２２と、基板２３上に形成された直線形状の１／４波長線路２４と、１／４波長線路２２と１／４波長線路２４とを接続する複数のワイヤボンディング２５と、１／４波長線路２４と集積回路チップ１１の入力端子とを接続する複数のワイヤボンディング２６と、を含む。１／４波長線路２２の左側の端部ＩＮが入力部で、集積回路搭載装置のパッケージの端子にワイヤボンディングなどで接続される。出力整合回路３０は、基板３１上に形成されたテーパー形状の電極３２と、基板３３上に形成された直線形状の１／４波長線路３４と、基板３５上に形成された折り曲げ形状の１／４波長線路３６と、集積回路チップ１１の出力端子と電極３２とを接続する複数のワイヤボンディング３７と、電極３２と１／４波長線路３４とを接続する複数のワイヤボンディング３８と、１／４波長線路３４と１／４波長線路３６とを接続する複数のワイヤボンディング３９と、を含む。１／４波長線路３６の右側の端部ＯＵＴが出力部で、集積回路搭載装置のパッケージの端子にワイヤボンディングなどで接続される。
【０００７】
通常、接続は、複数本のワイヤボンディングで実現される。例えば、図２の従来例では、集積回路チップ１１と１／４波長線路２４および１／４波長線路３２は、それぞれ８本のワイヤボンディング２６および３７で接続される。また、１／４波長線路２２と１／４波長線路２４の接続には、４本のワイヤボンディング２５が使用され、電極３２と１／４波長線路３４およびと１／４波長線路３４と１／４波長線路３６の接続には、それぞれ５本のワイヤボンディング３８および３９が使用される。
【０００８】
しかし、図２のような折り曲げ形状の線路を使用しても、整合回路のサイズを十分に小さくすることができないという問題がある。整合回路のサイズで、特に問題になるのが図２において左端から右端までの距離、すなわちパッケージの入力端子から出力端子に至る信号経路の方向の長さである。例えば、図２の従来例では、１／４波長線路２２のこの方向の長さが６．６ｍｍで、１／４波長線路３６のこの方向の長さが７ｍｍで、全体の長さが２１．８ｍｍである。
【０００９】
集積回路は一般的なパッケージサイズの仕様が決められており、実用上はこの仕様を満たすことが望ましい。そのため、図２に示すように、長い線路は線路を折り曲げるパターンレイアウトを用いて小さくレイアウトすることが行われるが、十分に短くならず、パッケージに収まらないという問題が発生している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１２２００９号公報
【特許文献２】特開平１０−２８４９２０号公報
【特許文献３】特開昭５７−０３７９０３号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】S. B. Cohn, “Optimum Design of Stepped Transmission-Line Transformers”, IRE trans. MTT-3, pp.16-21, 1955.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
実施形態は、小型で伝送損失の少ない１／４波長線路、インピーダンス変換器、集積回路搭載装置および通信機モジュールを実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
実施形態の第１の態様の伝送線路は、第１端部および第２端部をそれぞれ含む同一の線路長の複数の分岐線路を備え、複数の分岐線路の少なくとも一部は、折り曲げ形状を備え、複数の分岐線路の第１端部は、共通の端子に接続され、複数の分岐線路の第２端部は、共通の端子に接続される。
【００１４】
実施形態の第２の態様のインピーダンス変換器は、特性インピーダンスの異なる第１の伝送線路および第２の伝送線路を備えるインピーダンス変換器であって、第２の伝送線路は、第１端部および第２端部をそれぞれ含む同一の線路長の複数の分岐線路を備え、複数の分岐線路の少なくとも一部は、折り曲げ形状を備え、複数の分岐線路の第１端部は、第１の伝送線路に共通に接続され、複数の分岐線路の第２端部は、共通の端子に接続される。
【００１５】
実施形態の第３の態様の集積回路搭載装置は、集積回路と、整合回路と、を備える集積回路搭載装置であって、整合回路は、特性インピーダンスの異なる第１の伝送線路および第２の伝送線路を含むインピーダンス変換器を備え、第２の伝送線路は、第１端部および第２端部をそれぞれ含む同一の線路長の複数の分岐線路を備え、複数の分岐線路の少なくとも一部は、折り曲げ形状を備え、複数の分岐線路の第１端部は、第１の伝送線路の共通端子に接続され、複数の分岐線路の第２端部は、共通の端子に接続される。
【発明の効果】
【００１６】
実施形態によれば、小型で伝送損失の少ない伝送線路、インピーダンス変換器、集積回路搭載装置および通信機モジュールが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、インピーダンス変換を説明する図である。
【図２】図２は、折り曲げ形状の線路を含む高出力の集積回路搭載装置の整合回路の従来例を示す図である。
【図３】図３は、第１実施形態の集積回路搭載装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態において、１／４波長線路および２つのベント分岐線路の部分のインピーダンス変換回路を模式的に示す図である。
【図５】図５は、第２実施形態の集積回路搭載装置における、出力整合回路の部分を示す図である。
【図６】図６は、第２実施形態において、１／４波長線路および２つのベント分岐線路の部分のインピーダンス変換回路を模式的に示す図である。
【図７】図７は、第２実施形態において、１／４波長線路および１／４波長線路を流れる高周波電流の面内分布を電磁界シミュレーションした結果を示す図である。
【図８】図８は、図２の従来例と第２実施形態の出力整合回路における伝送損失を電磁界解析によるシミュレーションで演算した計算結果のグラフである。
【図９】図９は、第３実施形態の集積回路搭載装置における、出力整合回路の部分を示す図である。
【図１０】図１０は、第３実施形態で、１／４波長線路とベント分岐線路の２つの先端を４本の金ワイヤでそれぞれ接続する場合のワイヤの配置の変形例を示す図である。
【図１１】図１１は、第３実施形態の出力整合回路における伝送損失をシミュレーションにより演算した計算結果のグラフである。
【図１２】図１２は、第４実施形態の集積回路搭載装置における、出力整合回路の部分を示す図である。
【図１３】図１３は、第４実施形態の出力整合回路における伝送損失をシミュレーションにより演算した計算結果のグラフである。
【図１４】図１４は、第５実施形態の集積回路搭載装置における、出力整合回路の部分を示す図である。
【図１５】図１５は、出力整合回路の変形例を示す図である。
【図１６】図１６は、第２実施形態の集積回路搭載装置を、メタルウォールを有する気密封止メタルパッケージに搭載した高出力増幅回路装置を示す図である。
【図１７】図１７は、高出力増幅回路装置を使用した通信機モジュールの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図３は、第１実施形態の集積回路搭載装置の構成を示す図であり、図３の（Ａ）が上面図であり、図３の（Ｂ）が出力整合回路の部分の中心線に沿った断面図である。第１実施形態の集積回路搭載装置は、入力される２〜４ＧＨｚの高周波信号を、出力電力が約５０Ｗ（ワット）になるように増幅して出力する。このような増幅を行うため、同一の特性の複数のトランジスタを並列に使用し、複数のトランジスタに同一の信号を入力し、複数のトランジスタの出力を共通に接続することにより、実質的にトランジスタのゲート幅を増加させて高出力化を実現している。
【００１９】
図３の（Ａ）に示すように、第１実施形態の集積回路搭載装置は、複数のトランジスタを含む集積回路チップ１１と、集積回路チップ１１の一方の側（ここでは左側）に配置された入力整合回路２０と、集積回路チップ１１の他方の側（ここでは右側）に配置された出力整合回路３０と、を含む。
【００２０】
入力整合回路２０は、基板４１上に形成された折り曲げ形状の１／４波長線路４２と、基板２３上に形成された直線形状の１／４波長線路２４と、１／４波長線路４２と１／４波長線路２４とを接続する２組のワイヤボンディング４３Ａおよび４３Ｂと、１／４波長線路２４と集積回路チップ１１の入力端子とを接続する複数のワイヤボンディング２６と、を含む。１／４波長線路２２の左側線路の中央部が入力部ＩＮで、集積回路搭載装置のパッケージの端子にワイヤボンディングなどで接続される。ボンディング用ワイヤは、直径２５μｍの金ワイヤである。なお、ワイヤボンディングの代わりにリボンボンディングで接続することも可能である。
【００２１】
出力整合回路３０は、基板３１上に形成されたテーパー形状の電極３２と、基板３３上に形成された直線形状の１／４波長線路３４と、基板５１上に形成された折り曲げ形状の１／４波長線路５２と、集積回路チップ１１の出力端子と電極３２とを接続する複数のワイヤボンディング３７と、電極３２と１／４波長線路３４とを接続する複数のワイヤボンディング３８と、１／４波長線路３４と１／４波長線路５２とを接続する２組のワイヤボンディング５３Ａおよび５３Ｂと、を含む。１／４波長線路５２の右側線路の中央部が出力部ＯＵＴで、集積回路搭載装置のパッケージの端子にワイヤボンディングなどで接続される。
【００２２】
図３の（Ａ）に示すように、２組のワイヤボンディング４３Ａおよび４３Ｂは、それぞれ４本のワイヤを含み、ワイヤボンディング２６は、８本のワイヤを含む。また、ワイヤボンディング３７は８本のワイヤを、ワイヤボンディング３８は５本のワイヤを、２組のワイヤボンディング５３Ａおよび５３Ｂは、それぞれ４本のワイヤを含む。
【００２３】
図３の（Ａ）に示すように、第１実施形態の集積回路搭載装置の折り曲げ形状の１／４波長線路５２は、２つのベント分岐線路を含む。一方のベント分岐線路は、直線形状の１／４波長線路３４に接続され、図３の（Ａ）では上側に折れ曲がり（ベンドし）、他方のベント分岐線路は、直線形状の１／４波長線路３４に接続され、図３では下側に折れ曲がって（ベンドして）いる。２つの折り曲げ（ベント）分岐線路の他方は互いに接続され、一体になっている。折り曲げ形状の１／４波長線路４２も、同様に２つのベント分岐線路を含む。
【００２４】
１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の１／４波長線路３４に対向する部分では、２つのベント分岐線路の外側のエッジが、１／４波長線路３４の外側エッジと略対向している。また、１／４波長線路４２の２つのベント分岐線路の１／４波長線路２４に対向する部分では、２つのベント分岐線路の外側のエッジが、１／４波長線路２４の外側エッジと略対向している。
【００２５】
図３の（Ｂ）に示すように、基板３３および５１は、パッケージのメタルベース６１に、ＡｕＳｎはんだ６２を用いて３００℃の窒素雰囲気中で実装される。メタルベース６１の材料は、ＣｕＷ、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ、Ｃｕなどで、表面にはＮｉ／Ａｕメッキ処理が施されている。基板３３は、比誘電率が１４０の材料で作られ、厚さが０．２５ｍｍで、裏面にメッキ６４が施されている。基板３３の表面に形成される１／４波長線路３４は、ＮｉＣｒ（０．２μｍ）／Ａｕ（５μｍ）の金メッキ配線で形成され、配線幅が１．３６ｍｍである。基板５１は、比誘電率が９．８のアルミナセラミックスで作られ、厚さが０．３８ｍｍで、裏面にメッキ６３が施されている。基板５１の表面に形成される１／４波長線路５２は、Ｔｉ（０．２μｍ）／Ｐｄ（０．１μｍ）／Ａｕ（５μｍ）の金メッキ配線で形成され、配線幅が０．４５ｍｍである。基板３１も比誘電率が９．８のアルミナセラミックスで作られる。
【００２６】
以上のようにして、第１実施形態の出力整合回路３０では、例えば２オームから５０オームへのインピーダンス変換器が、所望の特性インピーダンスを有する伝送線路で形成される。
【００２７】
基板２３およびその上に形成される線路２４は、基板３３および１／４波長線路３４と同じように作られる。また、基板４１、３１およびその上に形成される線路４２、３２は、基板５１および１／４波長線路５２と同じように作られる。これらの基板および集積回路チップ１１は、上記と同様の方法で、パッケージのメタルベース６１に実装される。
【００２８】
図４は、第１実施形態において、１／４波長線路３４、および１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の部分のインピーダンス変換回路を模式的に示す図である。１／４波長線路Ｚ１が１／４波長線路３４に、１／４波長線路Ｚ２ＡおよびＺ２Ｂが１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路に対応する。図４のインピーダンス変換回路では、図１の（Ｂ）の２段に１／４波長線路を接続した回路で、１／４波長線路Ｚ２を２つの１／４波長線路Ｚ２ＡおよびＺ２Ｂで形成している。これにより、１／４波長線路Ｚ２ＡおよびＺ２Ｂの特性インピーダンスを、１／４波長線路Ｚ２の特性インピーダンスの２倍にでき、それに応じて１／４波長線路Ｚ２ＡおよびＺ２Ｂの線路幅を、１／４波長線路Ｚ２の線路幅の１／２程度にできる。２つの１／４波長線路Ｚ２ＡおよびＺ２Ｂは、同じ長さであり、図３に示すように、１／４波長線路Ｚ２ＡおよびＺ２Ｂの形状は、互いに線対称である。
【００２９】
線幅を１／２程度にできるので、図２では１／４波長線路３６（基板３５）の横方向（信号の伝播方向）の長さは７ｍｍであったのに対して、図３の（Ａ）の第１実施形態では１／４波長線路５２（基板５１）の横方向の長さを１．７ｍｍにできる。ただし、第１実施形態では、１／４波長線路５２の２つの分岐線路は、異なる方向に折れ曲がっているので、１／４波長線路５２の縦方向の長さは、図２の従来例に比べて長くなる。しかし、第１実施形態の集積回路搭載装置をパッケージに搭載する場合、縦方向の長さには余裕があるので、パッケージに搭載する場合に問題は生じない。
【００３０】
第１実施形態の集積回路搭載装置では、図３の（Ａ）に示すように、入力整合回路２０の折り曲げ形状の１／４波長線路４２も、２つのベント分岐線路を含む。これにより、図２の従来例では、入力整合回路２０の入力部ＩＮから出力整合回路３０の出力部ＯＵＴまでの距離が２１．８ｍｍであったのに対して、図３の（Ａ）の第１実施形態の集積回路搭載装置では、１１．６ｍｍになる。
【００３１】
また、第１実施形態の集積回路搭載装置は、入力整合回路２０および出力整合回路３０がインピーダンスマッチングしているので、低損失の回路である。
【００３２】
図５は、第２実施形態の集積回路搭載装置における、１／４波長線路３４、および１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の部分を示す図であり、図５の（Ａ）が上面図であり、図５の（Ｂ）がＡ−Ａ‘断面図であり、図５の（Ｃ）が左側からの側面図である。
【００３３】
第２実施形態の集積回路搭載装置は、図５の（Ａ）に示すように、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の１／４波長線路３４に対向する部分の近傍に、２つのベント分岐線路を接続する抵抗５４を設けたことが、第１実施形態と異なり、他は同じである。
【００３４】
抵抗５４は、基板５１の１／４波長線路３４に対向する部分の近傍に形成されたＴａＮ膜である。図５の（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、抵抗５４を基板５１上に形成した後、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路を一部が抵抗５４をカバーするように形成する。
【００３５】
図６は、第２実施形態において、１／４波長線路３４、および１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の部分のインピーダンス変換回路を模式的に示す図である。２つのベント分岐線路を接続するように抵抗５４が設けられる。
【００３６】
抵抗５４は、２つのベント分岐線路の動作（信号）がアンバランスになったときに働き、このアンバランスを解消するように作用する。
【００３７】
図７は、第２実施形態において、１／４波長線路３４および１／４波長線路５２を流れる高周波電流の面内分布を電磁界シミュレーションした結果を示す。シミュレーションは、実際に使用する基板データを用いて行った。すなわち、基板３３は基板厚０．２５ｍｍおよび比誘電率１４０、線路幅１．３６ｍｍ、Ａｕ配線厚５μｍとし、基板５１は基板厚０．３８ｍｍおよび比誘電率９．８、線路幅０．４５ｍｍ、Ａｕ配線厚５μｍとした。
【００３８】
図７に示すように、基板３３の伝送線路３４を流れる高周波電流は基板側面に集中していることがわかる（濃い部分が高電流領域を意味する）。基板５１に関しても、伝送線路５２の側面を電流が多く流れていることがわかる。特に、線路３４と線路５２との接続部付近では配線外側の側面に電流が集中することがわかる。したがって、基板３３の伝送線路３４の電流を効率よく基板５１の伝送線路５２に伝送するには、伝送線路３４の線路側面と伝送線路５２の外側側面を同じ位置になるようにし、その部分で両者をワイヤ接続することが有効であることがわかる。そこで、上記のように、第１実施形態では、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の外側のエッジが、１／４波長線路３４の外側エッジと略対向するように配置した。また、１／４波長線路４２の２つのベント分岐線路の１／４波長線路２４に対向する部分では、２つのベント分岐線路の外側のエッジが、１／４波長線路２４の外側エッジと略対向するように配置した。
【００３９】
さらに、第１実施形態では、２組のワイヤボンディング５３Ａおよび５３Ｂが、１／４波長線路３４と、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路をそれぞれ接続する。２組のワイヤボンディング５３Ａおよび５３Ｂは、それぞれ４本のワイヤを含むが、それぞれの組の１本のワイヤは、一方の端が１／４波長線路３４の外側エッジ近傍に、他方の端が２つのベント分岐線路のエッジ近傍に、位置するように配置する。このようなワイヤボンディングの配置は、他のワイヤボンディングについても同様であり、さらに第２実施形態でも同様である。
【００４０】
図７に示したように、高周波信号の伝送では、配線を流れる電流は表皮効果により配線の表面を流れるようになる。特に平面線路のマイクロストリップ線路の場合、配線の側面部分に電流が集中的に流れる。したがって、異なる基板上の配線同士の接続部において電気的な不連続が発生し、伝送損失が増加する。また、高周波においては、配線幅が見かけ上狭くなっていることになり、損失増大の原因となる。そのため、図２に示した従来例のように、線路のエッジから離れた位置にワイヤボンディングを配置したり、１／４波長線路２２と２４の線幅が大きく異なると、高出力化の阻害要因となる。
【００４１】
これに対して、第１および第２実施形態では、１本の伝送線路側面と２本の伝送線路の外側側面は近い位置に配置され、ワイヤボンディングはエッジ近傍に配置されている。これにより、一方の基板上の線路を流れる高周波電流を、効率よく他方の基板上の線路に伝送することが可能となる。
【００４２】
図８は、図２の従来例と第２実施形態の出力整合回路３０における伝送損失を電磁界解析によるシミュレーションで演算した計算結果を示し、Ａが従来例の結果を、Ｂが第２実施形態の結果を示す。この結果を比較することにより、２−３．５ＧＨｚの周波数範囲において、損失が０．１−０．３ｄＢ低下することがわかる。これは、出力向上と効率向上に貢献するものであり、上記の効果が定量的に確認できた。
【００４３】
図９は、第３実施形態の集積回路搭載装置における、１／４波長線路３４、および１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の部分を示す図であり、図９の（Ａ）が上面図であり、図９の（Ｂ）が２つのベント分岐線路の先端部分の形状を示す図である。図９の（Ｃ）は、第３実施形態において、１／４波長線路３４、および１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の部分のインピーダンス変換回路を模式的に示す図である。
【００４４】
第３実施形態の集積回路搭載装置は、テーパー状の電極部分５５Ａおよび５５Ｂが、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の、１／４波長線路３４に対向する部分の先端に、それぞれ設けられたことが、第２実施形態と異なり、他は同じである。言い換えれば、第３実施形態では、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の先端が、テーパー状になっている。２つのベント分岐線路の先端にテーパー状の電極を設けるため、基板５１の幅は１．７ｍｍから１．９ｍｍに増加する。なお、テーパー状の先端の中心が、１／４波長線路３４の側面に一致するように配置している。これにより、より高い高周波電流を効率よく伝送することができる。
【００４５】
図９の（Ｂ）に示すように、２つのベント分岐線路の先端のテーパー形状は、先端幅を０．６ｍｍ、長さを０．２ｍｍとした。そして、１／４波長線路３４とベント分岐線路の２つの先端を４本の金ワイヤ５３Ａおよび５３Ｂでそれぞれ接続する。ワイヤの配置は、図９の（Ａ）に示すように、配線方向（横方向）と平行させることもできれば、図１０に示すように、テーパー線路幅に合うように放射状にワイヤ接続することもできる。
【００４６】
図１１は、図９の（Ａ）のワイヤボンディングの配置の第３実施形態の出力整合回路３０における伝送損失をシミュレーションにより演算した計算結果Ｃを示し、参考のために第２実施形態の結果をＢとして示す。この結果から、テーパー線路を設けることで、２．５−３．５ＧＨｚの周波数範囲において、０．０３ｄＢ程度の損失低減が確認できた。
【００４７】
図１２は、第４実施形態の集積回路搭載装置における、１／４波長線路３４、および１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の部分を示す図であり、図１２の（Ａ）が上面図であり、図１２の（Ｂ）が中心線での断面図である。図１２の（Ｃ）は、第４実施形態において、１／４波長線路３４、および１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の部分のインピーダンス変換回路を模式的に示す図である。
【００４８】
第４実施形態の集積回路搭載装置は、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の先端に電極５６が設けられたことが、第２実施形態と異なり、他は同じである。電極５６は、１／４波長線路３４と同じ線幅１．３６ｍｍで、長さが０．２ｍｍである。電極５６は、図１２の（Ｂ）に示すように、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路と同じ工程で同時に形成することができる。言い換えれば、第４実施形態では、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の先端が接続されて一体になっており、電極５６から２つのベント分岐線路が分岐する。２組のワイヤボンディング５３Ａおよび５３Ｂは、基板３３上の１／４波長線路３４と、電極５６をそれぞれ接続する。
【００４９】
第４実施形態では、１／４波長線路３４と電極５６を滑らかに接続することができ、１／４波長線路３４を流れる高周波電流を効率よく電極５６に伝送できる。さらに、同じ基板上で１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路に分岐することでより効率よく高周波電流の伝送が可能となる。その結果、低損失な整合回路が構成でき、より高出力な半導体回路が実現できる。
【００５０】
図１３は、第４実施形態の出力整合回路３０における伝送損失をシミュレーションにより演算した計算結果Ｄを示し、参考のために第２実施形態の結果をＢとして示す。この結果から、電極５６を設けることで、２．５−３．５ＧＨｚの周波数範囲において、０．０２−０．０３ｄＢ程度の損失低減が確認できた。
【００５１】
図１４は、第５実施形態の集積回路搭載装置における、１／４波長線路３４、および１／４波長線路５２の部分を示す図であり、図１４の（Ａ）が上面図であり、図１４の（Ｂ）が中心線での断面図である。図１４の（Ｃ）は、第５実施形態において、１／４波長線路３４、および１／４波長線路５２のインピーダンス変換回路を模式的に示す図である。
【００５２】
第５実施形態の集積回路搭載装置では、２段目の１／４波長線路を、３つの基板上に形成した伝送線路で形成する。図３の第１実施形態の基板５１を、中心線に沿って２つの基板５１Ａおよび５１Ｂに分割し、それにより１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路も２つの弁と分岐線路５２Ａおよび５２Ｂに分割される。直線の１／４波長線路７２は、基板５１より比誘電率の大きな材料の基板７１上に形成する。基板７１の厚さは、基板５１Ａおよび５１Ｂの厚さと等しいことが望ましい。このような条件を満たした上で、２つのベント分岐線路５２Ａおよび５２Ｂと１／４波長線路７２は、共に１／４波長線路になるように、基板材料および形状を決定する。
【００５３】
図１４の（Ａ）に示すように、基板７１の両側に２つの基板５１Ａおよび５１Ｂを配置し、３組のワイヤボンディング５３Ａ、５３Ｂおよび５３Ｃで、１／４波長線路３４と、２つのベント分岐線路５２Ａおよび５２Ｂと１／４波長線路７２と、をそれぞれ接続する。２つのベント分岐線路５２Ａおよび５２Ｂと１／４波長線路７２の他方の端は、ワイヤボンディングなどにより、集積回路搭載装置のパッケージの端子に共通に接続される。
【００５４】
例えば、基板３３は、基板厚０．２５ｍｍで、比誘電率１４０で、１／４波長線路３４は、配線幅１．５ｍｍで、Ａｕ配線厚５μｍとする。基板５１Ａおよび５１Ｂは、基板厚０．３８ｍｍで、比誘電率９．８で、１／４波長線路５２Ａおよび５２Ｂは、配線幅０．１８ｍｍで、Ａｕ配線厚５μｍとする。さらに、基板７１は、基板厚０．５ｍｍで、比誘電率３０で、直線の１／４波長線路７２は、配線幅０．０４ｍｍ、Ａｕ配線厚５μｍ、配線長２．１ｍｍとした。これにより、複雑な基板配線製造プロセスを用いることなく低損失な整合回路が形成できる。
【００５５】
図１４の（Ｃ）に示すように、第５実施形態では、インピーダンス変換回路の２段目が、３本の並列な伝送線路で形成されるので、より多くの電流を低損失で流すことができる。
【００５６】
１段分の１／４波長線路を、３本以上の線路で並列伝送線路として形成する場合、外側の伝送線路とそれに挟まれる線路は異なる誘電率を有する誘電体基板上に形成され、内側の伝送線路を形成した基板の誘電率が外側の線路が形成された基板の誘電率に比べ大きくする。これにより、配線交差や多層配線などの複雑な製造プロセスを用いることなく特性インピーダンスと電気長の等しい並列伝送線路が実現できる。これにより、低損失な整合回路を構成でき、その結果、より高性能な高出力回路を実現できる。
【００５７】
以上、第１から第５実施形態を説明したが、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の構成について、各種の変形例が可能であることは、当業者には容易に理解できる。以下、いくつかの変形例を示すが、更に多くの変形例があり得る。
【００５８】
図１５の（Ａ）は、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路をメアンダ形状としたものである。第１から第５実施形態では、ベント分岐線路はそれぞれ１回のみ折り曲げられたが、図１５の（Ａ）のように３回以上折り曲げてメアンダ形状とすることも可能である。
【００５９】
図１５の（Ｂ）は、１／４波長線路５２の２つのベント分岐線路の、１／４波長線路３４に接続される第１端部と反対側の第２端部を、第１端部と同様に折り曲げた形状を有する。第１から第５実施形態では、第２端部は、２つの端部が直線で交わり一体となる形状であったが、図１５の（Ｂ）のように、第１端部と同様の形状にしてもよい。この場合、２つのベント分岐線路の第２端部は、ワイヤボンディングなどにより、集積回路搭載装置のパッケージの端子に共通に接続される。
【００６０】
図１５の（Ｃ）は、図１５の（Ｂ）の変形例で、第４実施形態と同様に、第１端部および第２端部の両方に電極５６および５７を設け、さらに抵抗５４および５７を設けたものである。抵抗５７は、２つのベント分岐線路で発生したアンバランスを解消するように作用する。
【００６１】
図１５の（Ｄ）は、３段の１／４波長線路を使用してインピーダンス変換を行うインピーダンス変換器を示す。第１から第５実施形態では、２段の１／４波長線路でインピーダンス変換器を形成したが、３段以上の１／４波長線路で形成することも可能である。図１５の（Ｄ）の変形例では、２段目と３段目の１／４波長線路を折り曲げ形状の伝送線路５２Ａおよび５２Ｂとしている。２段目の１／４波長線路５２Ａが形成される基板５１Ａの比誘電率は、１段目の１／４波長線路３３が形成される基板３２の比誘電率より小さく、３段目の１／４波長線路５２Ｂが形成される基板５１Ｂの比誘電率より大きい。したがって、１／４波長線路５２Ａの経路長は、１／４波長線路５２Ｂの経路長より長い。
【００６２】
以上、第２から第５実施形態および図１５の変形例では、出力整合回路３０の例を説明したが、同様の構成が入力整合回路２０にも適用可能である。
【００６３】
図１６は、第２実施形態の集積回路搭載装置を、メタルウォールを有する気密封止メタルパッケージに搭載した高出力増幅回路装置を示す図である。
【００６４】
内部に搭載される集積回路搭載装置は、第２実施形態のものであるが、入力整合回路２０の１／４波長線路４２の２つのベント分岐線路を、１／４波長線路２４の側で、抵抗４４を介して接続するために、延長パターン４３Ａおよび４３Ｂが設けられている。
【００６５】
パッケージは、メタルウォール８２およびふた８３で気密封止される。外部との電気的接続のために、接続電極８４および８７が設けられる。接続電極８４および８７は、フィードスルー８６および８９により、メタルウォール８２およびふた８３から電気的に絶縁される。接続電極８４のパッケージ外の部分には入力用リード８５が設けられ、接続電極８７のパッケージ外の部分には出力用リード８８が設けられる。接続電極８４のパッケージ内の部分と、入力整合回路２０の入力部ＩＮがワイヤボンディングなどで接続される。接続電極８８のパッケージ内の部分と、出力整合回路３０の出力部ＯＵＴがワイヤボンディングなどで接続される。
【００６６】
集積回路チップ１１は、０．８μｍのゲート長のＧａＮ  ＨＥＭＴを複数個搭載している。前述のように、出力整合回路３０は、集積回路チップ１１の直ぐ近くから０．３８ｍｍ厚の比誘電率９．８のアルミナセラミックス基板３１上の線路３２と、比誘電率１４０の高誘電率基板３３上の１本の１／４波長線路３４と、０．３８ｍｍ厚の比誘電率９．８のアルミアセラミクス基板５１上の２本の並列１／４波長線路５２を用いている。これにより、図の横方向長さを短縮することができ、パッケージ内に高出力回路を収めることができる。なお、集積回路チップ１１と基板３１上の線路３２をつなぐ金ワイヤと、基板３１上の線路３２は、インダクタとして働き、トランジスタの出力インピーダンスの容量成分を打ち消し、基板３１上の線路３２の端面で純抵抗のインピーダンスにする役割をしている。これにより、１／４波長線路を用いて５０オームへの整合が可能となる。パッケージサイズは、１７．４×２４ｍｍであり、図３に示したように回路幅を１１．６ｍｍにすることができた。図２に示すように、従来例のインピーダンス変換器では、回路幅は２１．８ｍｍであり、回路幅が１／２削減できる。パッケージサイズは業界で決まったサイズがあり、このザイズに収まらない場合は、パッケージ外部のプリント基板等にインピーダンス変換器を作製して整合をとることになるが、回路が大きくなる。これにたいして、記載した実施形態では、パッケージ内で５０オーム整合が行えるようになり、機器の小型化が可能となる。さらには、高周波電流の伝送損失が低減し、より高性能な高出力回路が実現できる。
【００６７】
図１７は、図１６の高出力増幅回路装置を使用した通信機モジュール１００の構成を示す図である。
【００６８】
図１７に示すように、通信機モジュール１００は、アンテナに接続される入出力端子９０と、入出力端子９０と接続された送受切替器９１と、低雑音増幅器９２と、制御回路９３と、前段増幅器９４と、高出力増幅器９５と、フィルタ９６と、を含む。
【００６９】
図１７の右手前の列が送信系を構成し、左奥側が受信系を構成する。入出力端子９０からの入力信号は、送受切替器９１で選択的に低雑音増幅器９２に送られ、受信処理が行われる。一方、送信信号は、前段増幅器９４で増幅された送信信号は、高出力増幅器９５でさらに増幅され、フィルタ９６を経て送受切替器９１で選択的に入出力端子９０に送られ、アンテナから送信される。高出力増幅器９５として、図１６の高出力増幅回路装置が使用される。なお、図１６の高出力増幅回路装置は、送受信用通信機モジュールでなく、送信用通信機モジュールに使用できるのは言うまでもない。
【００７０】
図１７の通信機モジュール１００は、通信システム、レーダー装置、センサー、電波妨害器等のシステム機器の一部として使用される。図１６の高性能で小型の高出力増幅回路装置を各種システム機器に搭載することで、機器の高性能化と小型化に寄与することができる。
【００７１】
以上、各種実施形態を説明したが、各種の変形例および応用例が可能であることは、当業者には容易に理解可能であろう。
【００７２】
例えば、上記の実施形態では、インピーダンス変換器を１／４波長線路としたが、直列インダクタと並列キャパシタで構成したインピーダンス変換器にも適用可能で、同様な効果が得られる。インダクタはスパイラルインダクタでも、メアンダ線路でも構成できる。キャパシタはチップコンデンサをパッケージベース上にＡｕＳｎはんだで実装し、その上部電極と伝送線路をワイヤ接続することで構成することができる。あるいは、伝送線路の脇にパターンを形成しておき、そのパターンと伝送線路間をワイヤ接続することで、キャパシタとしての機能を持たせることができる。以上の変更により、集中定数素子として回路を構成できるので、回路の小型化を行うことができる。
【００７３】
また、１／４波長線路とその脇にあるダミーパターン間をワイヤ接続して接地容量を付加して特性インピーダンスを下げた伝送線路としてもよい。これにより、特性インピーダンスを調節することができ、トランジスタや実装のばらつきを吸収することができ、回路の歩留まり向上にも寄与する。
【００７４】
さらに、上記の実施形態では、マイクロストリップ線路を用いたが、コプレーナ線路、ストリップ線路等の伝送線路を用いることができる。また、上記の実施形態ではＧａＮトランジスタを用いたがＳｉ、ＧａＡｓやＩｎＰを用いたトランジスタを含む集積回路を使用してもよい。また、上記の実施形態では、トランジスタを含む集積回路と整合回路基板で回路を形成したが、チップ内に抵抗や容量および整合回路を一部集積化したＭＭＩＣとしたチップを使用し、その外部に整合回路基板を構成したハイブリッドＩＣとしてもよい。また、チップ内に抵抗や容量および整合回路も集積したＭＭＩＣとしてもよい。上記の実施形態では、チップや整合回路基板をＡｕＳｎはんだを用いて実装したが、導電性接着剤で実装してもよい。この場合、２００℃以下で実装できるので、パッケージとチップならびに整合回路基板、コンデンサの熱膨張係数差による割れが抑制でき、歩留まりが向上できる。また、耐熱性が比較的よくないＩｎＰ等のデバイスも特性を劣化させることなく実装することができる。さらには、パッケージ材料の熱膨張係数差の大きい放熱性の優れた材料（銅）等の適用も可能となり、より高出力な回路が実現できる。さらに、上記実施形態では、ＴａＮ薄膜抵抗を用いたが、ＮｉＣｒを用いてもよい。
【００７５】
以上説明したように、実施形態によれば、高出力半導体回路を構成する整合回路の損失低減、および回路面積を削減することができ、より高性能な高出力半導体回路を実現できる。  
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００７６】
１１    集積回路チップ
２３、３１、３３、４１、５１    基板
２４、３４    １／４波長線路
４２、５２    １／４波長線路（ベント分岐線路）
４３Ａ、４３Ｂ、５３Ａ、５３Ｂ    ワイヤボンディング
５４    抵抗
【図１】
0005589428.tif 000002
【図２】
0005589428.tif 000003
【図３】
0005589428.tif 000004
【図４】
0005589428.tif 000005
【図５】
0005589428.tif 000006
【図６】
0005589428.tif 000007
【図８】
0005589428.tif 000008
【図９】
0005589428.tif 000009
【図１０】
0005589428.tif 000010
【図１１】
0005589428.tif 000011
【図１２】
0005589428.tif 000012
【図１３】
0005589428.tif 000013
【図１４】
0005589428.tif 000014
【図１５】
0005589428.tif 000015
【図１６】
0005589428.tif 000016
【図１７】
0005589428.tif 000017
【図７】
0005589428.tif 000018