KR200266693Y1 - 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈 - Google Patents

Abstract

본 고안은 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈에 관한 것으로, 특히 고주파 신호를 입력받는 입력 매칭부와, 입력 매칭부의 고주파 신호를 증폭하며 베어 웨이퍼로 이루어진 트랜지스터 칩과, 트랜지스터 칩에서 증폭된 고주파 신호의 바이어스를 제어하는 셀프 바이어스부와, 트랜지스터 칩에서 증폭된 고주파 신호를 출력하는 출력 매칭부와, 트랜지스터 칩에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하며 트랜지스터 칩은 입력 매칭부, 셀프 바이어스부, 출력 매칭부의 패드와 와이어로 연결되고, 전체 부품이 세라믹 기판 위에 표면 실장되어 모듈화된다. 그러므로, 본 고안은 증폭용 트랜지스터를 베어칩으로 사용하고 베어칩 트랜지스터와 와이어 연결되는 주변 회로 부품을 세라믹 기판에 직접 실장함으로써 고주파 손실을 줄일 수 있고, 표면 실장이 가능한 모듈화 형태로 사용이 편리하게 되고, 베어 트랜지스터 칩에서 세라믹 기판으로의 열 방출이 용이하여 열적 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

하이브리드 저잡음 증폭기 모듈{HYBRID LOW NOISE AMPLIFIER MODULE}

본 고안은 증폭 장치에 관한 것으로서, 특히 고주파 무선 신호를 저잡음으로 증폭하는 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 저잡음 증폭기는 유무선 통신망을 구성하는 케이블망(cable network) 셀룰러, GSM, 개인 휴대통신, IMT-2000, 무선 랜 등의 인프라 기반을 구성하는 기지국, 중계기, 또는 서브 시스템의 고주파 신호의 잡음 지수를 낮추기 위한 것이다. 저잡음 증폭기는 피라미터 증폭기, 저잡음 트랜지스터 증폭기, 메이저 등이 있고, 최근 반도체 기술의 발달에 따라 상온 파라메트릭 증폭기, GaAs, 전계 효과 트랜지스터(FET) 등이 사용되고 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 저잡음 증폭기 모듈을 나타낸 회로 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래 증폭기는 인덕터들(L10, L12, L13), 커패시터들(C10, C12, C13), 마이크로 스트립라인(10), 증폭용 트랜지스터(20)로 구성되어 입력된 고주파 신호(RF_in)를 증폭용 트랜지스터(20)에서 증폭해서 출력(RF_out)한다. 여기서, 인덕터들(L10, L12, L13)과 커패시터들(C10, C12, C13)은 입출력 고주파 신호의 임피던스를 매칭하기 위한 것이다.

상기와 같이 구성된 종래의 저잡음 증폭기 모듈은 알루미늄 케이스에 증폭용 트랜지스터(20)를 넣어 코넥터를 통해 케이블로 다른 부품들과 연결하든지, 개별 패키지로 이루어진 증폭용 트랜지스터(20)를 사용하여 인쇄회로기판에 주변 회로의 부품과 함께 직접 실장하였다. 그런데, 이러한 저잡음 증폭기 모듈은 인쇄회로기판에 실장된 여러 부품들의 특성 테스트를 해야하므로 생산성이 떨어지고, 별도의 칸막이를 통해 부품 사이를 격리해야하므로 전체 크기가 매우 커지게 되는 문제점이 있었다.

게다가, 종래 저잡음 증폭기 모듈은 증폭용 트랜지스터 패키지를 사용할 경우 반도체 칩이 플라스틱 케이스안에 몰딩되어 있기 때문에 고주파 손실이 크고 동작할 때 열의 방출이 차단되어 온도 변화에 따른 신뢰성이 낮아지고 노이즈의 상승을 초래하여 원하는 고주파 증폭 특성을 어렵게 하는 문제점이 있었다.

본 고안의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 증폭용 트랜지스터를 베어칩으로 사용하고 베어칩 트랜지스터와 와이어 연결되는 주변 회로 부품을 세라믹 기판에 직접 실장함으로써 고주파 손실을 줄일 수 있는 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 고주파신호를 증폭하는 장치에 있어서, 고주파 신호를 입력받는 입력 매칭부와, 입력 매칭부의 고주파 신호를 증폭하며 베어 웨이퍼로 이루어진 트랜지스터 칩과, 트랜지스터 칩에서 증폭된 고주파 신호의 바이어스를 제어하는 셀프 바이어스부와, 트랜지스터 칩에서 증폭된 고주파 신호를 출력하는 출력 매칭부와, 트랜지스터 칩에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하며 트랜지스터 칩은 입력 매칭부, 셀프 바이어스부, 출력 매칭부의 패드와 와이어로 연결되고, 전체 부품이 세라믹 기판 위에 표면 실장되어 모듈화된 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 저잡음 증폭기 모듈을 나타낸 회로 구성도,

도 2는 본 고안에 따른 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈을 나타낸 회로 구성도,

도 3은 본 고안에 따른 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈의 수직 단면도,

도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈의 회로를 나타낸 도면,

도 5는 본 고안의 다른 실시예에 따른 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈의 회로를 나타낸 도면.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

100 : 입출력 패드, 전원 및 접지 패드

110 : 입력 매칭부 120 : 트랜지스터 칩

130 : 상측 셀프 바이어스부 140 : 하측 셀프 바이어스부

150 : 전원 공급부 160 : 출력 매칭부

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자한다.

도 2는 본 고안에 따른 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈을 나타낸 회로 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 고안의 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈은 입력 매칭부(110)와, 트랜지스터 칩(120)과, 상측 및 하측 셀프 바이어스부(130, 140)와, 전원 공급부(150)와, 출력 매칭부(160)와, 다수개의 패드(100)가 세라믹 인쇄회로기판(미도시함) 위에 패키지로 구성된다.

여기서, 다수개의 패드(100)는 입력 패드(P₂), 출력 패드(P₅), 전원 패드(P₆) 및 접지 패드(P₁, P₃, P₄)로 이루어진다.

상기 트랜지스터 칩(120)은 베어 칩(208)의 패드(212)를 통해 와이어(210)가 입력 매칭부(110), 상측 및 하측 셀프 바이어스부(130, 140), 출력 매칭부(160)로 연결된다. 이때, 트랜지스터 칩(120)은 40㎓ 이상에서도 저잡음으로 동작되는 소자이다.

도 3은 본 고안에 따른 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈의 수직 단면도로서, 도 3을 참조하면 본 고안의 모듈 구조는 다음과 같다.

세라믹 기판(200) 상부에 다층의 인쇄회로기판인 금속판(204)이 접착되고, 금속판(204) 임의 영역에 실버 에폭시(206)를 통해 트랜지스터 칩(208)과 접착된다. 트랜지스터 칩(208)과 격리된 금속판(204)의 패드는 와이어(210)를 통해 본딩된다. 그리고, 세라믹 기판(200) 전체를 에어 캐버티 리드(214)가 덮어 패키지를 이룬다. 이때, 트랜지스터 칩(208) 주변의 금속판(204) 상부에는 입력매칭부(110), 상측 및 하측 셀프 바이어스부(130, 140), 출력 매칭부(160), 및 전원 공급부(150) 등의 회로 부품이 표면 실장에 의해 연결된다. 도면에서 미설명된 도면 부호 206은 접지 라인이다.

여기서, 다층 금속판(204)은 입력 매칭부(110) 등의 주변 회로 부품을 연결하기 위한 다층 배선의 패턴으로 이루어진다. 이때, 와이어 본딩 부분에는 10㎛ 이상의 두꺼운 도금을 하여 골드 와이어 본딩이 원활하게 수행되도록 하고, 부품과 부품/ 부품과 배선 패턴 사이에는 절연체로서 유리 패턴으로 팬스를 만들어 부품 실장시 또는 표면 실장시 땜납이 다른 곳으로 확산되는 것을 막는다. 게다가, 본 고안은 트랜지스터 칩(120)의 밑면에서 세라믹 기판(200)을 통해 열의 방출이 쉽도록 다층 금속판(204)을 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au)의 순서로 도금하도록 한다.

또한, 본 고안은 입/출력에 해당하는 다층 금속판(204)에 입출력, 전원 및 접지 패드 단자를 만들고 윗면의 패턴과 아랫면의 패턴이 수직으로 연결되도록 비아홀을 만들고 비아홀내 도금을 해서 수직 연결되도록 표면 실장으로 제작함으로써 저잡음 증폭기의 모든 부품이 세라믹 기판에 통합 제작되도록 하였다.

그러므로, 본 고안은 입력 매칭부(110) 등의 주변 회로 부품과 트랜지스터 칩을 각각 패키지하지 않고 세라믹 기판에 직접 실장하기 때문에 하이브리드 모듈의 제작이 가능하다. 즉, 본 고안은 다수개의 어레이로 배열된 세라믹 기판에 입출력, 전원 및 접지 단자를 표면 실장으로 제작하고, 각 세라믹 기판에 다층 배선을 제작하고 베어 트랜지스터 칩(120)을 접착하고 입력 매칭부(110) 등의 주변 회로의 부품을 실장한 후에 와이어 본딩과 에어 캐버티 리드를 부착함으로써 다수개의 어레이로 이루어진 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈을 한꺼번에 제작할 수 있다. 그리고, 이렇게 제작된 모듈은 동시에 각 트랜지스터 칩을 포함해 주변 회로 부품을 100% 고주파 테스트할 수 있기 때문에 소자 특성과 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈의 회로를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예의 회로는 다음과 같이 구성된다.

입력 매칭부(110)는 입력된 고주파 신호의 설정 주파수 대역에 따라 회로가 선택된다. 예를 들어, 입력 고주파 신호(RF_in)가 1500㎒ 이상일 경우 커패시터들(C1, C2)과 인덕터(L1) 및 저항(R1)으로 이루어진다. 반면에 입력 고주파 신호(RF_in)가 1500㎒ 이하일 경우 입력 매칭부(110)의 인덕터(L1)에 추가된 인덕터가 병렬로 연결된다.

본 실시예의 입력 매칭부(110)의 커패시터(C1)와 인덕터(L1)의 노드는 P-형 HEMT 트랜지스터 칩(120)의 게이트단과 연결된다. 그리고, 트랜지스터 칩(120)의 소스 단에는 하측 셀프 바이어스부(140)가 연결되며 드레인 단에는 출력 매칭부(160)가 연결된다.

하측 셀프 바이어스부(140)는 저항들(R2, R3)과 커패시터들(C3, C4)이 병렬로 연결되어 있다. 본 실시예에서는 하측 셀프 바이어스부(140)만이 예로 들었으나, 당업자라면 트랜지스터 칩(120)의 드레인 단에 상측 셀프 바이어스부를 연결하여도 동일한 효과를 얻을 수 있음을 안다.

출력 매칭부(160)는 인덕터(L2), 커패시터(C5), 저항들(R4, R5)로 이루어진다.

전원 공급부(150)는 출력 매칭부(160)의 인덕터(L2)에 연결된 저항(R6)과 이에 병렬로 연결된 커패시터들(C6, C7)로 구성된다. 전원(Vcc)을 통해 들어오는 고조파는 커패시터(C6, C7)에 연결된 접지를 통해 차단된다.

상기와 같이 구성된 본 실시예의 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈은 입력 패드로부터 고주파 입력 신호(RF_in), 예컨대 10㎒∼6000㎒ 고주파수가 무선통신 대역에 맞게 입력되면 다음과 같이 작동한다.

입력 매칭부(110)는 커패시터(C1) 및 인덕터(L2)로 이루어진 하이패스 필터에 의해 고주파 신호를 통과시킨다. 이때, 커패시터(C1)는 DC 전원을 블록킹하는 역할도 한다. 여기서, 병렬로 연결된 커패시터(C3) 및 인덕터(L2)는 입력 매칭을 선택적으로 좋게 하기 위해 삽입한 소자이다.

입력 매칭부(110)를 통과한 고주파 신호는 트랜지스터 칩(120)의 게이트에 인가된다. 이때, 전원 공급부(150)에서는 전압 강하된 전압을 트랜지스터 칩(120)의 드레인에 인가하고, 하측 셀프 바이어스부(140)에서는 게이트에서 소스로 부(-) 전압이 형성되도록 트랜지스터 전류량을 조절한다. 예를 들어, 전류를 증가시키기 위해서는 하측 셀프 바이어스부(140)의 저항들(R2, R3)을 낮춤으로써 전류를 약 50㎃∼500㎃까지 높게 흘릴 수 있다. 이로 인해 트랜지스터 칩(120)을 통해 게이트단에 인가된 고주파 신호가 소정 이득으로 증폭된다.

출력 매칭부(160)는 트랜지스터 칩(120)의 드레인에 증폭된 고주파 신호를 인덕터(L2) 및 커패시터(C5)로 이루어진 하이패스 필터를 통해 통과시켜출력(RF_out)한다. 이때, 커패시터(C5)는 출력 단에 DC 전원이 출력되는 것을 블록킹하는 역할도 한다. 그리고 출력 매칭부(160)에서는 출력 끝단에 저항들(R4, R5)을 병렬로 구성한 T행 감쇄기를 구성하여 출력 리턴 손실을 줄인다.

도 5는 본 고안의 다른 실시예에 따른 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈의 회로를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 고안의 다른 실시예는 트랜지스터 칩(120)의 드레인과 입력 매칭부(110) 사이에 출력 보상부(170)를 추가한 것이다. 즉, 다른 실시예에서는 출력 보상부(170)인 저항(R)에 의해 트랜지스터 칩(120)에서 증폭된 고주파 신호가 다시 게이트 단으로 피이드백되도록 함으로써 일정 시간이 경과되면 트랜지스터의 증폭 이득이 떨어지는 것을 막는다. 결국, 본 고안은 출력 보상부에 의해 일정 시간이 경과되어도 증폭 특성이 일정하게 유지된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 고안은 증폭용 트랜지스터를 베어칩으로 사용하고 베어칩 트랜지스터와 와이어 연결되는 주변 회로 부품을 세라믹 기판에 직접 실장함으로써 고주파 손실을 줄일 수 있고, 베어 트랜지스터 칩이 기존 플라스틱 패키지의 트랜지스터에 비해 10배 이상 열전도가 좋고 베어 트랜지스터 칩에서 세라믹 기판으로의 열 방출이 용이하기 때문에 액티브 모듈의 가장 취약한 열적 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 고안은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 고안의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (5)

1. 고주파신호를 증폭하는 장치에 있어서,

   상기 고주파 신호를 입력받는 입력 매칭부;

   상기 입력 매칭부의 고주파 신호를 증폭하며 베어 웨이퍼(bare wafer)로 이루어진 트랜지스터 칩;

   상기 트랜지스터 칩에서 증폭된 고주파 신호의 바이어스를 제어하는 셀프 바이어스부;

   상기 트랜지스터 칩에서 증폭된 고주파 신호를 출력하는 출력 매칭부; 및

   상기 트랜지스터 칩에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하며

   상기 트랜지스터 칩은 상기 입력 매칭부, 상기 셀프 바이어스부, 상기 출력 매칭부의 패드와 와이어로 연결되고, 상기 전체 부품이 세라믹 기판 위에 표면 실장되어 모듈화된 것을 특징으로 하는 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈.
2. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 기판 상부에 다층의 금속판이 접착되고, 상기 금속판에 실버 에폭시를 통해 트랜지스터 칩과 접착되고 상기 트랜지스터 칩과 상기 금속판의 패드를 와이어 본딩한 후에 상기 구조물을 에어 캐버티 리드로 덮은 것을 특징으로 하는 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈.
3. 제 2항에 있어서, 상기 트랜지스터 칩 주변의 금속판 상부에 상기 입력 매칭부, 상기 셀프 바이어스부, 상기 출력 매칭부, 및 상기 전원 공급부의 회로가 표면 실장으로 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈.
4. 제 2항에 있어서, 상기 입/출력에 해당하는 다층 금속판에 입출력, 전원 및 접지 패드 단자를 만들고 윗면의 패턴과 아랫면의 패턴이 수직으로 연결되도록 비아홀을 만들고 비아홀내 측면 도금을 해서 수직 연결되도록 표면 실장으로 제작한 것을 특징으로 하는 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈.
5. 제 1항에 있어서, 상기 트랜지스터 칩에 연결되어 상기 입력 매칭부에 증폭된 고주파 신호를 피드백하는 출력 보상부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 저잡음 증폭기 모듈.