熱分流式微波功率放大器的製造方法
2023-08-14 01:56:06 1
熱分流式微波功率放大器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種熱分流式微波功率放大器，包括若干並聯設置的功率單元，每個功率單元包括若干電晶體，電晶體包括基極、集電極、及發射極，每個功率單元內電晶體的集電極和發射極均通過第一層金屬和第二層金屬互聯，相鄰的功率單元中電晶體的集電極通過第一金屬互聯電性連接，相鄰的功率單元中電晶體的發射極通過第二金屬互聯電性連接，第一金屬互聯從下向上包括第一層金屬、絕緣介質層、及第二層金屬，第二金屬互聯為第一層金屬，第一層金屬分別與降熱裝置相連通。本發明將熱源最短路徑進行散熱，引入集電極金屬提供到地散熱路徑，通過增加此條散熱路徑，降低改善功率單元的溫度，從而得到高效率、高線性度的放大器。
【專利說明】熱分流式微波功率放大器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微波功率放大器【技術領域】，特別是涉及一種熱分流式微波功率放大 器。
【背景技術】
[0002] 現代通訊要求微波功率放大器能夠提供大功率輸出，並同時具有良好的線性與效 率。然而對於功率管，由於其襯底散熱係數低，大功率的輸出使得電晶體的熱效應增強，形 成高溫有源器件，此時電晶體的性能發生退化，線性度與效率惡化，甚至在更高溫條件下， 其可靠性都會受到影響，因此，為得到高性能的功率放大器，應解決熱效應的瓶頸效應。
[0003] 現有技術中通常的做法即改善散熱環境以及降低熱源，如放大器版圖著手，優化 散熱環境，改變指間距、指長等手段獲取均勻溫度分布的功率單元，再者利用鎮流電阻改變 熱電之間的負反饋作用，穩定電路。在一定的功耗條件下能夠獲得低溫的電晶體具有重要 的意義，但是其散熱效果不佳。
[0004] 因此，針對上述技術問題，有必要提供一種熱分流式微波功率放大器。
【發明內容】
[0005] 有鑑於此，本發明的目的在於提供一種熱分流式微波功率放大器，從而改善放大 器的線性度和效率，得到優異性能的高功率輸出。
[0006] 為了實現上述目的，本發明實施例提供的技術方案如下：
[0007] -種熱分流式微波功率放大器，包括若干並聯設置的功率單元，每個功率單元包 括若干電晶體，電晶體包括基極、集電極、及發射極，每個功率單元內電晶體的集電極均通 過第一層金屬和第二層金屬互聯，每個功率單元內電晶體的發射極均通過第一層金屬和第 二層金屬互聯，相鄰的功率單元中電晶體的集電極通過第一金屬互聯電性連接，相鄰的功 率單元中電晶體的發射極通過第二金屬互聯電性連接，所述第一金屬互聯從下向上包括第 一層金屬、絕緣介質層、及第二層金屬，第二層金屬分別與相鄰的功率單元中電晶體的集電 極相連，所述第二金屬互聯為第一層金屬，第一層金屬分別與相鄰的功率單元中電晶體的 發射極相連，所述第一層金屬分別與降熱裝置相連通。
[0008] 作為本發明的進一步改進，所述第一金屬互聯中的第一層金屬包括若干平行設置 的第一金屬條，第一金屬互聯中的第二層金屬包括若干平行設置的第二金屬條，第一金屬 條和第二金屬條呈網狀交叉分布。
[0009] 作為本發明的進一步改進，所述第一金屬條和第二金屬條呈網狀正交分布，即第 一金屬條和第二金屬條垂直設置。
[0010] 作為本發明的進一步改進，所述第一金屬互聯下方設置有若干第一背孔，所述第 一金屬互聯通過第一背孔與降熱裝置相連通。
[0011] 作為本發明的進一步改進，所述第一背孔呈圓臺狀設置，且第一背孔的橫截面積 從上向下逐漸增大。
[0012] 作為本發明的進一步改進，所述第二金屬互聯下方設置有若干第二背孔，所述第 二金屬互聯通過第二背孔與降熱裝置相連通。
[0013] 作為本發明的進一步改進，所述第二背孔呈圓臺狀設置，且第二背孔的橫截面積 從上向下逐漸增大。
[0014] 作為本發明的進一步改進，所述第一層金屬和第二層金屬的材質相同。
[0015] 作為本發明的進一步改進，所述絕緣介質層的材質為Si3N4。
[0016] 作為本發明的進一步改進，所述微波功率放大器為InGaP/GaAs HBT功率器件、GaN 功率器件、或LDM0S功率器件。
[0017] 本發明具有以下有益效果：
[0018] 本發明將熱源最短路徑進行散熱，引入集電極金屬提供到地散熱路徑，通過增加 此條散熱路徑，降低改善功率單元的溫度，從而得到高效率、高線性度的放大器，版圖結構 簡單、易於實現。
[0019] 同時，採用網狀正交排列的金屬條結構，在優化散熱路徑的目標下最大程度減小 耦合的寄生電容，保證了放大器的高性能輸出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下， 還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0021] 圖1為本發明一【具體實施方式】GaAs HBT功率器件的結構示意圖；
[0022] 圖2為圖1中沿AA'方向的剖面示意圖；
[0023] 圖3為圖1中沿BB'方向的剖面示意圖；
[0024] 圖4為本發明一【具體實施方式】GaAs HBT功率器件中單只電晶體的熱流流動示意 圖。
【具體實施方式】
[0025] 為了使本【技術領域】的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實 施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通 技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護 的範圍。
[0026] 本發明的目的在於提供一種散熱良好的功率單元的設計，從而改善放大器的線性 度和效率，得到優異性能的高功率輸出。此功率單元由普通的並聯多指的電晶體組成，然而 區別於普通電晶體僅從發射極金屬散熱，本發明增加其熱流通過集電極金屬散熱路徑，並 與下層金屬形成網狀結構減小寄生電容，下層金屬與器件背面通過金屬背孔相連，將熱量 儘快散入外界冷卻裝置。由於HBT電晶體的熱源主要產生於基極-集電極的結處，此處的 溫度才是電晶體中溫度最高的位置，因而增加採用集電極熱分流方法能夠更有效的散熱。
[0027] 鑑於上述目的，本發明公開了
[0028] -種熱分流式微波功率放大器，其包括若干並聯設置的功率單元，每個功率單元 包括若干電晶體，電晶體包括基極、集電極、及發射極，每個功率單元內電晶體的集電極均 通過第一層金屬和第二層金屬互聯，每個功率單元內電晶體的發射極均通過第一層金屬和 第二層金屬互聯，相鄰的功率單元中電晶體的集電極通過第一金屬互聯電性連接，相鄰的 功率單元中電晶體的發射極通過第二金屬互聯電性連接，第一金屬互聯從下向上包括第一 層金屬、絕緣介質層、及第二層金屬，第二層金屬分別與相鄰的功率單元中電晶體的集電極 相連，第二金屬互聯為第一層金屬，第一層金屬分別與相鄰的功率單元中電晶體的發射極 相連，第一層金屬分別與降熱裝置相連通。
[0029] 進一步地，第一金屬互聯中的第一層金屬包括若干平行設置的第一金屬條，第一 金屬互聯中的第二層金屬包括若干平行設置的第二金屬條，第一金屬條和第二金屬條呈網 狀正交交叉分布。
[0030] 進一步地，第一金屬互聯下方設置有若干第一背孔，第一金屬互聯通過第一背孔 與降熱裝置相連通；第二金屬互聯下方設置有若干第二背孔，第二金屬互聯通過第二背孔 與降熱裝置相連通。
[0031] 參圖1所示，在本發明的一【具體實施方式】中，該微波功率放大器為GaAsHBT功率器 件，包括並聯設置的第一功率單元10、第二功率單元20及第三功率單元30,其中第一功率 單元10包括T1?T8共8個電晶體，第二功率單元20包括T9?T16共8個電晶體，第三 功率單元30包括T17?T24共8個電晶體，collector為各個電晶體的集電極，emitter為 發射極。每個功率單元內電晶體的集電極collector均通過第一層金屬Ml和第二層金屬 M2互聯，每個功率單元內電晶體的發射極emitter均通過第一層金屬Ml和第二層金屬M2 互聯。
[0032] 本實施方式中第一功率單元10中電晶體（T1?T8)的集電極和第二功率單元20 中電晶體（T9?T16)的集電極通過第一金屬互聯40電性連接，第二功率單元20中電晶體 (T9?T16)的發射極和第三功率單元30中電晶體（T17?T24)的發射極通過第二金屬互 聯50電性連接。
[0033] 結合圖2所示，第一金屬互聯40從下向上包括第一層金屬41 (Ml金屬層）、絕緣 介質層43、及第二層金屬42 (M2金屬層）。第一層金屬41包括若干平行設置的第一金屬 條（Ml金屬條），第二層金屬42包括若干平行設置的第二金屬條（M2金屬條），第一金屬 條和第二金屬條呈網狀交叉分布，優選地在本實施方式中，第一金屬條和第二金屬條呈網 狀正交分布。第一功率單元10中電晶體（T1?T8)的集電極和第二功率單元20中電晶體 (T9?T16)的集電極通過第一金屬條互聯。
[0034] 在第一金屬互聯中第一層金屬41的下方設置有若干第一背孔（backside via) 44,第一金屬互聯通過第一背孔44與降熱裝置（未標號）相連通。優選地，第一背孔 呈圓臺狀設置，且第一背孔的橫截面積從上向下逐漸增大，本實施方式中第一背孔設置為 兩個，分別為Cl、C2,在其他實施方式中，第一背孔的數量和形狀可以設計為其他數量和形 狀。
[0035] 由於集電極不能與地連接，本發明中在第一層金屬和第二層金屬之間設置有絕緣 介質層43,絕緣介質層的材質為Si 3N4等，絕緣介質層位於第一層金屬上方，第一金屬互聯 因而形成金屬-介質-金屬結構的耦合電容，然而按照上述網狀正交排列的第一金屬條和 第二金屬條的結構，兩者的重疊面積最小，在優化散熱路徑的目標下最大程度減小耦合的 寄生電容，從而對放大器的電性能不會形成惡劣影響。
[0036] 結合圖3所不，第二金屬互聯50包括第一層金屬51，第二功率單兀20中電晶體 (T9?T16)的發射極和第三功率單元30中電晶體（T17?T24)的發射極通過第一層金屬 51互聯。
[0037] 在第二金屬互聯中第一層金屬51的下方設置有若干第二背孔（backside via) 52,第二金屬互聯通過第二背孔52與降熱裝置（未標號）相連通。優選地，第二背孔 呈圓臺狀設置，且第二背孔的橫截面積從上向下逐漸增大，本實施方式中第二背孔設置為 兩個，分別為C3、C4,在其他實施方式中，第二背孔的數量和形狀可以設計為其他數量和形 狀。
[0038] 其中，在本實施方式中第一層金屬Ml和第二層金屬M2的材質相同，僅僅厚度上不 同，在其他實施方式中也可以設置為不同材質的金屬層。
[0039] 本發明中當放大器正常工作時，電晶體基極-集電極結產生的電場最大，電流密 度最大，從而熱量最高，按圖1所示，對於集電極相鄰的兩列電晶體，集電極通過第二金屬 條部分互聯，則熱量在兩者之間流動，熱量通過第二金屬條流入絕緣介質層，再向下一層第 一金屬條流動，而第一金屬條與第一背孔連接，可以將熱量直接散到降熱裝置中。
[0040] 類似的，對於發射極相連的兩列電晶體，發射極通過第一層金屬整塊金屬互聯，熱 量同樣可以通過第二背孔直接散到降熱裝置中。
[0041] 圖4給出了具體的熱流流動圖。
[0042] 散熱途徑1為電晶體通過襯底散熱，為常規散熱方式；
[0043] 散熱途徑2為電晶體通過發射極的金屬連接到地進行散熱，由於金屬熱導率很 大，如銀為420W/mK，而GaAs等半導體材料具有相對較小散熱係數（GaAs為46W/mk)，此方 法提供了快速散熱通道；
[0044] 散熱途徑3為本發明提供的創新思路，由於集電極的熱量最大，實際的溫度最高， 因而也是最需降溫的部位，採用正交排列的兩層金屬條，儘管在電氣上沒有互聯，熱量卻可 通過金屬條再次散入背孔中，增加的散熱路徑為電晶體提供更好的散熱環境，從而可以減 小器件溫度。
[0045] 上述實施方式中微波功率放大器以GaAs HBT功率器件為例進行說明，在其他實施 方式中，微波功率放大器也可以為InGaP HBT功率器件、GaN功率器件、或LDM0S功率器件 等，當然，本發明也可以應用於SOI技術的熱設計中。
[0046] 綜上所述，本發明將熱源最短路徑進行散熱，引入集電極金屬提供到地散熱路徑， 通過增加此條散熱路徑，降低改善功率單元的溫度，從而得到高效率、高線性度的放大器， 版圖結構簡單、易於實現。
[0047]同時，採用網狀正交排列的金屬條結構，在優化散熱路徑的目標下最大程度減小 耦合的寄生電容，保證了放大器的高性能輸出。
[0048] 對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在 不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論 從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權 利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有 變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0049] 此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包 含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當 將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員 可以理解的其他實施方式。
【權利要求】
1. 一種熱分流式微波功率放大器，包括若干並聯設置的功率單元，每個功率單元包括 若干電晶體，電晶體包括基極、集電極、及發射極，其特徵在於，每個功率單元內電晶體的集 電極均通過第一層金屬和第二層金屬互聯，每個功率單元內電晶體的發射極均通過第一層 金屬和第二層金屬互聯，相鄰的功率單元中電晶體的集電極通過第一金屬互聯電性連接， 相鄰的功率單元中電晶體的發射極通過第二金屬互聯電性連接，所述第一金屬互聯從下向 上包括第一層金屬、絕緣介質層、及第二層金屬，第二層金屬分別與相鄰的功率單元中晶體 管的集電極相連，所述第二金屬互聯為第一層金屬，第一層金屬分別與相鄰的功率單元中 電晶體的發射極相連，所述第一層金屬分別與降熱裝置相連通。
2. 根據權利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特徵在於，所述第一金屬互聯 中的第一層金屬包括若干平行設置的第一金屬條，第一金屬互聯中的第二層金屬包括若干 平行設置的第二金屬條，第一金屬條和第二金屬條呈網狀交叉分布。
3. 根據權利要求2所述的熱分流式微波功率放大器，其特徵在於，所述第一金屬條和 第二金屬條呈網狀正交分布，即第一金屬條和第二金屬條垂直設置。
4. 根據權利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特徵在於，所述第一金屬互聯 下方設置有若干第一背孔，所述第一金屬互聯通過第一背孔與降熱裝置相連通。
5. 根據權利要求4所述的熱分流式微波功率放大器，其特徵在於，所述第一背孔呈圓 臺狀設置，且第一背孔的橫截面積從上向下逐漸增大。
6. 根據權利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特徵在於，所述第二金屬互聯 下方設置有若干第二背孔，所述第二金屬互聯通過第二背孔與降熱裝置相連通。
7. 根據權利要求6所述的熱分流式微波功率放大器，其特徵在於，所述第二背孔呈圓 臺狀設置，且第二背孔的橫截面積從上向下逐漸增大。
8. 根據權利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特徵在於，所述第一層金屬和 第二層金屬的材質相同。
9. 根據權利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特徵在於，所述絕緣介質層的 材質為Si3N4。
10. 根據權利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特徵在於，所述微波功率放大 器為InGaP/GaAs HBT功率器件、GaN功率器件、或LDMOS功率器件。
【文檔編號】H03F3/21GK104104341SQ201410363795
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】高懷, 孫曉紅, 王 鋒 申請人:蘇州英諾迅科技有限公司