CN103311180B - 一种改善mmic功率放大器性能的芯片布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善MMIC功率放大器性能的芯片布局方法，涉及微波单片集成电路的制作方法技术领域。包括以下步骤：（1）将有源器件形成于半导体基板的正面，无源器件形成于半导体基板的背面；（2）通过有源器件上的栅极PAD以及漏极PAD下的金属通孔将有源器件和无源器件进行电连接；（3）通过有源器件上的源极PAD与零势面的直接接触实现有源器件的源极接地；（4）对上述器件进行封装，在封装过程中需要倒装。所述方法可以将源极寄生电感值降低到最小，同时改善芯片的散热特性，降低芯片对半导体基板厚度的要求，方便加工，提高成品率。

Description

一种改善MMIC功率放大器性能的芯片布局方法

技术领域

本发明涉及微波单片集成电路的制作方法技术领域。

背景技术

在同一个半导体基板上形成有源和无源器件的单片式微波集成电路（MMIC）功率放大器被用于放大一定频率下的信号，采用MMIC制造工艺可以提高功率放大器的一致性，实现小体积，低成本的功率放大器制造。

MMIC功率放大器中有源器件的源极一般接零势面，传统的MMIC功率放大器将无源器件和有源器件制作在半导体基板的正面，源极接地通过半导体基板上的金属通孔接地实现，金属通孔常位于源PAD下。金属通孔充当连接源极以及零势面的引线，该引线等效电路近似可以等效为一个电阻R与电感L的串联。随着工作频率进入毫米波波段以及亚毫米波波段，金属通孔引入的源极寄生电感对有源器件的频率特性影响显著，源极寄生电感的存在相当于在电路中引入了一个负反馈回路，因而会降低有源器件的频率特性，恶化功率放大器增益性能。

伴随着MMIC功率放大器的工作频率进入毫米波以及毫米波以上频率有源器件的物理尺寸也被缩小，带来热源的集中，使工作时的结温提升，因此工作频率越高的MMIC功率放大器往往对芯片的散热性能的要求也会更高。半导体基板打薄工艺被用来减小接地的金属通孔引入的源极电感和改善芯片的散热特性，但该工艺同时会造成芯片成品率的降低，特别是毫米波及毫米波以上波段功率放大器对半导体基板厚度的要求为几十微米量级时，加工中出现次品甚至报废品的概率显著提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种改善MMIC功率放大器性能的芯片布局方法，所述方法可以将源极寄生电感值降低到最小，同时改善芯片的散热特性，降低芯片对半导体基板厚度的要求，方便加工，提高成品率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种改善MMIC功率放大器性能的芯片布局方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将功率放大器的有源器件形成于半导体基板的正面，并将功率放大器的无源器件形成于半导体基板的背面；

（2）通过有源器件上的栅极PAD以及漏极PAD下的金属通孔将有源器件和无源器件进行电连接；

（3）通过有源器件上的源极PAD与零势面的直接接触实现有源器件的源极接地；

（4）对经过步骤（3）处理后的器件进行封装，在封装过程中需要倒装。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：源极寄生电感的大小与源极至零势面引线的长度成正比例，所述方法将有源区中的源极直接与零势面接触可以实现源极寄生电感最小化。热阻是用来衡量MMIC功率放大器中有源器件的散热性能，热阻的大小跟有源器件的有源区到热沉的距离成正比，减小有源区到热沉的距离可以减小热阻，所述方法通过在对器件进行封装的过程中倒装的方式，减小了有源区到热沉的距离，从而降低了热阻的大小，提高了散热特性，方便加工，提高了成品率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是一个典型的MMIC功率放大器芯片的正面示意图；

图2是一个典型的MMIC功率放大器芯片的背面示意图；

图3是MMIC芯片中使用的有源器件的示意图；

图4是MMIC芯片中有源器件源极接地形式示意图；

其中：1、半导体基板2、有源器件3、无源器件4、源极PAD5、有源区6、栅极7、源极8、漏极9、栅极PAD10、漏极PAD11、金属通孔12、衬底13、零势面。

具体实施方式

一种改善MMIC功率放大器性能的芯片布局方法，包括以下步骤：（1）将功率放大器的有源器件形成于半导体基板的正面，并将功率放大器的无源器件形成于半导体基板的背面；（2）通过有源器件上的栅极PAD以及漏极PAD下的金属通孔将有源器件和无源器件进行电连接；（3）通过有源器件上的源极PAD与零势面的直接接触实现有源器件的源极接地；（4）对经过步骤（3）处理后的器件进行封装，在封装过程中需要倒装。

实施例一：（1）芯片的正面用于形成功率放大器的有源器件，图1是以一个典型的二级四胞合成功率放大器为例，功率放大器第一级包含两个有源器件，第二级含四个有源器件，总共六个有源器件形成在芯片的正面。

（2）芯片的背面用于形成功率放大器的无源器件，图2以一个典型的二级四胞合成功率放大器为例进行说明，无源器件包含微带传输线、电容、电阻、电感等，组成功率放大器的匹配网络，用来使功率放大器实现增益指标，功率指标以及驻波比等指标，这些无源器件均形成在芯片的背面。

（3）该芯片结构的实现需要对传统的有源器件进行调整，图3以一个四栅指的HEMT器件为例描述有源器件的形成，图中尺寸比例不代表真实的尺寸比例，仅仅是为了使图更加形象。有源器件以有源区为基础形成，其中，漏极和源极为与有源区半导体以欧姆接触形式接触的金属，栅极为与有源区半导体以肖特基接触形式接触的金属。栅极PAD和漏极PAD是一层金属，分别用于实现栅极和漏极的电学连接，PAD下的通孔用于实现有源器件和无源器件的连接。

对于每一个有源器件，源PAD分两部分，位于两个漏极中间的源极与其中一个源PAD相连,该源PAD是一层面积比较小的金属，位于该源极的正上方。与其余两个源极相连的为第二个源PAD，该源PAD是一层金属，它不仅覆盖在有源器件两边的源极上，同时也覆盖了除有源器件之外的整个半导体基板的上表面。为了芯片倒装时避免栅极或漏极与零势面发生接触。源PAD金属层的厚度应当高于漏极PAD和栅PAD金属层厚度，也应当高于源极和栅极的金属层厚度。

（4）本发明的MMIC功率放大器芯片结构有源器件接地方式参考图4加以描述。该图为一个MMIC功率放大器芯片中有源器件和半导体基板部分，是一个典型的四指HEMT器件的。图4中，有源器件依托半导体半导体基板形成，半导体基板多为GaN,GaAs,SiC之类Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体或Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体生长的半导体基板材料。栅极与有源区形成肖特基接触，源极与漏极跟有源区形成的欧姆接触，源极PAD的金属层的厚度应当高于栅极PAD和漏极PAD的金属层的厚度，源极PAD与零势面直接接触成为等势体，从而实现源极的接地。

源极寄生电感的大小与源极至零势面引线的长度成正比例，所述方法将有源区中的源极直接与零势面接触可以实现源极寄生电感最小化。热阻是用来衡量MMIC功率放大器中有源器件的散热性能，热阻的大小跟有源器件的有源区到热沉的距离成正比，减小有源区到热沉的距离可以减小热阻，所述方法通过在对器件进行封装的过程中倒装的方式，减小了有源区到热沉的距离，从而降低了热阻的大小，提高了散热特性，方便加工，提高了成品率。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及其实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用来帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种改善MMIC功率放大器性能的芯片布局方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将功率放大器的有源器件形成于半导体基板的正面，并将功率放大器的无源器件形成于半导体基板的背面；

2）通过有源器件上的栅极PAD以及漏极PAD下的金属通孔将有源器件和无源器件进行电连接；

3）通过有源器件上的源极PAD与零势面的直接接触实现有源器件的源极接地；

4）对经过步骤（3）处理后的器件进行封装，在封装过程中需要倒装；

具体的：

1）芯片的正面用于形成功率放大器的有源器件，功率放大器第一级包含两个有源器件，第二级含四个有源器件，总共六个有源器件形成在芯片的正面；

2）芯片的背面用于形成功率放大器的无源器件，无源器件包含微带传输线、电容、电阻、电感，组成功率放大器的匹配网络，用来使功率放大器实现增益指标，功率指标以及驻波比指标，这些无源器件均形成在芯片的背面；

3）有源器件以有源区为基础形成，其中，漏极和源极为与有源区半导体以欧姆接触形式接触的金属，栅极为与有源区半导体以肖特基接触形式接触的金属；栅极PAD和漏极PAD是一层金属，分别用于实现栅极和漏极的电学连接，PAD下的通孔用于实现有源器件和无源器件的连接；

对于每一个有源器件，源极PAD分两部分，位于两个漏极中间的源极与其中一个源极PAD相连,该源极PAD是一层面积比较小的金属，位于该源极的正上方；与其余两个源极相连的为第二个源PAD，该源PAD是一层金属，它不仅覆盖在有源器件两边的源极上，同时也覆盖了除有源器件之外的整个半导体基板的上表面；

4）栅极与有源区形成肖特基接触，源极与漏极跟有源区形成的欧姆接触，源极PAD的金属层的厚度应当高于栅极PAD和漏极PAD的金属层的厚度，源极PAD与零势面直接接触成为等势体，从而实现源极的接地。