CN104104341B - 热分流式微波功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热分流式微波功率放大器，包括若干并联设置的功率单元，每个功率单元包括若干晶体管，晶体管包括基极、集电极、及发射极，每个功率单元内晶体管的集电极和发射极均通过第一层金属和第二层金属互联，相邻的功率单元中晶体管的集电极通过第一金属互联电性连接，相邻的功率单元中晶体管的发射极通过第二金属互联电性连接，第一金属互联从下向上包括第一层金属、绝缘介质层、及第二层金属，第二金属互联为第一层金属，第一层金属分别与降热装置相连通。本发明将热源最短路径进行散热，引入集电极金属提供到地散热路径，通过增加此条散热路径，降低改善功率单元的温度，从而得到高效率、高线性度的放大器。
Description
技术领域
本发明涉及微波功率放大器技术领域，特别是涉及一种热分流式微波功率放大器。
背景技术
现代通讯要求微波功率放大器能够提供大功率输出，并同时具有良好的线性与效率。然而对于功率管，由于其衬底散热系数低，大功率的输出使得晶体管的热效应增强，形成高温有源器件，此时晶体管的性能发生退化，线性度与效率恶化，甚至在更高温条件下，其可靠性都会受到影响，因此，为得到高性能的功率放大器，应解决热效应的瓶颈效应。
现有技术中通常的做法即改善散热环境以及降低热源，如放大器版图着手，优化散热环境，改变指间距、指长等手段获取均匀温度分布的功率单元，再者利用镇流电阻改变热电之间的负反馈作用，稳定电路。在一定的功耗条件下能够获得低温的晶体管具有重要的意义，但是其散热效果不佳。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种热分流式微波功率放大器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热分流式微波功率放大器，从而改善放大器的线性度和效率，得到优异性能的高功率输出。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种热分流式微波功率放大器，包括若干并联设置的功率单元，每个功率单元包括若干晶体管，晶体管包括基极、集电极、及发射极，每个功率单元内晶体管的集电极均通过第一层金属和第二层金属互联，每个功率单元内晶体管的发射极均通过第一层金属和第二层金属互联，相邻的功率单元中晶体管的集电极通过第一金属互联电性连接，相邻的功率单元中晶体管的发射极通过第二金属互联电性连接，所述第一金属互联从下向上包括第一层金属、绝缘介质层、及第二层金属，第二层金属分别与相邻的功率单元中晶体管的集电极相连，所述第二金属互联为第一层金属，第一层金属分别与相邻的功率单元中晶体管的发射极相连，所述第一层金属分别与降热装置相连通。
作为本发明的进一步改进，所述第一金属互联中的第一层金属包括若干平行设置的第一金属条，第一金属互联中的第二层金属包括若干平行设置的第二金属条，第一金属条和第二金属条呈网状交叉分布。
作为本发明的进一步改进，所述第一金属条和第二金属条呈网状正交分布，即第一金属条和第二金属条垂直设置。
作为本发明的进一步改进，所述第一金属互联下方设置有若干第一背孔，所述第一金属互联通过第一背孔与降热装置相连通。
作为本发明的进一步改进，所述第一背孔呈圆台状设置，且第一背孔的横截面积从上向下逐渐增大。
作为本发明的进一步改进，所述第二金属互联下方设置有若干第二背孔，所述第二金属互联通过第二背孔与降热装置相连通。
作为本发明的进一步改进，所述第二背孔呈圆台状设置，且第二背孔的横截面积从上向下逐渐增大。
作为本发明的进一步改进，所述第一层金属和第二层金属的材质相同。
作为本发明的进一步改进，所述绝缘介质层的材质为Si3N4。
作为本发明的进一步改进，所述微波功率放大器为InGaP/GaAs HBT功率器件、GaN功率器件、或LDMOS功率器件。
本发明具有以下有益效果：
本发明将热源最短路径进行散热，引入集电极金属提供到地散热路径，通过增加此条散热路径，降低改善功率单元的温度，从而得到高效率、高线性度的放大器，版图结构简单、易于实现。
同时，采用网状正交排列的金属条结构，在优化散热路径的目标下最大程度减小耦合的寄生电容，保证了放大器的高性能输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施方式GaAs HBT功率器件的结构示意图；
图2为图1中沿AA’方向的剖面示意图；
图3为图1中沿BB’方向的剖面示意图；
图4为本发明一具体实施方式GaAs HBT功率器件中单只晶体管的热流流动示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的目的在于提供一种散热良好的功率单元的设计，从而改善放大器的线性度和效率，得到优异性能的高功率输出。此功率单元由普通的并联多指的晶体管组成，然而区别于普通晶体管仅从发射极金属散热，本发明增加其热流通过集电极金属散热路径，并与下层金属形成网状结构减小寄生电容，下层金属与器件背面通过金属背孔相连，将热量尽快散入外界冷却装置。由于HBT晶体管的热源主要产生于基极-集电极的结处，此处的温度才是晶体管中温度最高的位置，因而增加采用集电极热分流方法能够更有效的散热。
鉴于上述目的，本发明公开了
一种热分流式微波功率放大器，其包括若干并联设置的功率单元，每个功率单元包括若干晶体管，晶体管包括基极、集电极、及发射极，每个功率单元内晶体管的集电极均通过第一层金属和第二层金属互联，每个功率单元内晶体管的发射极均通过第一层金属和第二层金属互联，相邻的功率单元中晶体管的集电极通过第一金属互联电性连接，相邻的功率单元中晶体管的发射极通过第二金属互联电性连接，第一金属互联从下向上包括第一层金属、绝缘介质层、及第二层金属，第二层金属分别与相邻的功率单元中晶体管的集电极相连，第二金属互联为第一层金属，第一层金属分别与相邻的功率单元中晶体管的发射极相连，第一层金属分别与降热装置相连通。
进一步地，第一金属互联中的第一层金属包括若干平行设置的第一金属条，第一金属互联中的第二层金属包括若干平行设置的第二金属条，第一金属条和第二金属条呈网状正交交叉分布。
进一步地，第一金属互联下方设置有若干第一背孔，第一金属互联通过第一背孔与降热装置相连通；第二金属互联下方设置有若干第二背孔，第二金属互联通过第二背孔与降热装置相连通。
参图1所示，在本发明的一具体实施方式中，该微波功率放大器为GaAsHBT功率器件，包括并联设置的第一功率单元10、第二功率单元20及第三功率单元30，其中第一功率单元10包括T1～T8共8个晶体管，第二功率单元20包括T9～T16共8个晶体管，第三功率单元30包括T17～T24共8个晶体管，collector为各个晶体管的集电极，emitter为发射极。每个功率单元内晶体管的集电极collector均通过第一层金属M1和第二层金属M2互联，每个功率单元内晶体管的发射极emitter均通过第一层金属M1和第二层金属M2互联。
本实施方式中第一功率单元10中晶体管(T1～T8)的集电极和第二功率单元20中晶体管(T9～T16)的集电极通过第一金属互联40电性连接，第二功率单元20中晶体管(T9～T16)的发射极和第三功率单元30中晶体管(T17～T24)的发射极通过第二金属互联50电性连接。
结合图2所示，第一金属互联40从下向上包括第一层金属41(M1金属层)、绝缘介质层43、及第二层金属42(M2金属层)。第一层金属41包括若干平行设置的第一金属条(M1金属条)，第二层金属42包括若干平行设置的第二金属条(M2金属条)，第一金属条和第二金属条呈网状交叉分布，优选地在本实施方式中，第一金属条和第二金属条呈网状正交分布。第一功率单元10中晶体管(T1～T8)的集电极和第二功率单元20中晶体管(T9～T16)的集电极通过第一金属条互联。
在第一金属互联中第一层金属41的下方设置有若干第一背孔(backside via)44，第一金属互联通过第一背孔44与降热装置(未标号)相连通。优选地，第一背孔呈圆台状设置，且第一背孔的横截面积从上向下逐渐增大，本实施方式中第一背孔设置为两个，分别为C1、C2，在其他实施方式中，第一背孔的数量和形状可以设计为其他数量和形状。
由于集电极不能与地连接，本发明中在第一层金属和第二层金属之间设置有绝缘介质层43，绝缘介质层的材质为Si3N4等，绝缘介质层位于第一层金属上方，第一金属互联因而形成金属-介质-金属结构的耦合电容，然而按照上述网状正交排列的第一金属条和第二金属条的结构，两者的重叠面积最小，在优化散热路径的目标下最大程度减小耦合的寄生电容，从而对放大器的电性能不会形成恶劣影响。
结合图3所示，第二金属互联50包括第一层金属51，第二功率单元20中晶体管(T9～T16)的发射极和第三功率单元30中晶体管(T17～T24)的发射极通过第一层金属51互联。
在第二金属互联中第一层金属51的下方设置有若干第二背孔(backside via)52，第二金属互联通过第二背孔52与降热装置(未标号)相连通。优选地，第二背孔呈圆台状设置，且第二背孔的横截面积从上向下逐渐增大，本实施方式中第二背孔设置为两个，分别为C3、C4，在其他实施方式中，第二背孔的数量和形状可以设计为其他数量和形状。
其中，在本实施方式中第一层金属M1和第二层金属M2的材质相同，仅仅厚度上不同，在其他实施方式中也可以设置为不同材质的金属层。
本发明中当放大器正常工作时，晶体管基极-集电极结产生的电场最大，电流密度最大，从而热量最高，按图1所示，对于集电极相邻的两列晶体管，集电极通过第二金属条部分互联，则热量在两者之间流动，热量通过第二金属条流入绝缘介质层，再向下一层第一金属条流动，而第一金属条与第一背孔连接，可以将热量直接散到降热装置中。
类似的，对于发射极相连的两列晶体管，发射极通过第一层金属整块金属互联，热量同样可以通过第二背孔直接散到降热装置中。
图4给出了具体的热流流动图。
散热途径1为晶体管通过衬底散热，为常规散热方式；
散热途径2为晶体管通过发射极的金属连接到地进行散热，由于金属热导率很大，如银为420W/mK，而GaAs等半导体材料具有相对较小散热系数(GaAs为46W/mk)，此方法提供了快速散热通道；
散热途径3为本发明提供的创新思路，由于集电极的热量最大，实际的温度最高，因而也是最需降温的部位，采用正交排列的两层金属条，尽管在电气上没有互联，热量却可通过金属条再次散入背孔中，增加的散热路径为晶体管提供更好的散热环境，从而可以减小器件温度。
上述实施方式中微波功率放大器以GaAs HBT功率器件为例进行说明，在其他实施方式中，微波功率放大器也可以为InGaP HBT功率器件、GaN功率器件、或LDMOS功率器件等，当然，本发明也可以应用于SOI技术的热设计中。
综上所述，本发明将热源最短路径进行散热，引入集电极金属提供到地散热路径，通过增加此条散热路径，降低改善功率单元的温度，从而得到高效率、高线性度的放大器，版图结构简单、易于实现。
同时，采用网状正交排列的金属条结构，在优化散热路径的目标下最大程度减小耦合的寄生电容，保证了放大器的高性能输出。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种热分流式微波功率放大器，包括若干并联设置的功率单元，每个功率单元包括若干晶体管，晶体管包括基极、集电极、及发射极，其特征在于，每个功率单元内晶体管的集电极均通过第一层金属和第二层金属互联，每个功率单元内晶体管的发射极均通过第一层金属和第二层金属互联，相邻的功率单元中晶体管的集电极通过第一金属互联电性连接，相邻的功率单元中晶体管的发射极通过第二金属互联电性连接，所述第一金属互联从下向上包括第一层金属、绝缘介质层、及第二层金属，第二层金属分别与相邻的功率单元中晶体管的集电极相连，所述第二金属互联为第一层金属，第一层金属分别与相邻的功率单元中晶体管的发射极相连，所述第一金属互联中的第一层金属和所述第二金属互联中的第一层金属分别与降热装置相连通。
2.根据权利要求1所述的热分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一金属互联中的第一层金属包括若干平行设置的第一金属条，第一金属互联中的第二层金属包括若干平行设置的第二金属条，第一金属条和第二金属条呈网状交叉分布。
3.根据权利要求2所述的热分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一金属条和第二金属条呈网状正交分布，即第一金属条和第二金属条垂直设置。
4.根据权利要求1所述的热分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一金属互联下方设置有若干第一背孔，所述第一金属互联通过第一背孔与降热装置相连通。
5.根据权利要求4所述的热分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一背孔呈圆台状设置，且第一背孔的横截面积从上向下逐渐增大。
6.根据权利要求1所述的热分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第二金属互联下方设置有若干第二背孔，所述第二金属互联通过第二背孔与降热装置相连通。
7.根据权利要求6所述的热分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第二背孔呈圆台状设置，且第二背孔的横截面积从上向下逐渐增大。
8.根据权利要求1所述的热分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一层金属和第二层金属的材质相同。
9.根据权利要求1所述的热分流式微波功率放大器，其特征在于，所述绝缘介质层的材质为Si3N4。
10.根据权利要求1所述的热分流式微波功率放大器，其特征在于，所述微波功率放大器为InGaP/GaAs HBT功率器件、GaN功率器件、或LDMOS功率器件。
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