CN104883133A - 一种基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN的混合集成微波功率放大器，包括：金属底板；所述金属底板的上表面设置有PCB板和热沉；所述PCB板上设置有第一功率放大器；所述热沉上设置有第二功率放大器；所述第二功率放大器的输入端与所述第一功率放大器的输出端连接；其中，所述第一功率放大器为GaAs功率放大器，所述第二功率放大器为LDMOS功率放大器或GaN功率放大器。所述GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，结合GaAs和LDMOS/GaN两种器件的优点，使得所述GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器的整体电路具有高频、高增益、高线性度、大功率、高效率等特点，且集成度高，封装成本低，应用更方便。

Description

一种基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波放大器

技术领域

本发明涉及微波放大器领域，特别是涉及一种基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波放大器。

背景技术

微波功率放大器在无线通信、电子对抗、测试仪器等领域有着非常广泛的应用，其常规方法是基于单片或混合集成电路工艺。单片集成电路工艺是将所有有源元件和无源元件均集成在同一块半导体衬底上，这种方式可以得到较小的整体电路尺寸，但其开发成本很高，也不适用于不同衬底器件的集成。混合集成电路的基本做法是有源器件使用未封装的分离管芯，无源电路用陶瓷薄膜电路或一些分立无源器件构成，使用金丝或金带键合工艺来完成有源电路和无源电路之间的电气互联，虽然其集成度不如单片集成，但可以充分发挥不同半导体工艺的技术优势，使设计更具灵活性，并且具有更低的设计和生产成本。

设计一款高效率的微波功率放大器，半导体器件的选用也是非常重要的条件之一。目前，用于设计功放的GaAs器件技术成熟，具有高频、高增益、高线性度等特点，但是输出功率不足；LDMOS器件具有大功率、高线性度、高工作电压等特性，非常适合用作功率输出级，但其增益低，效率不高，封装成本高；被誉为继Si和GaAs以后的第三代半导体材料GaN器件具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子迁移率等特性，特别适用于高温、高频、高功率应用，但是其工艺复杂，成本较高。因此，设计一种GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，将能够得到更小的尺寸和更优的性能。

现有技术中，GaAs和LDMOS/GaN混合集成有两个困难：一是LDMOS/GaN大功率的裸片输出功率很高，因此需要很好的散热，而印制电路板(PCB)或者铜、铝材料热沉的热膨胀系数较大，功率芯片的裸片直接焊接在以上材料上，散热的同时会由于热沉或者PCB的热膨胀问题而导致功率芯片断裂；二是LDMOS/GaN器件的输入输出阻抗很小，所以匹配电路复杂，系统集成应用较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，具有高频、高增益、高线性度、大功率、高效率等特点，且集成度高，封装成本低，应用更方便。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN的混合集成微波功率放大器，包括：

金属底板；

所述金属底板的上表面设置有PCB板和热沉；

所述PCB板上设置有第一功率放大器；

所述热沉上设置有第二功率放大器；

所述第二功率放大器的输入端与所述第一功率放大器的输出端连接；

其中，所述第一功率放大器为GaAs功率放大器，所述第二功率放大器为LDMOS功率放大器或GaN功率放大器。

优选的，所述第二功率放大器通过银浆焊或共晶焊的方式固定在所述热沉上。

优选的，所述金属底板上还具有槽，所述槽的形状与所述热沉的横截面形状相同，所述热沉的底部嵌套进所述金属底板的槽。

优选的，所述PCB板上还具有通孔，所述通孔的横截面形状与所述热沉的横截面形状相同，所述热沉穿过所述通孔嵌套进所述金属底板的槽。

优选的，所述槽的深度等于所述热沉的厚度与所述PCB板的厚度的差值。

优选的，所述热沉为所述热沉为钼铜热沉。

优选的，所述钼铜热沉为铜-钼-铜热沉

优选的，还包括级间匹配电路，所述级间匹配电路设置于所述PCB板上，输入端与所述第一功率放大器的输出端连接，输出端与所述第二功率放大器的输入端连接。

优选的，还包括输出匹配电路，所述输出匹配电路的输入端与所述第二功率放大器的输出端连接。

优选的，所述级间匹配电路或所述输出匹配电路由分立元件和金丝绑线组成。

本发明实施例所提供的基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN的混合集成微波功率放大器，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明实施例提供的基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN的混合集成微波功率放大器，包括：金属底板；所述金属底板的上表面设置有PCB板和热沉；所述PCB板上设置有第一功率放大器；所述热沉上设置有第二功率放大器；所述第二功率放大器的输入端与所述第一功率放大器的输出端连接；其中，所述第一功率放大器为GaAs功率放大器，所述第二功率放大器为LDMOS功率放大器或GaN功率放大器。

由于所述混合集成微波功率放大器将第一功率放大器即GaAs功率放大器和第二功率放大器即LDMOS功率放大器或GaN功率放大器集成到所述金属底板上，所述GaAs功率放大器集成到所述PCB板上，所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器设置到所述热沉上，与所述GaAs功率放大器连接，使得所述混合集成微波功率放大器的同时具有GaAs和LDMOS或GaN两种器件的优点，整体电路具有高频、高增益、高线性度、大功率、高效率等特点，且集成度高，封装成本低，应用更方便。

由于所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器设置到所述热沉上而未直接集成到所述PCB板上，而所述热沉具有很低的热膨胀系数，受热情况下不容易发生形变，使得所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器的芯片不会发生断裂。此外，所述热沉还具有很强的导热能力，极大地提高了对所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器的散热能力；所述GaAs功率放大器设置到所述PCB板上，而所述PCB板和所述热沉集成到所述金属底板上，所述金属底板具有很强的导热能力，使得所述PCB板和所述热沉的温度差别较小，所述PCB板的不同位置的温差较小，不易发生断裂。

由于所述GaAs功率放大器级输出阻抗和所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器的输入阻抗都是只有几欧姆的低阻，故可以不再用常规的将输入输出阻抗匹配至50Ω的方法，无需进行常规的LDMOS/GaN封装内预匹配，电路结构更简单。

综上所述，本发明实施例所提供的基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN的混合集成微波功率放大器，具有高频、高增益、高线性度、大功率、高效率等特点，且集成度高，封装成本低，应用更方便。

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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例所提供的所述基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器的一种具体实施方式的电路结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的GaAs功率放大器与所述LDMOS/GaN功率放大器之间的级间匹配电路示意图；

图3为本发明实施例所提供的基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中的GaAs和LDMOS/GaN混合集成有两个困难：一是LDMOS/GaN大功率的裸片输出功率很高，因此需要很好的散热，而印制电路板(PCB)或者铜、铝材料热沉的热膨胀系数较大，功率芯片的裸片直接焊接在以上材料上，散热的同时会由于热沉或者PCB的热膨胀问题而导致功率芯片断裂；二是LDMOS/GaN器件的输入输出阻抗很小，所以匹配电路复杂，系统集成应用较困难。

基于此，本发明实施例提供了基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN的混合集成微波功率放大器，包括：金属底板；所述金属底板的上表面设置有PCB板和热沉；所述PCB板上设置有第一功率放大器；所述热沉上设置有第二功率放大器；所述第二功率放大器的输入端与所述第一功率放大器的输出端连接；其中，所述第一功率放大器为GaAs功率放大器，所述第二功率放大器为LDMOS功率放大器或GaN功率放大器。

需要说明的是，在本发明的以下论述过程中，所述第一功率放大器就是指GaAs功率放大器，所述第二功率放大器就是指LDMOS功率放大器或GaN功率放大器。

所述基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，电路结构如图1所示，上由两级放大器A1、A2，级间匹配M1和输出匹配M2级联组成，放大器A1的输入端和放大器A2的输出端有电容C1、C2隔直流。所述级间匹配M1、输出匹配M2、电容C1、C2由分立元件和金丝绑线构成。所述放大器A1为GaAs功率放大器芯片，是未经封装的裸片。所述放大器A2为LDMOS功率放大器或GaN功率放大器，是未经封装的裸片。而在放大器A1和A2之间一般还设置有偏置电路和去耦电路。

如图2为所述GaAs功率放大器与所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器之间的级间匹配电路，第三电容C3的一端接前级GaAs驱动功放芯片1的输出端，第三电容C3的另一端分别接第四电容C4和第五电容C5，该第四电容C4的另一端接地，该第五电容C5的另一端与第一电感L1连接，该第一电感L1与后级LDMOS功率放大器或GaN功率放大器输入端连接。

综上所述，所述混合集成微波功率放大器通过将所述第一功率放大器即GaAs功率放大器和所述第二功率放大器即LDMOS功率放大器或GaN功率放大器集成到所述金属底板上，所述GaAs功率放大器集成到所述PCB板上，所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器设置到所述热沉上，与所述GaAs功率放大器连接，使得所述混合集成微波功率放大器的同时具有GaAs和LDMOS功率放大器或GaN两种器件的优点，整体电路具有高频、高增益、高线性度、大功率、高效率等特点，且集成度高，封装成本低，应用更方便。所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器设置到所述热沉上而未集成到所述PCB板上，所述热沉具有很低的热膨胀系数，受热情况下不容易发生形变，使得所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器的芯片不会发生断裂；所述热沉具有很强的导热能力，极大地提高了对所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器的散热能力；所述GaAs功率放大器设置到所述PCB板上，而所述PCB板和所述热沉集成到所述金属底板上，所述金属底板具有很强的导热能力，使得所述PCB板和所述热沉的温度差别较小，所述PCB板各部分的温差较小，不会发生断裂。由于所述GaAs功率放大器输出阻抗和所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器输入阻抗都是只有几欧姆的低阻，故可以不再用常规的将输入输出阻抗匹配至50Ω的方法，直接将前级输出阻抗匹配到后级输入阻抗，无需进行常规的LDMOS功率放大器或GaN功率放大器封装内预匹配，电路结构更简单。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参考图3，图3为本发明实施例所提供的基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器的一种具体实施方式的结构示意图。

在一种具体方式中，所述基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，包括：金属底板4；所述金属底板4的上表面设置有PCB板3和热沉5；所述PCB板3上设置有第一功率放大器1；所述热沉5上设置有第二功率放大器2；所述第二功率放大器2的输入端与所述第一功率放大器1的输出端连接；其中，所述第一功率放大器1为GaAs功率放大器，所述第二功率放大器2为LDMOS功率放大器或GaN功率放大器。

优选的，所述第二功率放大器2通过银浆焊或共晶焊的方式固定在所述热沉5上，焊接牢固，不存在虚焊的情况，焊接温度低，焊接效率高。共晶焊又称低熔点合金焊接，共晶合金的基本特点是：两种不同的金属可在远低于各自的熔点温度下按照一定重量比例形成合金。采用共晶焊接时，焊接温度低于各组分的熔点，使得焊接工艺的难度大大降低，焊接温度大大降低，可以极大地提高焊接效率。需要说明的是，本发明还可以采用其它的方式将所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器固定在所述热沉5上，只是上述两种焊接方式是常用的焊接方式，固定效果好，工艺成本低而已，本发明对所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器固定在所述热沉5上的固定方式不做具体限定。

在上述实施例的基础上，在本发明的一种具体实施方式中，所述金属底板4上还具有槽，所述槽的形状与所述热沉5的横截面形状相同，所述热沉5的底部嵌套进所述金属底板4的槽。所述槽一般用铣床加工而成。所述金属底板4具有与所述热沉5的横截面形状相同的槽，在将所述热沉5固定到所述槽后，一方面增大了所述热沉5与所述金属底板4的接触面积，增加所述热沉5与所述金属底板4之间的热传递，另一方面，所述热沉5被固定在所述槽中，使得所述热沉5与所述金属底板4之间的连接更加牢固。

在上述实施例的基础上，在本发明的一种具体实施方式中，所述PCB板3上还具有通孔，所述通孔的横截面形状与所述热沉5的横截面形状相同，所述热沉5穿过所述通孔嵌套进所述金属底板4的槽。所述热沉5穿过所述PCB板3的通孔嵌套进所述金属底板4的槽，使得所述PCB板3、所述热沉5以及所述金属底板4成为一体，三者的集合更加牢固，所述通孔可以设置在所述PCB板3的任意位置，使得所述PCB板3的电路设计更加的自由。

在上述实施例的基础上，在本发明的一种具体实施方式中，所述槽的深度等于所述热沉5的厚度与所述PCB板3的厚度的差值。所述槽的深度等于所述热沉5的厚度与所述PCB板3的厚度的差值，使得所述PCB板3的上表面与所述热沉5的上表面处在同一平面，在印刷电路时直接采用原先的PCB工艺，降低工艺成本。

而在本发明所述的混合集成微波功率放大器中，所述热沉5一般为钼铜热沉。钼铜材料属于金属基平面层状复合型电子封装材料，这种材料的热导率高，热膨胀系数低并且可调节，耐高温性能优异，是国内外大功率电子元器件重要的电子封装材料，广泛用于微波、通讯、航空航天、电力电子、大功率半导体激光器、医疗等行业。另外，在微波封装和射频封装领域，也采用该材料做热沉。用钼铜材料制成的所述钼铜热沉，具有导热率高、热膨胀系数低、耐高温性能好，散热能力好，使得所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器在运行过程中产生的大量热量可以及时被传递出去，大大降低了温度上升的速度，更重要的是热膨胀系数小，使得所述热沉在散热的过程中各个不同位置处的形变小，提高了运行的安全性和可靠性。需要说明的是，在本发明中还可以使用其它的热沉5，本发明对此不作具体限定。

在上述实施例的基础上，在本发明的一种具体实施方式中，所述钼铜热沉为铜-钼-铜合金热沉。所述钼铜热沉采用为类似“三明治”结构的铜-钼-铜复合材料，这种材料的结构是层叠式，一般分为三层，中间层为低膨胀材料层，两边为高导电导热的材料层，所述低膨胀芯材为金属Mo，双面高导电导热材料为纯铜，所述材料具有高强度、高热导率、低膨胀系数以及可冲制成型等特点，其膨胀系数等性能还具有可设计性。在所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器大功率输出，所述热沉5温度升高时，所述热沉5不会发生翘边，所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器的芯片不会发生断裂，所述热沉5与所述金属底板4的固定效果也不会减弱。需要说明的是，在本发明中还可以使用其它结构的钼铜热沉，只要利于提高所述热沉的散热能力即可，本发明对此不作具体限定。

在本发明的所述混合集成微波功率放大器的中，在所述第一功率放大器1和第二功率放大器2之间还设置有级间匹配电路，所述级间匹配电路设置于所述PCB板上，输入端与所述第一功率放大器1的输出端连接，输出端与所述第二功率放大器2的输入端连接。

另外，所述混合集成微波功率放大器一般中还包括输出匹配电路，所述输出匹配电路的输入端与所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器的输出端连接。

所述级间匹配电路10或所述输出匹配电路由分立元件9和金丝绑线8组成。所述分立元件9主要是贴片电容，所述金丝绑线8具有与芯片电容阻抗匹配的分布电感，等效为级间匹配电路的电感。所述第二功率放大器2的管脚6通过金丝绑线8键合与所述PCB板3焊盘7上实现各种电气连接。

由于所述第一功率放大器1的输出阻抗和所述第二功率放大器2的输入阻抗都是只有几欧姆的低阻，故可以不再用常规的将输入输出阻抗匹配至50Ω的方法，而是在所述PCB板3上通过所述金丝绑线和所述分立元件，直接将前级输出阻抗匹配到后级输入阻抗，并且无需进行常规的将所述第二功率放大器封装内预匹配，使得所述第一功率放大器1和所述第二功率放大器2之间的阻抗非常容易匹配，而且二者之间的级间匹配电路10结构简单，效果良好。

综上所述，所述混合集成微波功率放大器通过将所述第一功率放大器和所述第二功率放大器集成到所述金属底板上，所述第一功率放大器集成到所述PCB板上，所述第二功率放大器设置到所述热沉上，与所述第一功率放大器连接，使得所述混合集成微波功率放大器的同时具有GaAs和LDMOS/GaN两种器件的优点，整体电路具有高频、高增益、高线性度、大功率、高效率等特点，且集成度高，封装成本低，应用更方便。所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器设置到所述热沉上而未集成到所述PCB板上，所述热沉具有很低的热膨胀系数，受热情况下不容易发生形变，使得所述LDMOS/GaN功率放大器的芯片不会发生断裂；所述热沉具有很强的导热能力，极大地提高了对所述LDMOS功率放大器GaN功率放大器的散热能力；所述GaAs功率放大器设置到所述PCB板上，而所述PCB板和所述热沉集成到所述金属底板上，所述金属底板具有很强的导热能力，使得所述PCB板和所述热沉的温度差别较小，所述PCB板各部分的温差较小，不会发生断裂。另外，由于所述GaAs功率放大器输出阻抗和所述LDMOS功率放大器或GaN功率放大器输入阻抗都是只有几欧姆的低阻，故可以不再用常规的将输入输出阻抗匹配至50Ω的方法，而是在所述PCB板上直接通过分立元件和金丝绑线将前级输出阻抗匹配到后级输入阻抗，并且无需进行常规的LDMOS功率放大器或GaN功率放大器封装内预匹配，电路结构更简单，效果良好。

以上对本发明所提供的基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术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 (10)

1.一种基于PCB工艺的GaAs和LDMOS/GaN的混合集成微波功率放大器，其特征在于，包括：

金属底板；

所述金属底板的上表面设置有PCB板和热沉；

所述PCB板上设置有第一功率放大器；

所述热沉上设置有第二功率放大器；

所述第二功率放大器的输入端与所述第一功率放大器的输出端连接；

其中，所述第一功率放大器为GaAs功率放大器，所述第二功率放大器为LDMOS功率放大器或GaN功率放大器。

2.如权利要求1所述的混合集成微波功率放大器，其特征在于，所述第二功率放大器通过银浆焊或共晶焊的方式固定在所述热沉上。

3.如权利要求2所述的混合集成微波功率放大器，其特征在于，所述金属底板上还具有槽，所述槽的形状与所述热沉的横截面形状相同，所述热沉的底部嵌套进所述金属底板的槽。

4.如权利要求3所述的混合集成微波功率放大器，其特征在于，所述PCB板上还具有通孔，所述通孔的横截面形状与所述热沉的横截面形状相同，所述热沉穿过所述通孔嵌套进所述金属底板的槽。

5.如权利要求4所述的混合集成微波功率放大器，其特征在于，所述槽的深度等于所述热沉的厚度与所述PCB板的厚度的差值。

6.如权利要求1-5任一项所述的混合集成微波功率放大器，其特征在于，所述热沉为钼铜热沉。

7.如权利要求6所述的混合集成微波功率放大器，其特征在于，所述钼铜热沉为铜-钼-铜热沉。

8.如权利要求1所述的混合集成微波功率放大器，其特征在于，还包括级间匹配电路，所述级间匹配电路设置于所述PCB板上，输入端与所述第一功率放大器的输出端连接，输出端与所述第二功率放大器的输入端连接。

9.如权利要求8所述的混合集成微波功率放大器，其特征在于，还包括输出匹配电路，所述输出匹配电路的输入端与所述第二功率放大器的输出端连接。

10.如权利要求9所述的混合集成微波功率放大器，其特征在于，所述级间匹配电路或所述输出匹配电路由分立元件和金丝绑线组成。