CN105897180B - 一种高良率的平衡散热的倒装芯片线性功率放大器及其应用 - Google Patents

一种高良率的平衡散热的倒装芯片线性功率放大器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高良率的平衡散热的倒装芯片线性功率放大器及其应用，其特征是设置功率放大器的输出级中第M个级联放大电路的NM个并联连接的单位放大单元为对称排列的两个阵列；且分别设置在一组地线GND的两侧；每个阵列中的各个单位放大单元分别采用倒装芯片工艺并通过其晶体管的发射极或是栅极与一组地线GND中相对应的地线GND倒装节点相连；每个阵列中的各个单位放大单元分别采用倒装芯片工艺并通过其晶体管的集电极或漏级与一组电源线VCC相对应的电源线VCC倒装节点相连。本发明能使用统一大小的倒装芯片节点来提高功率放大器接地的节点密度，从而达到高良率和高可靠性的目的。

Description

一种高良率的平衡散热的倒装芯片线性功率放大器及其应用
技术领域
本发明涉及射频功率放大器，具体的说是一种高效率的高良率高可靠性的采用倒装芯片工艺的同时能够平衡散热的功率放大器及其应用。
背景技术
射频发射前端模块是射频终端器件实现信号传输的关键元器件。当前随着全球无线通信用户的快速增长及用户对无线通信的更高端的体验需求，市场对无线通信的带宽的需求快速增长。为了解决这种市场需求，全球开放出来的专用无线通信频段越来越多并且越来越拥挤。频段利用率高的调制解调方式，例如：3G的宽带码分多址(Wideband CodeDivision Multiple Access,WCDMA),带码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA),时分同步码分多址(Time Division Synchronous Code Division MultipleAccess,TD-SCDMA),以及逐渐取代3G技术成为市场主流的4G技术的Long term evolution,LTE包括成对频谱模式(Frequency domain duplexing,FDD)及非成对频谱模式(Timedomain duplexing,TDD)。这些频段利用率高的各种调制解调方式都对无线通信终端提出更高的要求，例如：高质量的语音通话，减少数据通信中的错误，快速的语音数据传输的切换，等等。
对于射频发射前端的主力元器件射频功率放大器及其模块来说，就意味着在新的频段利用率高的调制解调方式下，功率放大器必须具有较高的线性度来保障射频信号能够放大传输并且能够尽量少信号失真。一般功率放大器的高线性度意味着降低其输出功率来减少输出晶体管器件的非线性谐波的产生。功率放大器是无线通信连接中的一个核心元件，并且是以独立的模块的形式出现在无线通信系统之中。现有的功率放大器一般采用多元件集成在一个基板上形成一个模块(MCM)，其模块中可能包含不局限于以下的多个元件：功率放大器芯片，功率模式控制电路通常是CMOS工艺，输出匹配电路可以采用无源分立元件或半导体无源器件，射频开关通常是采用GaAs pHEMT工艺或是SOI技术。各个芯片与基板的连接方式基本有两种，一种是通过飞线技术连接芯片上的焊盘和基板上的焊盘节点，另一种是倒装芯片技术通过芯片上的金属凸点和基板上的节点直接通过焊锡或是铜柱对接。
以常见高性能高线性功率放大器输出级连接方式为例，市场上已有的大部分线性功率放大器是通过飞线技术把功率放大器芯片与基板实现连接，其中大晶体管接地方式可能是晶圆贯通接地TWV。图1显示的是市场现有多数线性功率放大器的输出级放大电路接地设计。图1中101，102，……,10(P-1),10P(其中P是整数，P＝NM)是市场常见的线性功率放大器输出级放大电路中的基本放大单元，每个单元可以由单晶体管组成也可能由多个更小的基本放大单元并联组成。111，112，……,11(X-1),11X(其中X是整数，X>1，通常X＝4,其数量由芯片的面积和散热需要来定)代表功率放大器芯片上的地GND，在GaAs HBT或是pHEMT工艺里是通过晶圆衬底的晶圆贯通接地TWV，在LDMOS工艺里是深度掺杂的半导体，在CMOS工艺里可能是通过晶圆衬底的晶圆贯通接地TWV也可能是通过芯片上焊盘bond pad飞线到基板上的地线。121，122，……,12(J-1),12J(其中J是整数，并且，J>3，通常其数量由芯片的面积和对功率输出匹配需求及负载输出的阻抗优化调节来定)代表了放大器射频输出的芯片上焊盘bond pad,输出放大电路的电压连接以及射频输出都是通过这J个芯片上焊盘bondpad飞线连接到放大器的负载输出匹配网络。NM个放大电路基本单元并联通过HBT的发射极或是pHEMT/LDMOS/CMOS的栅极连接到地GND形成一个NM单元的阵列，一般有1个这样的阵列连接方法如图1所示。这一个阵列组成放大器输出级放大电路。GND(111-11X)排列成一组，连接唯一阵列的所有放大单元的发射极和栅极。该GND组与121-12J的射频输出芯片上焊盘bond pad成平行方向。每个阵列中基本放大单元的集电极或漏极通过芯片工艺中的金属连接到射频输出的Vcc/RFout的芯片上焊盘bond pad 121-12J如图1所示。这种连接方法普遍用于线性放大器的设计。但是这种晶圆贯通接地方式散热效果不佳，因为商业HBT晶体管的发射极大多在晶体管多层材料的最上层，电流通过晶体管的发射级需要流经晶体管发射极之下的多层材料包括基级层，集电极层，衬底层，然后通过晶圆背面的金属镀层接地，这样长的一个通路会引起电感以及电阻过大，从而导热效率很差。同时这种设计方案的缺点是由于单阵列基本放大单元排列在地线的一端，所以单列中包含较多个基本放大单元，这样阵列两侧的基本放大单元到地的电感以及导热都与单阵列中间的基本放大单元很不均衡，从而导致功率放大器的线性度以及效率难以达到优化。
另一种市场常见芯片连接采用倒装芯片技术通过芯片上的金属凸点和基板上的节点直接通过焊锡或是铜柱对接。这种方式常见于多管脚的高性能处理器芯片，近来市场上逐渐出现功率放大器的电路通过倒装芯片技术把功率放大器芯片与基板实现连接。这种设计一般是如上图1的飞线连接工艺直接到倒装芯片的简单改造而成。如图2及图3所示，图2中201，202，……,20(P-1),20P(其中P是整数)以及图3中的301,302,……,30(P-1),30P(其中P是整数)是市场常见的线性功率放大器输出级放大电路中的基本放大单元,每个单元可以由单晶体管组成也可能由多个更小的基本放大单元并联组成。图2中的211以及图3中的311代表功率放大器芯片上的倒装接地GND节点，每个椭圆形代表一个大的倒装芯片节点，这些倒装芯片接地节点通常采用很大面积的焊锡或是铜柱以期望达到更好的散热效果。图2中的221，图3中的321，322，……,32(J-1),32J(其中J是整数，并且，J>3，通常其数量由芯片的面积和对功率输出匹配需求及负载输出的阻抗优化调节来定)代表了放大器射频输出的芯片上的倒装节点,输出放大电路的电压连接以及射频输出都是通过这J个芯片上倒装节点连接到放大器的负载输出匹配网络。NM个放大电路基本单元并联通过HBT的发射极或是pHEMT/LDMOS/CMOS的栅极连接到地GND形成一个NM单元的阵列。该单个阵列组成放大器输出级放大电路。图2中的211以及图3中的311都是一个大的倒装芯片接地节点，该接地节点连接唯一阵列的所有放大单元的发射极和栅极。该节点椭圆的长度方向与射频输出芯片倒装节点阵列或是节点椭圆长度方向成平行方向。该放大器阵列中基本放大单元的集电极或漏极通过芯片工艺中的金属连接到射频输出的Vcc/RFout的芯片上倒装芯片节点221如图2所示或321-32J如图3所示。但是这种设计方案的缺点是由于倒装芯片节点的大小不一，导致倒装后的基板与芯片受力不均匀，最重要的节点尤其是功率放大器各个级联级级的接地节点常常因为表面过大应力作用传到芯片半导体材料，导致芯片半导体材料层中的断裂，从而引起产品良率的降低，甚至可能降低产品的可靠性。
一种使用晶圆贯通及飞线技术能平衡散热的功率放大器，如图4所示，在同样的芯片面积上以及同样多的晶圆贯通接地TWV地GND的数量条件下，该多模功率放大器输出级的单位放大单元晶体管大小可以是传统设计中单位放大单元晶体管的一半，并且各个单位放大单元距离地GND的距离相比于传统设计中而言更接近一致，从而减少了各个单位放大单元到地的电感不均衡以及散热不均衡。但是这种晶圆贯通接地方式散热效果不佳，因为商业HBT晶体管的发射极大多在晶体管多层材料的最上层，电流通过晶体管的发射级需要流经晶体管发射极之下的多层材料包括基级层，集电极层，衬底层，然后通过晶圆背面的金属镀层接地，这样长的一个通路会引起电感以及电阻过大，从而导热效率很差，从而导致功率放大器的线性度以及效率难以达到优化。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的不足之处，提供了一种高良率的平衡散热的倒装芯片线性功率放大器及其应用，以期能使用统一大小的倒装芯片节点来提高功率放大器接地的节点密度，从而达到高良率和高可靠性的目的，同时采用平衡散热结构与倒装芯片技术相结合的接地设计来进一步降低功率放大器电路中HBT晶体管的结温，优化射频放大器的效率及其模块的散热性能。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种高良率的平衡散热的倒装芯片线性功率放大器，包括：M级级联放大电路和输出匹配电路；所述M级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含Ni个并联连接的单位放大单元；1≤i≤M且M≥2；
射频信号从所述M级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过Ni个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+1个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第M个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路；
所述输出匹配电路对所述级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线，其特点是：
设置一组地线GND；所述地线GND是由若干个倒装芯片节点排成一列组成；
设置一组电源线VCC；且所述电源线VCC与所述一组地线GND互相平行；所述一组电源线VCC为第M个级联放大电路的输出线，并由若干个倒装芯片节点排成一列组成；
设置所述功率放大器的输出级中第M个级联放大电路的NM个并联连接的单位放大单元为对称排列的两个阵列；每个阵列包含NM/2个并联连接的单位放大单元，且分别设置在一组地线GND的两侧；
每个阵列中的各个单位放大单元分别采用倒装芯片工艺并通过其晶体管的发射极或是栅极与所述一组地线GND中相对应的地线GND倒装节点相连；
每个阵列中的各个单位放大单元分别采用倒装芯片工艺并通过其晶体管的集电极或漏级与一组电源线VCC相对应的电源线VCC倒装节点相连。
本发明所述的倒装芯片线性功率放大器的特点也在于：
所述功率放大器中的所有倒装节点大小均相同。
本发明一种高良率的平衡散热的倒装芯片功率放大器的应用的特点是：将所述功率放大器应用于移动终端。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、相比市场上大多数功率放大器采用飞线连接以及晶圆贯通接地而言，本发明的倒装芯片功率放大器采用统一大小的倒装节点，倒装连接放大器的信号以及散热接地设计，这种设计不但减少了飞线的使用，减少了功率放大器芯片的面积，而且减少了模块的面积，同时能大大减少接地的电阻以及电感，从而提高了放大器的导热效率，能够提高放大器的效率，使模块产品集成度更高，成本更低。
2、本发明的倒装芯片采用统一大小的倒装节点，在功率放大器接地处采用高密度多节点来代替已有的大节点倒装功率放大器设计方案，从而在实现均衡散热接地设计的基础上，减少了倒装后产生的半导体表面应力的不均匀分布，直接提高了采用该倒装芯片工艺的功率放大器批量生产的产品良率。由于半导体表面应力的减少从而减少了半导体内部材料层的断裂，可以提高采用倒装芯片工艺的功率放大器产品的可靠性。这种倒装工艺降低了半导体晶体管的结温，从而提高了功率放大器的效率。在实际应用中，这种倒装工艺能够更平衡的散热，同时能够节省芯片面积。
3、本发明平衡散热的倒装芯片技术线性功率放大器输出级接地设计方式如图5所示，采用平衡散热的设计，同时采用倒装技术使用同样大小的倒装节点，多个倒装节点接地，这种设计方案的由于倒装芯片节点的大小一致，倒装后的基板与芯片受力更加均匀，提高了倒装芯片的产品的良率以及可靠性；同时由于采用了平衡散热的设计，在同样的芯片面积上以及同样数量的倒装芯片接地节点的条件下，该功率放大器输出级的单位放大单元晶体管大小可以是传统设计中单位放大单元晶体管的一半，并且各个单位放大单元距离地GND的距离相比于传统设计中而言更接近一致，从而减少了各个单位放大单元到地的电感不均衡以及散热不均衡。基于本发明的功率放大器不但能保持线性功率放大电路的既有线性度，而且同时降低了半导体晶体管的结温，从而提高了功率放大器的效率。在实际应用中，这种平衡散热的接地方式还能够节省芯片面积，在同等芯片面积上能够排列更多的倒装芯片接地节点达到更好的散热目的。本发明采用了一种全新的平衡散热的功率放大电路接地设计方式，并且把这种全新的平衡散热的设计方案使用在高良率高可靠性的倒装芯片的工艺上，因此能够进一步优化射频放大器及其模块的散热性能，从而能进一步优化功率放大器的线性度以及效率。
4、市场上述方案中的线性放大器设计可能是针对3G电路，或是4G网路，本发明的功率放大器可以通过倒装芯片工艺以及采用统一的倒装节点大小，在不影响该放大器的量产良率以及产品可靠性的基础上，同时在保持已有设计的线性度性能上，通过提高功率放大器的散热性能可以提高该功率放大器在不同模式下和/或不同通信制式下的效率。
5、市场上使用现有方案中的移动终端，每级需要多个功率放大器电路来实现模式的转换。本发明的多功率放大器，可以使移动终端减少面积/体积，可以节省移动终端的成本，同时由于输出级放大器能够对称的在地线两侧平衡散热，从而提高了移动终端的线性度以及移动终端的效率。
附图说明
图1为现有飞线技术中线性功率放大器输出级放大电路晶圆贯通接地示意图；
图2为现有倒装芯片技术中线性功率放大器输出级大节点接地原理图；
图3为现有倒装芯片技术中线性功率放大器输出级大节点接地大节点接电源线示意图；
图4为现有平衡散热的线性功率放大器输出级放大电路晶圆贯通接地示意图；
图5为本发明平衡散热的倒装芯片技术线性功率放大器输出级少节点接地示意图；
图6a为现有平衡散热的倒装芯片功率放大器输出级大节点接地整体版图倒装节点示意图；
图6b为本发明平衡散热的倒装芯片技术线性功率放大器整体版图倒装节点示意图；
具体实施方式
本实施例中，一种多高良率的平衡散热的倒装芯片的线性模功率放大器，是利用至少两级的放大电路以级联方式连接，通过倒装芯片的技术对功率放大器和基板进行连接，对放大器中各级级联放大电路接地方式以统一大小高密度节点倒装的设计方法实现功率放大器高性能的散热。该功率放大器由于采用了倒装芯片技术，输出级电路能够更加有效的接地散热，从而实现了一个能更加高效的平衡散热的设计方案，在保持放大器线性度的前提下提高了放大器的效率。具体的说，该多模功率放大器包括：M级级联放大电路和输出匹配电路；其中的M级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含Ni个并联连接的单位放大单元；1≤i≤M且M≥2；
射频信号从M级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过Ni个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+1个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第M个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给输出匹配电路；
输出匹配电路对级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线。
区别于市场现有大多数手机无线通信方案中的线性功率放大器采用的飞线连接工艺，以及晶圆贯通的接地方式来给功率放大器散热。本实施例中，一种高良率的倒装芯片的线性功率放大器采用倒装芯片技术并且保持倒装节点大小一致，采用高密度多节点的放大器接地散热方式。在版图上和实际电路芯片中，如图6所示：
设置一组地线GND是由X个倒装节点排成一列组成；X是任意整数按照电路芯片面积和散热需要而定；X>1，通常X＝4；
设置一组电源线VCC；且电源线VCC与一组地线GND互相平行；
该组电源线VCC为第M个级联放大电路的输出线，并由J个倒装芯片节点排成一列组成；J是整数并且，J>3，通常其数量由芯片的面积和对功率输出匹配需求及负载输出的阻抗优化调节来定。
设置功率放大器输出级中第M个级联放大电路的NM个并联连接的单位放大单元为对称排列的两个阵列；每个阵列包含NM/2个并联连接的单位放大单元，且分别设置在一组地线GND的两侧；各放大单元通过倒装芯片工艺分别连接到相对应的接地节点上，该接地节点通过一列焊锡或是铜柱连接到基板的地线上。
每个阵列中的各个单位放大单元分别采用倒装芯片工艺并通过其晶体管的发射极或是栅极与该组地线GND中相对应的地线GND倒装节点相连；
每个阵列中的各个单位放大单元分别采用倒装芯片工艺并通过其晶体管的集电极或漏级与一组电源线VCC相对应的电源线VCC倒装节点相连；
本实施例中，功率放大器中的所有倒装节点大小均相同，功率放大器接地连接采用高密度多节点方法实现接高效导热。这种连接方法减少了芯片半导体表面的应力不均匀分布，从而能够提高使用该倒装芯片技术的产品的良率和可靠性。
本实施例中，该功率放大器在采用高良率高可靠性的倒装工艺中，能够进一步优化射频放大器及其模块的散热性能，不但能保持线性功率放大电路的既有线性度，而且同时降低了半导体晶体管的结温，从而提高了功率放大器的效率。在实际应用中，这种平衡散热的接地作方式结合倒装芯片工艺还能够节省芯片面积，在同等芯片面积上能够排列更多的倒装接地节点(铜柱或是焊锡球)达到更好的散热目的。
此外本发明采用统一大小的倒装节点如图5所示，这同已有的倒装芯片功率放大器设计方案如图2及图3所示采用大倒装节点(图2中的211，221，图3中的311)不同。在整个功率放大器芯片版图倒装节点示意图中，如图6a，6b所示，601,602……等表示芯片上所有的倒装节点，其中图6a中的604是功率放大器倒装接地节点，其它都是信号节点；其中图6b中的604，605，606，607是功率放大器倒装接地节点，其它都是信号节点。同已有的倒装芯片功率放大器设计方案如图6a所示的功率放大器接地采用的大的节点(例如图6a中的604)来提高功率放大器的散热性能不同，本发明采用统一大小的倒装节点如图6b所示，本发明的功率放大器接地倒装节点(例如图6b中的604，605，606，607)与其它信号节点大小相同，只是本发明在功率放大器接地采用局部多节点高密度节点的设计来提高功率放大器的接地热导率。本发明应用的倒装芯片的功率放大器HBT晶体管的发射极电流流出直接通过焊锡或是铜柱到基板接地，较短的热导通路大大提高了放大器的导热效率，从而降低了该功率放大器半导体晶体管的结温，从而提高了功率放大器的效率。在实际应用中，这种倒装芯片的接地方式还能够节省芯片面积以及模块的面积。
本发明输出级放大器电路采用全新的局部高密度多节点的接地的连接方式。其中多级级联功率放大器的设计可以是任何适合放大器的半导体技术，例如可以包括且不局限于CMOS的技术，SOI的技术，GaAs HBT的技术，GaAs pHEMT的技术，GaN HEMT的技术，LDMOS的技术，甚至可以是多种半导体技术的组合，例如放大器的第一级放大电路由CMOS或SOI技术设计，第二级放大电路由GaAs HBT技术设计。其中负载输出匹配电路中的阻抗元件可以是无源分立元件，或者基于半导体集成技术的无源元件，或者是基于基板工艺，但不局限于上述实现方式，也可以是上述的多种技术的组合。
本发明主要应用可以在射频终端设备包括并不局限于移动电话，平板电脑，笔记本电脑，车载电子的无线通信设备，物联网的无线通信设备等等。此外本发明的多模放大器及其模块也可以应用在其它无线通信设备之中，包括并不局限于通信基站，卫星无线通信，军用无线通信设备等等。因此本发明所提出的技术方案，可以应用于需要多功率模式且工作带宽可调的任何无线通信终端，并且不受具体通信频段的限制。任何在具体电路或芯片布局实现形式上的变化，都包括在本专利的涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种高良率的平衡散热的倒装芯片线性功率放大器，包括：M级级联放大电路和输出匹配电路；所述M级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含Ni个并联连接的单位放大单元；1≤i≤M且M≥2；
射频信号从所述M级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过Ni个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+1个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第M个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路；
所述输出匹配电路对所述级联放大信号进行负载优化匹配后输出至天线，其特征是：
设置一组地线GND；所述地线GND是由若干个倒装芯片节点排成一列组成；
设置一组电源线VCC；且所述电源线VCC与所述一组地线GND互相平行；所述一组电源线VCC为第M个级联放大电路的输出线，并由若干个倒装芯片节点排成一列组成；
设置所述功率放大器的输出级中第M个级联放大电路的NM个并联连接的单位放大单元为对称排列的两个阵列；每个阵列包含NM/2个并联连接的单位放大单元，且分别设置在一组地线GND的两侧；
每个阵列中的各个单位放大单元分别采用倒装芯片工艺并通过其晶体管的发射极或是栅极与所述一组地线GND中相对应的地线GND倒装节点相连；
每个阵列中的各个单位放大单元分别采用倒装芯片工艺并通过其晶体管的集电极或漏级与一组电源线VCC相对应的电源线VCC倒装节点相连。
2.根据权利要求1所述的倒装芯片线性功率放大器，其特征是：所述功率放大器中的所有倒装节点大小均相同。
3.一种高良率的平衡散热的倒装芯片功率放大器的应用，其特征是：将如权利要求1或2所述功率放大器应用于移动终端。
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