CN106909751A - 一种应用于mmic设计的热电耦合模型建立方法 - Google Patents

一种应用于mmic设计的热电耦合模型建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，包括以下步骤：S1、建立发热元器件可缩放的紧凑型模型；S2、根据芯片封装环境和版图布局，搭建芯片热电耦合参数网络；S3、对发热元器件的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中各个参数值随温度的变化关系；S4、将发热元器件可缩放的紧凑型模型和热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到晶体管的热电耦合模型。本发明将紧凑型热电耦合模型和基于热数值仿真的热电耦合模型相结合，既具有紧凑型模型求解速度快，收敛性好的优点，又能够模拟各种封装环境和不同版图布局对芯片电性能的影响，可用于优化封装环境和芯片布局。

Description

一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法。
背景技术
对于功率放大器、大功率开关等射频微波大功率芯片，其工作时，芯片温度明显升高，因此在微波单片集成电路(MMIC)设计过程中必须考虑热效应对器件和电路性能的影响，这就要求器件模型具有描述热效应和电性能之间相互影响的功能，这种模型即所谓的热电耦合模型。晶体管作为大功率芯片中热效应最明显的器件，其热电偶合模型的精度直接影响到电路设计的成功率。
目前MMIC电路设计中常用的晶体管热电耦合模型为紧凑型模型，这种模型基于晶体管的等效电路，采用一组经验公式来描述晶体管的直流、线性和非线性特性，并采用热电耦合参数来模拟热效应和电特性的相互影响，比如Angelov模型中的热阻Rth和热容Cth，以及EE-HEMT模型中的热系数Peff等。这种紧凑型热电耦合模型的优点是采用解析公式计算的方法，迭代速度快，收敛性好，而且热电耦合参数可以通过测量方法提取，参数提取容易；但它也存在一些缺点，比如这种模型没有考虑芯片封装对热阻的影响，另外随着芯片的集成密度越来越高，芯片上热源(晶体管、电阻等)之间的热耦合越来越明显，但紧凑型模型不能模拟这种热耦合效应的影响；因此，在针对不同类型的芯片封装环境以及高密度的芯片布局应用中，紧凑型热电耦合模型的模拟精度较差。为解决这些问题，出现了一种新的热电耦合模型，这种模型在模拟晶体管电性能的部分同样基于紧凑型模型的经验公式，但它并不采用热电耦合参数来模拟晶体管的热效应，而是采用热力学的数值仿真方法，得到芯片在实际封装环境和版图布局中的热分布，然后与晶体管的电性能经验公式进行迭代，直至收敛，最后得到晶体管热效应对电性能的影响。这种基于热数值仿真的热电耦合模型的优点主要是，可以模拟芯片各种封装环境和不同的版图布局的实际热效应，模型精度更高，而且模型更具有物理意义，可以用于分析晶体管和封装材料参数对晶体管性能的影响，而且可以用于优化版图布局；但这种模型的缺点也同样明显，由于每次迭代都需要进行热数值仿真，造成它的迭代速度非常慢，收敛性较差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，该应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法可以很好地解决现有技术中大尺寸半导体晶体管建模时，热电耦合参数和寄生参数提取困难、模型精度不高的问题。
为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，提供衬底，包括以下步骤：
S1、建立发热元器件可缩放的紧凑型模型；
S2、根据芯片封装环境和版图布局，搭建芯片热电耦合参数网络；
S3、对发热元器件的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中各个参数值随温度的变化关系；
S4、将发热元器件可缩放的紧凑型模型和热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到晶体管的热电耦合模型。
与现有技术相比，该应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法具有的优点如下：将紧凑型热电耦合模型和基于热数值仿真的热电耦合模型相结合，既具有紧凑型模型求解速度快，收敛性好的优点，又能够模拟各种封装环境和不同版图布局对芯片电性能的影响，可用于优化封装环境和芯片布局。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明公开的热电耦合模型建立方法流程示意图；
图2为本发明实例的GaN HEMT功率放大器芯片版图布局示意图；
图3为本发明实例的GaN HEMT晶体管小信号等效电路模型示意图；
图4为本发明实例的功率MMIC芯片热源之间的热电耦合参数网络及其符号示意图；
图5为本发明实例的GaN HEMT功率芯片热电耦合模型链接方式示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
根据本发明的一个实施例，提供一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：建立发热元器件的紧凑型模型，包含模型参数与器件工作温度Tc的关系。
本步骤中，首先要建立发热元器件的紧凑型模型，并且模型要包含模型参数与器件工作温度Tc的关系，即需要提取模型的热效应参数。一般在大功率MMIC中的发热元器件主要有晶体管、二极管、电阻等。
在本实例中，以一款X波段GaN HEMT功率放大器MMIC为例，该MMIC的输出功率为10W，采用两级放大电路构成，其版图示意图如图2所示(仅画出了需要考虑热效应的HEMT器件和电阻，省略了匹配和偏置电路等)，其中第一级为驱动级，由一个HEMT器件组成(图中HEMT-1)；第二级为放大级，由四个小尺寸HEMT器件并联(分别为图中HEMT-2、HEMT-3、HEMT-4、HEMT-5)，以及HEMT与HEMT之间的六个隔离电阻共同构成(分别为图中的R1至R6)。
首先要建立各个GaN HEMT器件的紧凑型模型，即非线性等效电路模型，由于实际应用中各器件的栅指数和栅宽不同，因此模型须具有栅指数和栅宽的缩放功能(scalable)；但与传统GaN HEMT非线性等效电路模型建模方法不同的是，本步骤中不用提取非线性模型的热电耦合参数，仅需提取模型的热效应参数。本实例中，由于电阻与GaNHEMT器件的距离较近，加之它自身也要发热，因此还需要考虑热效应对电阻阻值的影响，但由于电阻的热模型相对简单，并不是本实例介绍的重点，因此，本实例中，主要介绍GaNHEMT晶体管的非线性等效电路模型的建立方法。
本实例中，采用GaN HEMT非线性等效电路模型的建模流程对GaN HEMT晶体管进行建模，具体包括以下步骤：
步骤S11：对GaN HEMT晶体管测试结构做去嵌入处理。
由于在片测试时，校准通常仅能将测试参考面移动到射频探针端面，此时测得的数据包含了测试结构的影响；为了得到实际GaN HEMT晶体管的性能参数，需要对测试结构做去嵌入处理。常用的去嵌入处理是采用开路结构和短路结构的方法，利用开路结构消除并联电容的影响，利用短路结构消除串联电感和电阻的影响。
步骤S12：根据晶体管类型选取合适的晶体管等效电路拓扑。
晶体管的类型包括双极晶体管，如BJT、HBT，和场效应晶体管，如MOSFET、MESFET、HEMT等；晶体管的材料包括GaAs、GaN、InP等；每种类型的晶体管对应的等效电路拓扑和参数表达式均不同。
以GaN HEMT器件为实例，选取含18个参数的小信号等效电路拓扑，其中有9个本征参数和9个寄生参数。9个寄生参数为FET常规的寄生参数网络，包括栅极、漏极和源极的寄生电感、电容和电阻。本征参数网络的等效电路如图3所示，其中Crf用来模拟FET的RF和DC的色散效应。
步骤S13：在多偏置脉冲电压条件下，提取GaN HEMT晶体管的小信号等效电路模型参数。
本步骤中，根据步骤S12中确定的晶体管等效电路，采用常规的cold-FET和hot-FET测试方法，在多个偏置条件下，提取小信号等效电路模型中的外部寄生参数和本征参数，这些参数在模型工作频率范围内可以认为是不随频率变化的量；而且外部寄生参数也认为不随偏置条件而变化，仅本征参数随偏置条件变化，得到本征参数随偏置电压的变化关系，为下一步建立非线性模型做准备。
优选的，为消除GaN HEMT器件热效应的影响，给器件施加的偏置电压为矩形方波脉冲，脉宽为200ns，占空比为0.1％。
步骤S14：建立GaN HEMT晶体管的非线性等效电路模型。
为了模拟晶体管的非线性特性，如增益压缩、效率、谐波等，需建立晶体管的非线性模型。本步骤中，根据步骤S13中提取的GaN HEMT本征参数随偏置变化的数值，并结合I-V、C-V的测试数据，可以建立GaN HEMT晶体管的非线性等效电路模型。
优选的，以GaNHEMT晶体管为例，所述非线性等效电路模型中最重要的两个非线性参量为漏极非线性电流Ids和栅极非线性电荷Qg，描述这两个非线性参量的模型公式很多，比较常用的如EE-HEMT模型和Angelov模型及基于它们的改进形式。本实例中选取Angelov模型的改进形式Angelov-GaN模型。
优选的，所述GaN HEMT非线性等效电路模型的模型参数需包含其与晶体管工作温度Tc的关系，从而使得最终的热电耦合模型能够描述热效应的影响。本实例中，采用不同环境温度Tamb条件下的脉冲I-V测试数据，来拟合Angelov-GaN模型中的热效应参数(TcIpk0、TCP、TcCgs0等)。优选的，所述环境温度Tamb分别为0℃、25℃、75℃和125℃。优选的，所述脉冲I-V测试施加的脉冲条件同样为矩形方波脉冲，脉宽为200ns，占空比为0.1％。这样可以忽略器件的热传导路径热阻造成的器件升温，从而可以将环境温度Tamb视为器件的工作温度Tc。
步骤S15：对建立的GaN HEMT非线性等效电路模型做尺寸缩放，建立可缩放模型。
上述步骤仅建立了单个尺寸的GaN HEMT非线性等效电路模型。本步骤中，选取不同栅指数(2，4，6，8指)和不同单指栅宽(25μm，50μm，75μm，100μm，150μm)的GaN HEMT器件，重复上述步骤S11～S14，建立不同尺寸的GaN HEMT非线性模型；然后将模型参数对尺寸效应做等比例扩展，即用一经验公式对尺寸效应做参数拟合，从而得到可缩放的GaN HEMT非线性等效电路模型。
最后需要对建立的GaN HEMT非线性等效电路模型进行验证，对GaN HEMT晶体管进行脉冲负载牵引测试，测量其增益、输出功率、效率等性能，脉冲条件与步骤S14中相同；同时，将建立的GaN HEMT非线性等效电路模型嵌入电路仿真软件(如ADS、AWR等)中进行仿真模拟；通过对比测试数据和模型仿真数据的吻合程度，对建立的GaN HEMT非线性等效电路模型进行验证。
步骤S2：根据芯片封装环境和版图布局，搭建芯片热电耦合参数网络。
本步骤中，采用热电耦合参数网络来描述芯片上多个热源的热电耦合效应，如图4所示，为本发明实例的GaN HEMT功率放大器芯片热电耦合参数网络及其符号示意图；该热电耦合参数网络的左边一列为该网络的输入功率Pj，表示芯片上各个热源的静态功耗，等于其静态电流Ij与偏置电压Vj的乘积；右边一列为该网络的输出温度Tcj，表示各个热源的工作温度，与步骤1中建立的GaN HEMT晶体管的非线性模型中的工作温度Tc相对应。
优选的，所述热电耦合参数网络由多个并联的热阻Rt和热容Ct构成；其中Rtsjm和Ctsjm为第j个热源(发热元器件)自身的热阻和热容，由热源到环境温度Tamb界面的热传递路径即热封装决定；而Rtpjk和Ctpjk代表第j个热源与第k个热源之间由于热耦合效应引起的热阻和热容；下标j和k代表热源的编号(j，k＝1,2…n)，n表示热源的个数，下标m代表并联的Rtsjm和Ctsjm的数目；m越大，以及考虑的热源之间的耦合路径越多，模型的精度越高，但同时提取难度也越大，一般的，m取1～3，并忽略间隔较远的热源之间的热耦合。由热传输理论可以得到，当整个芯片达到热稳态之后，第j个热源的工作温度Tcj可以表示为：
在本实例中，热源的个数n＝11，分别为6个电阻和5个GaN HEMT晶体管，为简化模型，仅取一阶热电耦合参数网络，即m＝1；同时由于HEMT-1、R-3和R-4与其它热源之间的距离较远(大于200μm)，因此忽略它们之间的热耦合，仅考虑HEMT-2、HEMT-3、R-1和R-2之间的热耦合以及HEMT-4、HEMT-5、R-5和R-6之间的热耦合。
步骤S3：采用热仿真软件模拟芯片在不同功耗条件下的热传输特性，并基于仿真数据，提取热电耦合参数网络中各个参数值随温度的变化关系。
本步骤中，采用三维热仿真软件(如Ansys、Flotherm等)，模拟GaN HEMT芯片的热传输特性，提取热电耦合参数网络中各个参数值，从而可以得到每个热源的工作温度Tcn与耗散功率Pn和环境温度Tamb的关系；与传统的热阻、热容测量方法相比，采用这种软件模拟的方法，可以考虑热源之间的热耦合效应和芯片封装环境的影响。在热电耦合参数提取过程中，可以采用稳态的热仿真数据来提取各个热阻Rt的值，采用瞬态的仿真数据来提取各个热容Ct的值。
为进一步提高模型精度，还需要考虑热电耦合参数Rt和Ct随温度的变化，为提取这种变化关系，可以在不同的热源输入功率Pn条件下进行热电耦合参数提取，每个输入功率Pn对应一个工作温度；优选的，可以选取3～5个输入功率进行仿真模拟，其余未仿真的点可以通过插值的方法得到，最终可以得到热电耦合参数与温度Tc的关系。优选的，可以通过ADS电路仿真软件中的DAC控件实现这种参数表格功能，可以实现参数的调用和插值。
步骤S4：将器件的紧凑型模型和热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到晶体管的热电耦合模型。
本步骤中，将步骤S1得到的GaN HEMT晶体管非线性等效电路模型及电阻模型，和步骤S3得到的芯片热电耦合参数网络，按照端口对应关系进行连接，最终得到整个MMIC芯片的热电耦合模型，其连接方式如图5所示。该模型考虑了版图布局以及芯片封装环境对芯片电热效应的影响，可用于建立射频微波功率型芯片中晶体管和其它热源的热电耦合模型，从而用于射频微波功率型MMIC芯片电路设计。若需要优化版图布局或芯片封装环境，可以重复步骤S2～S4，得到新的热电耦合模型。与现有技术相比，本发明提供的方法集合了紧凑型热电耦合模型和基于热数值仿真的热电耦合模型两者的优点，求解速度快，收敛性好，模型精度高。
以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims (5)

1.一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立发热元器件可缩放的紧凑型模型；
S2、根据芯片封装环境和版图布局，搭建芯片热电耦合参数网络；
S3、对发热元器件的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中各个参数值随温度的变化关系；
S4、将发热元器件可缩放的紧凑型模型和热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到晶体管的热电耦合模型。
2.根据权利要求1所述的应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，其特征在于，所述步骤S2中的热电参数网络由多个并联的热阻和热容构成。
3.根据权利要求2所述的应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：在不同的热源输入功率条件下进行热电耦合参数提取，每个输入功率对应一个工作温度，得到热电耦合参数随温度的变化关系。
4.根据权利要求1所述的应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，其特征在于，所述步骤S3中的热仿真数据为每个热源的工作温度与耗散功率的关系以及工作温度与环境温度的关系。
5.根据权利要求2所述的应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，其特征在于，所述步骤S3中提取热电耦合参数网络中的参数值时，采用稳态的热仿真数据提取热阻的值，采用瞬态的仿真数据提取热容的值。
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