熱分流式微波功率放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱分流式微波功率放大器，包括若干并聯(lián)設(shè)置的功率單元，每個功率單元包括若干晶體管，晶體管包括基極、集電極、及發(fā)射極，每個功率單元內(nèi)晶體管的集電極和發(fā)射極均通過第一層金屬和第二層金屬互聯(lián)，相鄰的功率單元中晶體管的集電極通過第一金屬互聯(lián)電性連接，相鄰的功率單元中晶體管的發(fā)射極通過第二金屬互聯(lián)電性連接，第一金屬互聯(lián)從下向上包括第一層金屬、絕緣介質(zhì)層、及第二層金屬，第二金屬互聯(lián)為第一層金屬，第一層金屬分別與降熱裝置相連通。本發(fā)明將熱源最短路徑進(jìn)行散熱，引入集電極金屬提供到地散熱路徑，通過增加此條散熱路徑，降低改善功率單元的溫度，從而得到高效率、高線性度的放大器。
【專利說明】熱分流式微波功率放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波功率放大器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種熱分流式微波功率放大 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代通訊要求微波功率放大器能夠提供大功率輸出，并同時具有良好的線性與效 率。然而對于功率管，由于其襯底散熱系數(shù)低，大功率的輸出使得晶體管的熱效應(yīng)增強(qiáng)，形 成高溫有源器件，此時晶體管的性能發(fā)生退化，線性度與效率惡化，甚至在更高溫條件下， 其可靠性都會受到影響，因此，為得到高性能的功率放大器，應(yīng)解決熱效應(yīng)的瓶頸效應(yīng)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中通常的做法即改善散熱環(huán)境以及降低熱源，如放大器版圖著手，優(yōu)化 散熱環(huán)境，改變指間距、指長等手段獲取均勻溫度分布的功率單元，再者利用鎮(zhèn)流電阻改變 熱電之間的負(fù)反饋作用，穩(wěn)定電路。在一定的功耗條件下能夠獲得低溫的晶體管具有重要 的意義，但是其散熱效果不佳。
[0004] 因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種熱分流式微波功率放大器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種熱分流式微波功率放大器，從而改善放大 器的線性度和效率，得到優(yōu)異性能的高功率輸出。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案如下：
[0007] -種熱分流式微波功率放大器，包括若干并聯(lián)設(shè)置的功率單元，每個功率單元包 括若干晶體管，晶體管包括基極、集電極、及發(fā)射極，每個功率單元內(nèi)晶體管的集電極均通 過第一層金屬和第二層金屬互聯(lián)，每個功率單元內(nèi)晶體管的發(fā)射極均通過第一層金屬和第 二層金屬互聯(lián)，相鄰的功率單元中晶體管的集電極通過第一金屬互聯(lián)電性連接，相鄰的功 率單元中晶體管的發(fā)射極通過第二金屬互聯(lián)電性連接，所述第一金屬互聯(lián)從下向上包括第 一層金屬、絕緣介質(zhì)層、及第二層金屬，第二層金屬分別與相鄰的功率單元中晶體管的集電 極相連，所述第二金屬互聯(lián)為第一層金屬，第一層金屬分別與相鄰的功率單元中晶體管的 發(fā)射極相連，所述第一層金屬分別與降熱裝置相連通。
[0008] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一金屬互聯(lián)中的第一層金屬包括若干平行設(shè)置 的第一金屬條，第一金屬互聯(lián)中的第二層金屬包括若干平行設(shè)置的第二金屬條，第一金屬 條和第二金屬條呈網(wǎng)狀交叉分布。
[0009] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一金屬條和第二金屬條呈網(wǎng)狀正交分布，即第 一金屬條和第二金屬條垂直設(shè)置。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一金屬互聯(lián)下方設(shè)置有若干第一背孔，所述第 一金屬互聯(lián)通過第一背孔與降熱裝置相連通。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一背孔呈圓臺狀設(shè)置，且第一背孔的橫截面積 從上向下逐漸增大。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二金屬互聯(lián)下方設(shè)置有若干第二背孔，所述第 二金屬互聯(lián)通過第二背孔與降熱裝置相連通。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二背孔呈圓臺狀設(shè)置，且第二背孔的橫截面積 從上向下逐漸增大。
[0014] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一層金屬和第二層金屬的材質(zhì)相同。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述絕緣介質(zhì)層的材質(zhì)為Si3N4。
[0016] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述微波功率放大器為InGaP/GaAs HBT功率器件、GaN 功率器件、或LDM0S功率器件。
[0017] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0018] 本發(fā)明將熱源最短路徑進(jìn)行散熱，引入集電極金屬提供到地散熱路徑，通過增加 此條散熱路徑，降低改善功率單元的溫度，從而得到高效率、高線性度的放大器，版圖結(jié)構(gòu) 簡單、易于實現(xiàn)。
[0019] 同時，采用網(wǎng)狀正交排列的金屬條結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化散熱路徑的目標(biāo)下最大程度減小 耦合的寄生電容，保證了放大器的高性能輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0021] 圖1為本發(fā)明一【具體實施方式】GaAs HBT功率器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為圖1中沿AA'方向的剖面示意圖；
[0023] 圖3為圖1中沿BB'方向的剖面示意圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明一【具體實施方式】GaAs HBT功率器件中單只晶體管的熱流流動示意 圖。

【具體實施方式】
[0025] 為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實 施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù) 的范圍。
[0026] 本發(fā)明的目的在于提供一種散熱良好的功率單元的設(shè)計，從而改善放大器的線性 度和效率，得到優(yōu)異性能的高功率輸出。此功率單元由普通的并聯(lián)多指的晶體管組成，然而 區(qū)別于普通晶體管僅從發(fā)射極金屬散熱，本發(fā)明增加其熱流通過集電極金屬散熱路徑，并 與下層金屬形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)減小寄生電容，下層金屬與器件背面通過金屬背孔相連，將熱量 盡快散入外界冷卻裝置。由于HBT晶體管的熱源主要產(chǎn)生于基極-集電極的結(jié)處，此處的 溫度才是晶體管中溫度最高的位置，因而增加采用集電極熱分流方法能夠更有效的散熱。
[0027] 鑒于上述目的，本發(fā)明公開了
[0028] -種熱分流式微波功率放大器，其包括若干并聯(lián)設(shè)置的功率單元，每個功率單元 包括若干晶體管，晶體管包括基極、集電極、及發(fā)射極，每個功率單元內(nèi)晶體管的集電極均 通過第一層金屬和第二層金屬互聯(lián)，每個功率單元內(nèi)晶體管的發(fā)射極均通過第一層金屬和 第二層金屬互聯(lián)，相鄰的功率單元中晶體管的集電極通過第一金屬互聯(lián)電性連接，相鄰的 功率單元中晶體管的發(fā)射極通過第二金屬互聯(lián)電性連接，第一金屬互聯(lián)從下向上包括第一 層金屬、絕緣介質(zhì)層、及第二層金屬，第二層金屬分別與相鄰的功率單元中晶體管的集電極 相連，第二金屬互聯(lián)為第一層金屬，第一層金屬分別與相鄰的功率單元中晶體管的發(fā)射極 相連，第一層金屬分別與降熱裝置相連通。
[0029] 進(jìn)一步地，第一金屬互聯(lián)中的第一層金屬包括若干平行設(shè)置的第一金屬條，第一 金屬互聯(lián)中的第二層金屬包括若干平行設(shè)置的第二金屬條，第一金屬條和第二金屬條呈網(wǎng) 狀正交交叉分布。
[0030] 進(jìn)一步地，第一金屬互聯(lián)下方設(shè)置有若干第一背孔，第一金屬互聯(lián)通過第一背孔 與降熱裝置相連通；第二金屬互聯(lián)下方設(shè)置有若干第二背孔，第二金屬互聯(lián)通過第二背孔 與降熱裝置相連通。
[0031] 參圖1所示，在本發(fā)明的一【具體實施方式】中，該微波功率放大器為GaAsHBT功率器 件，包括并聯(lián)設(shè)置的第一功率單元10、第二功率單元20及第三功率單元30,其中第一功率 單元10包括T1?T8共8個晶體管，第二功率單元20包括T9?T16共8個晶體管，第三 功率單元30包括T17?T24共8個晶體管，collector為各個晶體管的集電極，emitter為 發(fā)射極。每個功率單元內(nèi)晶體管的集電極collector均通過第一層金屬M(fèi)l和第二層金屬 M2互聯(lián)，每個功率單元內(nèi)晶體管的發(fā)射極emitter均通過第一層金屬M(fèi)l和第二層金屬M(fèi)2 互聯(lián)。
[0032] 本實施方式中第一功率單元10中晶體管（T1?T8)的集電極和第二功率單元20 中晶體管（T9?T16)的集電極通過第一金屬互聯(lián)40電性連接，第二功率單元20中晶體管 (T9?T16)的發(fā)射極和第三功率單元30中晶體管（T17?T24)的發(fā)射極通過第二金屬互 聯(lián)50電性連接。
[0033] 結(jié)合圖2所示，第一金屬互聯(lián)40從下向上包括第一層金屬41 (Ml金屬層）、絕緣 介質(zhì)層43、及第二層金屬42 (M2金屬層）。第一層金屬41包括若干平行設(shè)置的第一金屬 條（Ml金屬條），第二層金屬42包括若干平行設(shè)置的第二金屬條（M2金屬條），第一金屬 條和第二金屬條呈網(wǎng)狀交叉分布，優(yōu)選地在本實施方式中，第一金屬條和第二金屬條呈網(wǎng) 狀正交分布。第一功率單元10中晶體管（T1?T8)的集電極和第二功率單元20中晶體管 (T9?T16)的集電極通過第一金屬條互聯(lián)。
[0034] 在第一金屬互聯(lián)中第一層金屬41的下方設(shè)置有若干第一背孔（backside via) 44,第一金屬互聯(lián)通過第一背孔44與降熱裝置（未標(biāo)號）相連通。優(yōu)選地，第一背孔 呈圓臺狀設(shè)置，且第一背孔的橫截面積從上向下逐漸增大，本實施方式中第一背孔設(shè)置為 兩個，分別為Cl、C2,在其他實施方式中，第一背孔的數(shù)量和形狀可以設(shè)計為其他數(shù)量和形 狀。
[0035] 由于集電極不能與地連接，本發(fā)明中在第一層金屬和第二層金屬之間設(shè)置有絕緣 介質(zhì)層43,絕緣介質(zhì)層的材質(zhì)為Si 3N4等，絕緣介質(zhì)層位于第一層金屬上方，第一金屬互聯(lián) 因而形成金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的耦合電容，然而按照上述網(wǎng)狀正交排列的第一金屬條和 第二金屬條的結(jié)構(gòu)，兩者的重疊面積最小，在優(yōu)化散熱路徑的目標(biāo)下最大程度減小耦合的 寄生電容，從而對放大器的電性能不會形成惡劣影響。
[0036] 結(jié)合圖3所不，第二金屬互聯(lián)50包括第一層金屬51，第二功率單兀20中晶體管 (T9?T16)的發(fā)射極和第三功率單元30中晶體管（T17?T24)的發(fā)射極通過第一層金屬 51互聯(lián)。
[0037] 在第二金屬互聯(lián)中第一層金屬51的下方設(shè)置有若干第二背孔（backside via) 52,第二金屬互聯(lián)通過第二背孔52與降熱裝置（未標(biāo)號）相連通。優(yōu)選地，第二背孔 呈圓臺狀設(shè)置，且第二背孔的橫截面積從上向下逐漸增大，本實施方式中第二背孔設(shè)置為 兩個，分別為C3、C4,在其他實施方式中，第二背孔的數(shù)量和形狀可以設(shè)計為其他數(shù)量和形 狀。
[0038] 其中，在本實施方式中第一層金屬M(fèi)l和第二層金屬M(fèi)2的材質(zhì)相同，僅僅厚度上不 同，在其他實施方式中也可以設(shè)置為不同材質(zhì)的金屬層。
[0039] 本發(fā)明中當(dāng)放大器正常工作時，晶體管基極-集電極結(jié)產(chǎn)生的電場最大，電流密 度最大，從而熱量最高，按圖1所示，對于集電極相鄰的兩列晶體管，集電極通過第二金屬 條部分互聯(lián)，則熱量在兩者之間流動，熱量通過第二金屬條流入絕緣介質(zhì)層，再向下一層第 一金屬條流動，而第一金屬條與第一背孔連接，可以將熱量直接散到降熱裝置中。
[0040] 類似的，對于發(fā)射極相連的兩列晶體管，發(fā)射極通過第一層金屬整塊金屬互聯(lián)，熱 量同樣可以通過第二背孔直接散到降熱裝置中。
[0041] 圖4給出了具體的熱流流動圖。
[0042] 散熱途徑1為晶體管通過襯底散熱，為常規(guī)散熱方式；
[0043] 散熱途徑2為晶體管通過發(fā)射極的金屬連接到地進(jìn)行散熱，由于金屬熱導(dǎo)率很 大，如銀為420W/mK，而GaAs等半導(dǎo)體材料具有相對較小散熱系數(shù)（GaAs為46W/mk)，此方 法提供了快速散熱通道；
[0044] 散熱途徑3為本發(fā)明提供的創(chuàng)新思路，由于集電極的熱量最大，實際的溫度最高， 因而也是最需降溫的部位，采用正交排列的兩層金屬條，盡管在電氣上沒有互聯(lián)，熱量卻可 通過金屬條再次散入背孔中，增加的散熱路徑為晶體管提供更好的散熱環(huán)境，從而可以減 小器件溫度。
[0045] 上述實施方式中微波功率放大器以GaAs HBT功率器件為例進(jìn)行說明，在其他實施 方式中，微波功率放大器也可以為InGaP HBT功率器件、GaN功率器件、或LDM0S功率器件 等，當(dāng)然，本發(fā)明也可以應(yīng)用于SOI技術(shù)的熱設(shè)計中。
[0046] 綜上所述，本發(fā)明將熱源最短路徑進(jìn)行散熱，引入集電極金屬提供到地散熱路徑， 通過增加此條散熱路徑，降低改善功率單元的溫度，從而得到高效率、高線性度的放大器， 版圖結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)。
[0047]同時，采用網(wǎng)狀正交排列的金屬條結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化散熱路徑的目標(biāo)下最大程度減小 耦合的寄生電容，保證了放大器的高性能輸出。
[0048] 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在 不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論 從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán) 利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有 變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
[0049] 此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包 含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以理解的其他實施方式。
【權(quán)利要求】
1. 一種熱分流式微波功率放大器，包括若干并聯(lián)設(shè)置的功率單元，每個功率單元包括 若干晶體管，晶體管包括基極、集電極、及發(fā)射極，其特征在于，每個功率單元內(nèi)晶體管的集 電極均通過第一層金屬和第二層金屬互聯(lián)，每個功率單元內(nèi)晶體管的發(fā)射極均通過第一層 金屬和第二層金屬互聯(lián)，相鄰的功率單元中晶體管的集電極通過第一金屬互聯(lián)電性連接， 相鄰的功率單元中晶體管的發(fā)射極通過第二金屬互聯(lián)電性連接，所述第一金屬互聯(lián)從下向 上包括第一層金屬、絕緣介質(zhì)層、及第二層金屬，第二層金屬分別與相鄰的功率單元中晶體 管的集電極相連，所述第二金屬互聯(lián)為第一層金屬，第一層金屬分別與相鄰的功率單元中 晶體管的發(fā)射極相連，所述第一層金屬分別與降熱裝置相連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一金屬互聯(lián) 中的第一層金屬包括若干平行設(shè)置的第一金屬條，第一金屬互聯(lián)中的第二層金屬包括若干 平行設(shè)置的第二金屬條，第一金屬條和第二金屬條呈網(wǎng)狀交叉分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一金屬條和 第二金屬條呈網(wǎng)狀正交分布，即第一金屬條和第二金屬條垂直設(shè)置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一金屬互聯(lián) 下方設(shè)置有若干第一背孔，所述第一金屬互聯(lián)通過第一背孔與降熱裝置相連通。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一背孔呈圓 臺狀設(shè)置，且第一背孔的橫截面積從上向下逐漸增大。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第二金屬互聯(lián) 下方設(shè)置有若干第二背孔，所述第二金屬互聯(lián)通過第二背孔與降熱裝置相連通。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第二背孔呈圓 臺狀設(shè)置，且第二背孔的橫截面積從上向下逐漸增大。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特征在于，所述第一層金屬和 第二層金屬的材質(zhì)相同。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)層的 材質(zhì)為Si3N4。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱分流式微波功率放大器，其特征在于，所述微波功率放大 器為InGaP/GaAs HBT功率器件、GaN功率器件、或LDMOS功率器件。
【文檔編號】H03F3/21GK104104341SQ201410363795
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】高懷, 孫曉紅, 王 鋒 申請人:蘇州英諾迅科技有限公司