本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于MMIC設(shè)計(jì)的熱電耦合模型建立方法。

背景技術(shù)：

對于功率放大器、大功率開關(guān)等射頻微波大功率芯片，其工作時(shí)，芯片溫度明顯升高，因此在微波單片集成電路(MMIC)設(shè)計(jì)過程中必須考慮熱效應(yīng)對器件和電路性能的影響，這就要求器件模型具有描述熱效應(yīng)和電性能之間相互影響的功能，這種模型即所謂的熱電耦合模型。晶體管作為大功率芯片中熱效應(yīng)最明顯的器件，其熱電偶合模型的精度直接影響到電路設(shè)計(jì)的成功率。

目前MMIC電路設(shè)計(jì)中常用的晶體管熱電耦合模型為緊湊型模型，這種模型基于晶體管的等效電路，采用一組經(jīng)驗(yàn)公式來描述晶體管的直流、線性和非線性特性，并采用熱電耦合參數(shù)來模擬熱效應(yīng)和電特性的相互影響，比如Angelov模型中的熱阻R_th和熱容C_th，以及EE-HEMT模型中的熱系數(shù)P_eff等。這種緊湊型熱電耦合模型的優(yōu)點(diǎn)是采用解析公式計(jì)算的方法，迭代速度快，收斂性好，而且熱電耦合參數(shù)可以通過測量方法提取，參數(shù)提取容易；但它也存在一些缺點(diǎn)，比如這種模型沒有考慮芯片封裝對熱阻的影響，另外隨著芯片的集成密度越來越高，芯片上熱源(晶體管、電阻等)之間的熱耦合越來越明顯，但緊湊型模型不能模擬這種熱耦合效應(yīng)的影響；因此，在針對不同類型的芯片封裝環(huán)境以及高密度的芯片布局應(yīng)用中，緊湊型熱電耦合模型的模擬精度較差。為解決這些問題，出現(xiàn)了一種新的熱電耦合模型，這種模型在模擬晶體管電性能的部分同樣基于緊湊型模型的經(jīng)驗(yàn)公式，但它并不采用熱電耦合參數(shù)來模擬晶體管的熱效應(yīng)，而是采用熱力學(xué)的數(shù)值仿真方法，得到芯片在實(shí)際封裝環(huán)境和版圖布局中的熱分布，然后與晶體管的電性能經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行迭代，直至收斂，最后得到晶體管熱效應(yīng)對電性能的影響。這種基于熱數(shù)值仿真的熱電耦合模型的優(yōu)點(diǎn)主要是，可以模擬芯片各種封裝環(huán)境和不同的版圖布局的實(shí)際熱效應(yīng)，模型精度更高，而且模型更具有物理意義，可以用于分析晶體管和封裝材料參數(shù)對晶體管性能的影響，而且可以用于優(yōu)化版圖布局；但這種模型的缺點(diǎn)也同樣明顯，由于每次迭代都需要進(jìn)行熱數(shù)值仿真，造成它的迭代速度非常慢，收斂性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于MMIC設(shè)計(jì)的熱電耦合模型建立方法，該應(yīng)用于MMIC設(shè)計(jì)的熱電耦合模型建立方法可以很好地解決現(xiàn)有技術(shù)中大尺寸半導(dǎo)體晶體管建模時(shí)，熱電耦合參數(shù)和寄生參數(shù)提取困難、模型精度不高的問題。

為達(dá)到上述要求，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：提供一種應(yīng)用于MMIC設(shè)計(jì)的熱電耦合模型建立方法，提供襯底，包括以下步驟：

S1、建立發(fā)熱元器件可縮放的緊湊型模型；

S2、根據(jù)芯片封裝環(huán)境和版圖布局，搭建芯片熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)；

S3、對發(fā)熱元器件的熱傳輸特性進(jìn)行熱仿真，并根據(jù)熱仿真數(shù)據(jù)，提取熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)參數(shù)值隨溫度的變化關(guān)系；

S4、將發(fā)熱元器件可縮放的緊湊型模型和熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)按照端口對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行連接，得到晶體管的熱電耦合模型。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該應(yīng)用于MMIC設(shè)計(jì)的熱電耦合模型建立方法具有的優(yōu)點(diǎn)如下：將緊湊型熱電耦合模型和基于熱數(shù)值仿真的熱電耦合模型相結(jié)合，既具有緊湊型模型求解速度快，收斂性好的優(yōu)點(diǎn)，又能夠模擬各種封裝環(huán)境和不同版圖布局對芯片電性能的影響，可用于優(yōu)化封裝環(huán)境和芯片布局。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，在這些附圖中使用相同的參考標(biāo)號來表示相同或相似的部分，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明公開的熱電耦合模型建立方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)例的GaN HEMT功率放大器芯片版圖布局示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)例的GaN HEMT晶體管小信號等效電路模型示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)例的功率MMIC芯片熱源之間的熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)及其符號示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)例的GaN HEMT功率芯片熱電耦合模型鏈接方式示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本申請的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對本申請作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。為簡單起見，以下描述中省略了本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的某些技術(shù)特征。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種應(yīng)用于MMIC設(shè)計(jì)的熱電耦合模型建立方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟S1：建立發(fā)熱元器件的緊湊型模型，包含模型參數(shù)與器件工作溫度T_c的關(guān)系。

本步驟中，首先要建立發(fā)熱元器件的緊湊型模型，并且模型要包含模型參數(shù)與器件工作溫度T_c的關(guān)系，即需要提取模型的熱效應(yīng)參數(shù)。一般在大功率MMIC中的發(fā)熱元器件主要有晶體管、二極管、電阻等。

在本實(shí)例中，以一款X波段GaN HEMT功率放大器MMIC為例，該MMIC的輸出功率為10W，采用兩級放大電路構(gòu)成，其版圖示意圖如圖2所示(僅畫出了需要考慮熱效應(yīng)的HEMT器件和電阻，省略了匹配和偏置電路等)，其中第一級為驅(qū)動(dòng)級，由一個(gè)HEMT器件組成(圖中HEMT-1)；第二級為放大級，由四個(gè)小尺寸HEMT器件并聯(lián)(分別為圖中HEMT-2、HEMT-3、HEMT-4、HEMT-5)，以及HEMT與HEMT之間的六個(gè)隔離電阻共同構(gòu)成(分別為圖中的R1至R6)。

首先要建立各個(gè)GaN HEMT器件的緊湊型模型，即非線性等效電路模型，由于實(shí)際應(yīng)用中各器件的柵指數(shù)和柵寬不同，因此模型須具有柵指數(shù)和柵寬的縮放功能(scalable)；但與傳統(tǒng)GaN HEMT非線性等效電路模型建模方法不同的是，本步驟中不用提取非線性模型的熱電耦合參數(shù)，僅需提取模型的熱效應(yīng)參數(shù)。本實(shí)例中，由于電阻與GaN HEMT器件的距離較近，加之它自身也要發(fā)熱，因此還需要考慮熱效應(yīng)對電阻阻值的影響，但由于電阻的熱模型相對簡單，并不是本實(shí)例介紹的重點(diǎn)，因此，本實(shí)例中，主要介紹GaN HEMT晶體管的非線性等效電路模型的建立方法。

本實(shí)例中，采用GaN HEMT非線性等效電路模型的建模流程對GaN HEMT晶體管進(jìn)行建模，具體包括以下步驟：

步驟S11：對GaN HEMT晶體管測試結(jié)構(gòu)做去嵌入處理。

由于在片測試時(shí)，校準(zhǔn)通常僅能將測試參考面移動(dòng)到射頻探針端面，此時(shí)測得的數(shù)據(jù)包含了測試結(jié)構(gòu)的影響；為了得到實(shí)際GaN HEMT晶體管的性能參數(shù)，需要對測試結(jié)構(gòu)做去嵌入處理。常用的去嵌入處理是采用開路結(jié)構(gòu)和短路結(jié)構(gòu)的方法，利用開路結(jié)構(gòu)消除并聯(lián)電容的影響，利用短路結(jié)構(gòu)消除串聯(lián)電感和電阻的影響。

步驟S12：根據(jù)晶體管類型選取合適的晶體管等效電路拓?fù)洹?/p>

晶體管的類型包括雙極晶體管，如BJT、HBT，和場效應(yīng)晶體管，如MOSFET、MESFET、HEMT等；晶體管的材料包括GaAs、GaN、InP等；每種類型的晶體管對應(yīng)的等效電路拓?fù)浜蛥?shù)表達(dá)式均不同。

以GaN HEMT器件為實(shí)例，選取含18個(gè)參數(shù)的小信號等效電路拓?fù)?，其中?個(gè)本征參數(shù)和9個(gè)寄生參數(shù)。9個(gè)寄生參數(shù)為FET常規(guī)的寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，包括柵極、漏極和源極的寄生電感、電容和電阻。本征參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖3所示，其中C_rf用來模擬FET的RF和DC的色散效應(yīng)。

步驟S13：在多偏置脈沖電壓條件下，提取GaN HEMT晶體管的小信號等效電路模型參數(shù)。

本步驟中，根據(jù)步驟S12中確定的晶體管等效電路，采用常規(guī)的cold-FET和hot-FET測試方法，在多個(gè)偏置條件下，提取小信號等效電路模型中的外部寄生參數(shù)和本征參數(shù)，這些參數(shù)在模型工作頻率范圍內(nèi)可以認(rèn)為是不隨頻率變化的量；而且外部寄生參數(shù)也認(rèn)為不隨偏置條件而變化，僅本征參數(shù)隨偏置條件變化，得到本征參數(shù)隨偏置電壓的變化關(guān)系，為下一步建立非線性模型做準(zhǔn)備。

優(yōu)選的，為消除GaN HEMT器件熱效應(yīng)的影響，給器件施加的偏置電壓為矩形方波脈沖，脈寬為200ns，占空比為0.1％。

步驟S14：建立GaN HEMT晶體管的非線性等效電路模型。

為了模擬晶體管的非線性特性，如增益壓縮、效率、諧波等，需建立晶體管的非線性模型。本步驟中，根據(jù)步驟S13中提取的GaN HEMT本征參數(shù)隨偏置變化的數(shù)值，并結(jié)合I-V、C-V的測試數(shù)據(jù)，可以建立GaN HEMT晶體管的非線性等效電路模型。

優(yōu)選的，以GaNHEMT晶體管為例，所述非線性等效電路模型中最重要的兩個(gè)非線性參量為漏極非線性電流I_ds和柵極非線性電荷Q_g，描述這兩個(gè)非線性參量的模型公式很多，比較常用的如EE-HEMT模型和Angelov模型及基于它們的改進(jìn)形式。本實(shí)例中選取Angelov模型的改進(jìn)形式Angelov-GaN模型。

優(yōu)選的，所述GaN HEMT非線性等效電路模型的模型參數(shù)需包含其與晶體管工作溫度T_c的關(guān)系，從而使得最終的熱電耦合模型能夠描述熱效應(yīng)的影響。本實(shí)例中，采用不同環(huán)境溫度T_amb條件下的脈沖I-V測試數(shù)據(jù)，來擬合Angelov-GaN模型中的熱效應(yīng)參數(shù)(T_cIpk0、T_CP、T_cCgs0等)。優(yōu)選的，所述環(huán)境溫度T_amb分別為0℃、25℃、75℃和125℃。優(yōu)選的，所述脈沖I-V測試施加的脈沖條件同樣為矩形方波脈沖，脈寬為200ns，占空比為0.1％。這樣可以忽略器件的熱傳導(dǎo)路徑熱阻造成的器件升溫，從而可以將環(huán)境溫度T_amb視為器件的工作溫度T_c。

步驟S15：對建立的GaN HEMT非線性等效電路模型做尺寸縮放，建立可縮放模型。

上述步驟僅建立了單個(gè)尺寸的GaN HEMT非線性等效電路模型。本步驟中，選取不同柵指數(shù)(2，4，6，8指)和不同單指柵寬(25μm，50μm，75μm，100μm，150μm)的GaN HEMT器件，重復(fù)上述步驟S11～S14，建立不同尺寸的GaN HEMT非線性模型；然后將模型參數(shù)對尺寸效應(yīng)做等比例擴(kuò)展，即用一經(jīng)驗(yàn)公式對尺寸效應(yīng)做參數(shù)擬合，從而得到可縮放的GaN HEMT非線性等效電路模型。

最后需要對建立的GaN HEMT非線性等效電路模型進(jìn)行驗(yàn)證，對GaN HEMT晶體管進(jìn)行脈沖負(fù)載牽引測試，測量其增益、輸出功率、效率等性能，脈沖條件與步驟S14中相同；同時(shí)，將建立的GaN HEMT非線性等效電路模型嵌入電路仿真軟件(如ADS、AWR等)中進(jìn)行仿真模擬；通過對比測試數(shù)據(jù)和模型仿真數(shù)據(jù)的吻合程度，對建立的GaN HEMT非線性等效電路模型進(jìn)行驗(yàn)證。

步驟S2：根據(jù)芯片封裝環(huán)境和版圖布局，搭建芯片熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。

本步驟中，采用熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)來描述芯片上多個(gè)熱源的熱電耦合效應(yīng)，如圖4所示，為本發(fā)明實(shí)例的GaN HEMT功率放大器芯片熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)及其符號示意圖；該熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的左邊一列為該網(wǎng)絡(luò)的輸入功率P_j，表示芯片上各個(gè)熱源的靜態(tài)功耗，等于其靜態(tài)電流I_j與偏置電壓V_j的乘積；右邊一列為該網(wǎng)絡(luò)的輸出溫度T_cj，表示各個(gè)熱源的工作溫度，與步驟1中建立的GaN HEMT晶體管的非線性模型中的工作溫度T_c相對應(yīng)。

優(yōu)選的，所述熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)并聯(lián)的熱阻R_t和熱容C_t構(gòu)成；其中R_tsjm和C_tsjm為第j個(gè)熱源(發(fā)熱元器件)自身的熱阻和熱容，由熱源到環(huán)境溫度T_amb界面的熱傳遞路徑即熱封裝決定；而R_tpjk和C_tpjk代表第j個(gè)熱源與第k個(gè)熱源之間由于熱耦合效應(yīng)引起的熱阻和熱容；下標(biāo)j和k代表熱源的編號(j，k＝1,2…n)，n表示熱源的個(gè)數(shù)，下標(biāo)m代表并聯(lián)的R_tsjm和C_tsjm的數(shù)目；m越大，以及考慮的熱源之間的耦合路徑越多，模型的精度越高，但同時(shí)提取難度也越大，一般的，m取1～3，并忽略間隔較遠(yuǎn)的熱源之間的熱耦合。由熱傳輸理論可以得到，當(dāng)整個(gè)芯片達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)之后，第j個(gè)熱源的工作溫度T_cj可以表示為：

在本實(shí)例中，熱源的個(gè)數(shù)n＝11，分別為6個(gè)電阻和5個(gè)GaN HEMT晶體管，為簡化模型，僅取一階熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，即m＝1；同時(shí)由于HEMT-1、R-3和R-4與其它熱源之間的距離較遠(yuǎn)(大于200μm)，因此忽略它們之間的熱耦合，僅考慮HEMT-2、HEMT-3、R-1和R-2之間的熱耦合以及HEMT-4、HEMT-5、R-5和R-6之間的熱耦合。

步驟S3：采用熱仿真軟件模擬芯片在不同功耗條件下的熱傳輸特性，并基于仿真數(shù)據(jù)，提取熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)參數(shù)值隨溫度的變化關(guān)系。

本步驟中，采用三維熱仿真軟件(如Ansys、Flotherm等)，模擬GaN HEMT芯片的熱傳輸特性，提取熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)參數(shù)值，從而可以得到每個(gè)熱源的工作溫度T_cn與耗散功率P_n和環(huán)境溫度T_amb的關(guān)系；與傳統(tǒng)的熱阻、熱容測量方法相比，采用這種軟件模擬的方法，可以考慮熱源之間的熱耦合效應(yīng)和芯片封裝環(huán)境的影響。在熱電耦合參數(shù)提取過程中，可以采用穩(wěn)態(tài)的熱仿真數(shù)據(jù)來提取各個(gè)熱阻R_t的值，采用瞬態(tài)的仿真數(shù)據(jù)來提取各個(gè)熱容C_t的值。

為進(jìn)一步提高模型精度，還需要考慮熱電耦合參數(shù)R_t和C_t隨溫度的變化，為提取這種變化關(guān)系，可以在不同的熱源輸入功率P_n條件下進(jìn)行熱電耦合參數(shù)提取，每個(gè)輸入功率P_n對應(yīng)一個(gè)工作溫度；優(yōu)選的，可以選取3～5個(gè)輸入功率進(jìn)行仿真模擬，其余未仿真的點(diǎn)可以通過插值的方法得到，最終可以得到熱電耦合參數(shù)與溫度T_c的關(guān)系。優(yōu)選的，可以通過ADS電路仿真軟件中的DAC控件實(shí)現(xiàn)這種參數(shù)表格功能，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)用和插值。

步驟S4：將器件的緊湊型模型和熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)按照端口對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行連接，得到晶體管的熱電耦合模型。

本步驟中，將步驟S1得到的GaN HEMT晶體管非線性等效電路模型及電阻模型，和步驟S3得到的芯片熱電耦合參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，按照端口對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行連接，最終得到整個(gè)MMIC芯片的熱電耦合模型，其連接方式如圖5所示。該模型考慮了版圖布局以及芯片封裝環(huán)境對芯片電熱效應(yīng)的影響，可用于建立射頻微波功率型芯片中晶體管和其它熱源的熱電耦合模型，從而用于射頻微波功率型MMIC芯片電路設(shè)計(jì)。若需要優(yōu)化版圖布局或芯片封裝環(huán)境，可以重復(fù)步驟S2～S4，得到新的熱電耦合模型。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的方法集合了緊湊型熱電耦合模型和基于熱數(shù)值仿真的熱電耦合模型兩者的優(yōu)點(diǎn)，求解速度快，收斂性好，模型精度高。

以上所述實(shí)施例僅表示本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以所述權(quán)利要求為準(zhǔn)。