熱分流式微波功率放大器的制造方法
【專利摘要】本實用新型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。本實用新型將熱源最短路徑進(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]本實用新型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。
實用新型內(nèi)容
[0005]有鑒于此，本實用新型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，本實用新型實施例提供的技術(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]作為本實用新型的進(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]作為本實用新型的進(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]作為本實用新型的進(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]作為本實用新型的進(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]作為本實用新型的進(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]作為本實用新型的進(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]作為本實用新型的進(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LDMOS功率器件。
[0015]本實用新型具有以下有益效果:
[0016]本實用新型將熱源最短路徑進(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)。
[0017]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】
[0018]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(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實用新型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。
[0019]圖1為本實用新型一【具體實施方式】GaAs HBT功率器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為圖1中沿AA’方向的剖面示意圖；
[0021]圖3為圖1中沿BB’方向的剖面示意圖；
[0022]圖4為本實用新型一【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】
[0023]為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本實用新型中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(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實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，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)屬于本實用新型保護(hù)的范圍。
[0024]本實用新型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，本實用新型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。
[0025]鑒于上述目的，本實用新型公開了
[0026]一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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]參圖1所示，在本實用新型的一【具體實施方式】中，該微波功率放大器為GaAs HBT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Tl?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Ml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Ml和第二層金屬M2互聯(lián)。
[0030]本實施方式中第一功率單元10中晶體管(Tl?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。
[0031]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(Tl?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)。
[0032]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(backsidevia) 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。
[0033]由于集電極不能與地連接，本實用新型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Si3N4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。
[0034]結(jié)合圖3所示，第二金屬互聯(lián)50包括第一層金屬51，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)射極通過第一層金屬51互聯(lián)。
[0035]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(backsidevia) 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。
[0036]其中，在本實施方式中第一層金屬Ml和第二層金屬M2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。
[0037]本實用新型中當(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。
[0038]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。
[0039]圖4給出了具體的熱流流動圖。
[0040]散熱途徑I為晶體管通過襯底散熱,為常規(guī)散熱方式；
[0041]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；
[0042]散熱途徑3為本實用新型提供的創(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。
[0043]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LDMOS功率器件等，當(dāng)然，本實用新型也可以應(yīng)用于SOI技術(shù)的熱設(shè)計中。
[0044]綜上所述，本實用新型將熱源最短路徑進(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)。
[0045]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。
[0046]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本實用新型不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本實用新型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)本實用新型。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，本實用新型的范圍由所附權(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實用新型內(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。
[0047]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】H03F3/21GK204013417SQ201420420321
【公開日】2014年12月10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