一种放大器芯片管芯热仿真等效模型.pdf

本发明公开了一种放大器芯片管芯热仿真等效模型。该等效模型包括等效放大器芯片以及等效热沉。等效放大器芯片的结构包括等效管芯、等效版图、基板、金属过孔、背金，等效放大器芯片放置于等效热沉上方。等效热沉包括金锡合金层、钼铜层、导热硅脂层。整个模型的底面为恒温面。本发明实现了在通用热仿真软件中准确模拟整个芯片以及管芯热特性的功能，可广泛运用于放大器芯片的热仿真中，为实现芯片整体的热设计提供了有效快捷的方法。

1.  一种放大器芯片管芯热仿真等效模型，其特征在于，它包括等效放大器芯片和等效热沉，等效放大器芯片包括有源区及金属互连层（1）、基板（2）、金属过孔（3）、背金（4），其中有源区及金属互连层（1）包括等效管芯（5）和等效版图（6），等效版图（6）分布于等效管芯（5）的周围，有源区及金属互连层（1）分布在基板（2）上表面，金属过孔（3）内置于基板（2）中，背金（4）紧贴基板（2）的下表面，等效热沉固定在放大器芯片和恒温面（12）之间。

2.  如权利要求1所述的一种放大器芯片管芯热仿真等效模型，其特征在于，所述的等效管芯（5）是根据晶体管的热分布特性将其等效为一个与晶体管栅极尺寸完全一致的热源（7）以及分布于热源下方的一块金属块（8），所述的金属块（8）与所在级的晶体管尺寸相同，厚度与所述等效版图的厚度相同，热源（7）与金属块（8）的材料都为金。

3.  如权利要求1所述的一种放大器芯片管芯热仿真等效模型，其特征在于，所述的等效版图（6）是在放大器芯片实际版图的基础上，略去其对热分布影响小于百分之五的细节，从而等效为与实际版图具有相同拓扑结构的金属层，厚度与放大器芯片的有源区及金属互连层（1）相同。

4.  如权利要求1所述的放大器芯片管芯热仿真等效模型，其特征在于，所述的等效热沉包括金锡合金层（9）、钼铜（10）、导热硅脂（11），金锡合金（9）用于连接放大器芯片与钼铜（10），钼铜（10）与放大器芯片一起通过导热硅脂（11）固定在所述的恒温面（12）上。

5.  如权利要求1所述的放大器芯片管芯热仿真等效模型，其特征在于，所述的所在级的晶体管为一个或多个晶体管。

6.  如权利要求1所述的放大器芯片管芯热仿真等效模型，其特征在于，所述的基板（2）为砷化镓、氮化镓基板。

一种放大器芯片管芯热仿真等效模型
技术领域
本发明涉及一种管芯热仿真等效模型，特别是一种放大器芯片管芯热仿真等效模型，适用于研究放大器芯片的热特性。
背景技术
基于砷化镓或者氮化镓赝配高电子迁移率晶体管技术的放大器芯片在现代雷达与通讯领域发挥着重要的作用。随着功耗的不断增加与芯片尺寸的不断减小，过高的管芯沟道温度会直接影响芯片及器件的可靠性及性能，因此放大器芯片设计过程中的热设计以及对放大器芯片管芯温度的准确探测是工程应用领域极其重要的一部分。目前放大器芯片沟道温度的直接测量方法是红外热成像技术。红外测量技术成本高且耗费时间，且其无法在芯片的设计阶段提供准确的管芯沟道温度。常用的仿真只针对单个管芯的热特性，没有考虑芯片版图、过孔以及整个芯片结构布局对管芯的影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明了提供一种放大器芯片管芯热仿真模型的等效方法，可以在芯片设计阶段，在考虑芯片版图及过孔等的影响的基础上，能准确仿真芯片管芯的热特性，达到节约成本与时间，提高设计的效率。
一种放大器芯片管芯热仿真等效模型，它包括等效放大器芯片和等效热沉，等效放大器芯片包括有源区及金属互连层、基板、金属过孔、背金，其中有源区及金属互连层包括等效管芯和等效版图，等效版图分布于等效管芯的周围，有源区及金属互连层分布在基板上表面，金属过孔内置于基板中，背金紧贴基板的下表面，等效热沉固定在放大器芯片和恒温面之间。
所述的等效管芯是根据晶体管的热分布特性将其等效为一个与晶体管栅极尺寸完全一致的热源以及分布于热源下方的一块金属块，所述的金属块与所在级的晶体管尺寸相同，厚度与所述等效版图的厚度相同，热源与金属块的材料都为金。
所述的等效版图是在放大器芯片实际版图的基础上，略去其对热分布影响小于百分之五的细节，从而等效为与实际版图具有相同拓扑结构的金属层，厚度与放大器芯片的有源区及金属互连层相同。
所述的等效热沉包括金锡合金层、钼铜、导热硅脂，金锡合金用于连接放大器芯片与钼铜，钼铜与放大器芯片一起通过导热硅脂固定在所述的恒温面上。
所述的所在级的晶体管为一个或多个晶体管。
所述的基板为砷化镓、氮化镓基板。
本发明的有益效果在于：第一、整个仿真过程在芯片流片之前，为芯片的设计提供热特性参考，可以节约成本与时间，提高芯片设计的效率。第二、整个建模过程简单方便，可以适用于多款仿真软件。第三、等效的模型能够准确模拟放大器芯片的热特性，从而由管芯的阈值温度精确地估算出放大器芯片的阈值功率，结果准确可靠，节约成本，经济实用。第四、本发明模型适合于目前几乎所有的商业热分析软件。
附图说明
图1 是基于一种放大器芯片管芯热仿真模型的等效方法的等效模型的示意图；
图2 是管芯的等效原理图；
图3 是实施例1 的有源区及金属互连层的示意图；
图4 是实施例2的有源区及金属互连层的示意图；
附图标记说明：1、有源区及金属互连层；2、基板；3、金属过孔；4、背金；5、等效管芯；6、等效版图；7、热源；8、金属块；9、金锡合金；10、钼铜；11、导热硅脂；12、恒温面。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
    本实施例是一个0.1瓦K波段的功放芯片，如图1所示，它包括等效放大器芯片和等效热沉。等效放大器芯片包括有源区及金属互连层1、砷化镓基板2、金属过孔3、背金4。其中有源区及金属互连层1包括等效管芯5和等效版图6。等效版图6分布于等效管芯5的周围。有源区及金属互连层1分布在砷化镓基板2上表面。金属过孔3内置于砷化镓基板2中。背金4紧贴砷化镓基板2的下表面。等效热沉包括金锡合金层9、钼铜10、导热硅脂11。金锡合金9用于连接放大器芯片与钼铜10，钼铜10与放大器芯片一起通过导热硅脂11固定在恒温面12上。
如图3 所示，其为0.1瓦K波段的三阶功放芯片的有源区及金属互连层1，其包括等效管芯5和等效版图6。如图2所示，由于整个管芯最热的区域在栅极的下方，两侧呈现对数函数递减，所以等效管芯5是根据晶体管的热分布特性将其等效为一个与晶体管栅极尺寸完全一致的热源7以及分布于热源下方的一块金属块8。其所得到的热分布与晶体管的实际的热分布相同。其中分布于热源下方的金属的尺寸与所有晶体管的尺寸相同，其厚度与版图的厚度相同。热源与热源下方的金属的材料都为金。等效版图6是在放大器芯片实际版图的基础上，略去其对热分布影响小于百分之五的较小的细节，从而等效为与实际版图具有相同拓扑结构的金属层。其厚度与放大器芯片的有源区及金属互连层1相同。
根据ANSYS ICEPAK 对0.1瓦K波段的三阶功放芯片的仿真结果图得知，其温度最高处位于第三级管芯处，因为第三级管芯的功耗最大。其最高温度为97.8573℃。通过红外热成像技术的实测温度为97.86℃，仿真与实测的误差为0.001％，远小于传统仿真的误差10％。
实施例2
本实施例是一个0.5瓦Ka波段的三阶驱放芯片，如图1所示，它包括等效放大器芯片和等效热沉。等效放大器芯片包括有源区及金属互连层1、砷化镓基板2、金属过孔3、背金4。其中有源区及金属互连层1包括等效管芯5和等效版图6。等效版图6分布于等效管芯5的周围。有源区及金属互连层1分布在砷化镓基板2上表面。金属过孔3内置于砷化镓基板2中。背金4紧贴砷化镓基板2的下表面。等效热沉包括金锡合金层9、钼铜10、导热硅脂11。金锡合金9用于连接放大器芯片与钼铜10，钼铜10与放大器芯片一起通过导热硅脂11固定在恒温面12上。
如图3 所示，其为0.5瓦Ka波段的驱放芯片的有源区及金属互连层1，其包括等效管芯5和等效版图6。如图2所示，由于整个管芯最热的区域在栅极的下方，两侧呈现对数函数递减，所以等效管芯5是根据晶体管的热分布特性将其等效为一个与晶体管栅极尺寸完全一致的热源7以及分布于热源下方的一块金属块8。其所得到的热分布与晶体管的实际的热分布相同。其中分布于热源下方的金属的尺寸与所有晶体管的尺寸相同，其厚度与版图的厚度相同。热源与热源下方的金属的材料都为金。等效版图6是在放大器芯片实际版图的基础上，略去其对热分布影响较小的细节，从而等效为与实际版图具有相同拓扑结构的金属层。其厚度与放大器芯片的有源区及金属互连层1相同。
根据ANSYS ICEPAK 对0.5瓦Ka波段的三阶驱放芯片的仿真结果图得知，其温度最高处位于第三级管芯处，因为第三级管芯的功耗最大。其最高温度为136.035℃。通过红外热成像技术实测的温度为134.6℃。仿真与实测的误差为1.025％，远小于仿真误差的10％。