CN207705195U - 一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器。所述改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器包括并联设置的多个功率单元，每个所述功率单元包括多个晶体管，相邻两个所述功率单元中晶体管的集电极均通过第一连接单元电性连接；所述第一连接单元包括从下向上依次设置的第一金属层、绝缘介质层和第二金属层，所述第一连接单元的第一层金属与降热装置相连通，所述第一连接单元的第二金属层与相邻两个所述功率单元中晶体管的集电极相连；在所述第一连接单元内，根据所述功率单元内晶体管的温度分布方向，所述第二金属层的面积沿温度降低方向逐渐减小。
Description
技术领域
本实用新型属于微波功率放大器技术领域，具体地涉及一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器。
背景技术
现代通讯要求微波功率放大器能够提供大功率输出，并同时具有良好的线性与效率。然而对于功率管，由于其衬底散热系数低，大功率的输出使得晶体管的热效应增强，形成高温有源器件，此时晶体管的性能发生退化，线性度与效率恶化，甚至在更高温条件下，其可靠性都会受到影响，因此，为得到高性能的功率放大器，应解决热效应的瓶颈效应。
现有技术中通常的做法即改善散热环境以及降低热源，如从放大器版图着手，优化散热环境，改变指间距、指长等手段获取均匀温度分布的功率单元，再者利用镇流电阻改变热电之间的负反馈作用，稳定电路。在一定的功耗条件下能够获得低温的晶体管具有重要的意义，但是其散热效果不佳。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器。
本实用新型的技术方案如下：一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器包括并联设置的多个功率单元，每个所述功率单元包括多个晶体管，相邻两个所述功率单元中晶体管的集电极均通过第一连接单元电性连接；所述第一连接单元包括从下向上依次设置的第一金属层、绝缘介质层和第二金属层，所述第一连接单元的第一层金属与降热装置相连通，所述第一连接单元的第二金属层与相邻两个所述功率单元中晶体管的集电极相连；在所述第一连接单元内，根据所述功率单元内晶体管的温度分布方向，所述第二金属层的面积沿温度降低方向逐渐减小。
优选地，所述功率单元内的多个晶体管呈直线并排排列，沿所述多个晶体管的排列方向，所述第二金属层的面积从中间向两边逐渐减小。
优选地，沿所述多个晶体管的排列方向，所述第二金属层从中间向两边呈梯状分布。
优选地，所述第一连接单元的第一金属层和第二金属层为互补结构。
优选地，相邻两个所述功率单元中晶体管的发射极通过第二连接单元电性连接，所述第二连接单元为第一金属层，所述第二连接单元的第一金属层与降热装置相连通。
优选地，所述第一连接单元和所述第二连接单元的下方设置均有多个背孔，所述第一连接单元和所述第二连接单元均所述背孔与降热装置相连通。
优选地，所述背孔均呈圆台状设置，且所述背孔的横截面积从上往下逐渐增大。
优选地，所述第一金属层和所述第二金属层的材质相同。
优选地，所述绝缘介质层的材质为Si3N4。
优选地，所述微波功率放大器为InGaP/GaAs HBT功率器件、GaN功率器件或LDMOS功率器件。
本实用新型提供的技术方案具有如下有益效果：
所述改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器热源最短路径进行散热，引入集电极金属提供到地散热路径，通过增加此条散热路径，降低改善功率单元的温度，从而得到高效率、高线性度的放大器，版图结构简单、易于实现。
同时，在第一连接单元内第二金属层可以为功率单元提供横向散热通道，从而降低功放温度，因此第二金属层为位于中间位置的晶体管提供更宽的金属散热路径，进而改善功率单元温度分布的均匀性，降低横向耦合强度；
此外，所述第一连接单元的第一金属层和第二金属层为互补结构，如此可以极大的减小了第一金属层和第二金属层之间的重叠面积，降低二者对电气性能的影响。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器的示意结构图；
图2为图1所示改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器中AA’方向的剖面示意图；
图3为图1所示改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器中BB’方向的剖面示意图；
图4为图1所示改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器中CC’方向的剖面示意图；
图5为图1所示改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器中DD’方向的剖面示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
除非上下文另有特定清楚的描述，本实用新型中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本实用新型并不对此进行限定。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
本实用新型提供的微波功率放大器可以为InGaP/GaAs HBT功率器件、GaN功率器件或LDMOS功率器件等。
如图1-5所示，本实用新型实施例提供的微波功率放大器包括并联设置的第一功率单元10、第二功率单元20及第三功率单元30，所述第一功率单元10包括呈直线并排排列设置的T1-T8共8个晶体管，所述第二功率单元20包括呈直线并排排列设置的T9-T16共8个晶体管，所述第三功率单元30包括呈直线并排排列设置的T17-T24共8个晶体管，collector为各个晶体管的集电极，emitter为发射极。每个所述功率单元内晶体管的集电极collector均电性互联，每个所述功率单元内晶体管的发射极emitter均电性互联。
可选择的，在其他可替代实施例中，所述微波功率放大器可以包括两个、四个或者至少五个功率单元，而且，每个功率单元内的晶体管的数量不限于8个，还可以为其他合适的数目，这需要根据实际设计需要进行选择，本实用新型对此不做限定。需要说明的是，每一个功率单元内晶体管均呈直线并排排列设置。
其中，本实施例中，第一功率单元10中晶体管(T1-T8)的集电极和第二功率单元20中晶体管(T9-T16)的集电极通过第一连接单元40电性连接，第二功率单元20中晶体管(T9-T16)的发射极和第三功率单元30中晶体管(T17-T24)的发射极通过第二连接单元50电性连接。
结合图2所示，第一连接单元40包括从上到下依次层叠设置的第一金属层41(M1金属层)、第二金属层42(M2金属层)、及绝缘介质层43。其中，在本实施例中，第一金属层41和第二金属层42的材质相同，仅仅厚度上不同，但是在其他实施方式中也可以设置为不同材质的金属层；绝缘介质层43的材质为Si3N4。
由于金属热导率很大，如银为420W/mK，而GaAs等半导体材料具有相对较小散热系数(GaAs为46W/mk)，因此第一金属层41和第二金属层42可以为第连接单元40提供快速散热通道。
所述第一连接单元40的第一金属层41与降热装置(图未示)相连通，所述第一连接单元40的第二金属层42分别与第一功率单元10和第二功率单元20的集电极相连。而且，在第一连接单元40内，根据所述功率单元内晶体管的温度分布方向，所述第二金属层42的面积沿温度降低方向逐渐减小。
众所周知，微波功率放大器的几何结构中，热源大小应集中于峰值电场处，在功放正常偏置下，集电结的偏压最大，发热最为厉害，因此如果对集电极做相应散热处理则可以更有效地提高散热效果。但是，考虑到集电极电气上无法与地连接，本实施例中，采用在相邻的第一功率单元10和第二功率单元20之间通过第二金属层42间接散热。
此外，在本实施例中，各个功率单元内的8个晶体管分别沿直线并排排列。由于热耦合作用，各个功率单元中间位置的温度高于边缘位置的温度。实际上，根据热分布理论可知，每一个功率单元内的温度分布从中间向两端逐渐降低，并呈对称钟状分布。
因此，考虑到晶体管之间由于横向热耦合效应造成的温度非均匀分布，且为了进一步地减小功率单元内的温度分布的不均匀性，则在所述第一连接单元40内，沿所述多个晶体管的排列方向，所述第二金属层42的面积从中间向两边逐渐减小。在本实施例中，第二金属层42可以为功率单元提供横向散热通道，从而降低功放温度，因此第二金属层42为位于中间位置的晶体管提供更宽的金属散热路径，进而改善功率单元温度分布的均匀性，降低横向耦合强度。优选地，沿所述多个晶体管的排列方向，所述第二金属层42从中间向两边呈梯状分布。
而且，在第一连接单元40中第一金属层41的下方设置有若干第一背孔44，第一连接单元40通过第一背孔44与降热装置相连通。优选地，第一背孔44呈圆台状设置，且第一背孔44的横截面积从上向下逐渐增大，在本实施例中，第一背孔44设置为两个，分别为C1、C2；可选择的，在其他可替代实施方式中，第一背孔44的数量和形状还可以设计为其他数量和形状。
此外，由于集电极不能与地连接，在第一连接单元40内，在第一金属层41和第二金属层42之间设置绝缘介质层43。由于第一金属层41、第二金属层43和绝缘介质层42之间会形成金属-介质-金属的寄生电容，因此，在本实施例中，所述第一连接单元40的第一金属层41和第二金属层42为互补结构，如此可以极大的减小了第一金属层41和第二金属层42之间的重叠面积，降低二者对电气性能的影响。而且，对第一金属层41而言，部分的纵向热流仍可以借助于第一金属层41通过第一背孔44到地散热以降低整体的温度。
结合图2所示，所述第二连接单元50包括第一金属层51，所述第二连接单元50的第一金属层51与降热装置相连通。
而且，在第二连接单元50中第一金属层51的下方设置有若干第二背孔52，第二连接单元50通过第二背孔52与降热装置相连通。优选地，第二背孔52呈圆台状设置，且第二背孔52的横截面积从上向下逐渐增大，在本实施例中，第二背孔52设置为两个，分别为C3、C4；可选择的，在其他可替代实施方式中，第二背孔52的数量和形状还可以设计为其他数量和形状。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器，其特征在于：包括并联设置的多个功率单元，每个所述功率单元包括多个晶体管，相邻两个所述功率单元中晶体管的集电极均通过第一连接单元电性连接；
所述第一连接单元包括从下向上依次设置的第一金属层、绝缘介质层和第二金属层，所述第一连接单元的第一层金属与降热装置相连通，所述第一连接单元的第二金属层与相邻两个所述功率单元中晶体管的集电极相连；
在所述第一连接单元内，根据所述功率单元内晶体管的温度分布方向，所述第二金属层的面积沿温度降低方向逐渐减小；所述第一连接单元的第一金属层和第二金属层为互补结构。
2.根据权利要求1所述的一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器，其特征在于：所述功率单元内的多个晶体管呈直线并排排列，沿所述多个晶体管的排列方向，所述第二金属层的面积从中间向两边逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器，其特征在于：沿所述多个晶体管的排列方向，所述第二金属层从中间向两边呈梯状分布。
4.根据权利要求1所述的一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器，其特征在于：相邻两个所述功率单元中晶体管的发射极通过第二连接单元电性连接，所述第二连接单元为第三金属层，所述第二连接单元的第三金属层与降热装置相连通。
5.根据权利要求4所述的一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器，其特征在于：所述第一连接单元和所述第二连接单元的下方设置均有多个背孔，所述第一连接单元和所述第二连接单元均所述背孔与降热装置相连通。
6.根据权利要求5所述的一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器，其特征在于：所述背孔均呈圆台状设置，且所述背孔的横截面积从上往下逐渐增大。
7.根据权利要求1所述的一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器，其特征在于：所述第一金属层和所述第二金属层的材质相同。
8.根据权利要求1所述的一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器，其特征在于：所述绝缘介质层的材质为Si3N4。
9.根据权利要求1所述的一种改善功率单元温度均匀性的微波功率放大器，其特征在于：所述微波功率放大器为InGaP/GaAs HBT功率器件、GaN功率器件或LDMOS功率器件。
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