[实用新型]无基板高散热性的多芯片线性功率放大器结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及线性功率放大器的结构，具体的一种无基板高散热性的多芯片功率放大模块。

背景技术

射频发射前端模块是射频终端器件实现信号传输的关键元器件。当前随着全球无线通信用户的快速增长及用户对无线通信的更高端的体验需求，市场对无线通信的带宽的需求快速增长。为了解决这种市场需求，全球开放出来的专用无线通信频段越来越多并且越来越拥挤。频段利用率高的调制解调方式，例如：3G的宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access,WCDMA),带码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA),时分同步码分多址(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access,TD-SCDMA),以及逐渐取代3G技术成为市场主流的4G技术的Long term evolution,LTE包括成对频谱模式(Frequency domain duplexing,FDD)及非成对频谱模式(Time domain duplexing,TDD)。这些频段利用率高的各种调制解调方式都对无线通信终端提出更高的要求，例如：高质量的语音通话，减少数据通信中的错误，快速的语音数据传输的切换，等等。

对于射频发射前端的主力元器件射频功率放大器及其模块来说，就意味着在新的频段利用率高的调制解调方式下，功率放大器必须具有较高的线性度来保障射频信号能够放大传输并且能够尽量少信号失真。一般功率放大器的高线性度意味着降低其输出功率来减少输出晶体管器件的非线性谐波的产生。功率放大器是无线通信连接中的一个核心元件，并且是以独立的模块的形式出现在无线通信系统之中。现有的功率放大器一般采用多元件集成在一个基板上形成一个模块(MCM)，其模块中可能包含不局限于以下的多个元件：功率放大器芯片，功率模式控制电路通常是CMOS工艺，输出匹配电路可以采用无源分立元件或半导体无源器件，射频开关通常是采用GaAs pHEMT工艺或是SOI技术。各个芯片与基板的连接方式基本有两种，一种是通过飞线技术连接芯片上的焊盘和基板上的焊盘节点，另一种是倒装芯片技术通过芯片上的金属凸点和基板上的节点直接通过焊锡或是铜柱对接。然而由于功率放大芯片本身的发热量大，器件的散热性将直接影响到线性度和放大效率，所以散热能力往往是功率放大器设计时需要重点考虑的因素。同时，随着芯片的尺寸向更小的方向发展，互连部分与射频电路之间的耦合对器件性能的影响也变得越来越大。

在现有的产品设计中，一般芯片与基板的连接方式基本有两种，一种是通过飞线技术连接芯片上的焊盘和基板上的焊盘节点，另一种是倒装芯片技术通过芯片上的金属凸点和基板上的节点直接通过焊锡或是铜柱对接。以常见无线通信功率放大器输出级连接方式为例，市场上已有的大部分功率放大器是通过飞线技术把功率放大器芯片与基板实现连接，如图1所示。有的接地方式也可能是采用晶圆贯通接地TWV，如图2所示。这两种连接方法普遍用于线性放大器的设计。但是无论是飞线或者晶圆贯通接地方式散热效果都不理想，因为商业HBT晶体管的发射极大多在晶体管多层材料的最上层，电流需要通过飞线或晶体管发射极之下的多层材料包括基级层，集电极层，衬底层，然后通过晶圆背面的金属镀层接地，热量传递到基板焊盘，再通过基板的过孔和多层金属布线，将热量传导至基板表面。这样长的一个通路会引起电感以及电阻过大，从而导热效率很差。

另一种市场常见芯片连接采用倒装芯片技术通过芯片上的金属凸点和基板上的节点直接通过焊锡或是铜柱对接。这种方式常见于多管脚的高性能处理器芯片，近来市场上逐渐出现功率放大器的电路通过倒装芯片技术把功率放大器芯片与基板实现连接。这种设计如图3所示，倒装芯片接地节点通过很大面积的焊锡或是铜柱与基板焊接接地，热量可直接从芯片表面传递到基板焊盘，再通过基板的过孔和多层金属布线，将热量传导至基板表面。由于芯片发热不需要经过很长的路径即可传导至基板，所以相比飞线方式设计，散热效果更好一些。但是不足之处在于热量仍然要经过基板内部多层布线和过孔才能传递至基板表面。因此，对于多层基板设计，散热性能将会是很大的挑战。

以上两种连接方式都在芯片和基板之间增加了额外的互连结构，不仅在生产成本和效率方面受到影响，更重要的是由于互连结构所带来的耦合、插损等一系列性能方面的问题，随着芯片尺寸的减小而越来越被大家重视。

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