一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法技术

本发明专利技术提供一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，包括以下步骤：S1、建立发热元器件可缩放的紧凑型模型；S2、根据芯片封装环境和版图布局，搭建芯片热电耦合参数网络；S3、对发热元器件的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中各个参数值随温度的变化关系；S4、将发热元器件可缩放的紧凑型模型和热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到晶体管的热电耦合模型。本发明专利技术将紧凑型热电耦合模型和基于热数值仿真的热电耦合模型相结合，既具有紧凑型模型求解速度快，收敛性好的优点，又能够模拟各种封装环境和不同版图布局对芯片电性能的影响，可用于优化封装环境和芯片布局。

A thermoelectric coupling model building method for MMIC design

Methods to establish the thermoelectric coupling model of the invention provides an application for MMIC design, which comprises the following steps: S1, a compact model of heating component can zoom; S2, according to the chip packaging environment and layout, build a thermoelectric coupling network chip parameters; heat transfer characteristics of S3, the heating element for thermal simulation, and according to the thermal simulation data, extraction parameters of thermoelectric coupling parameter values in the network as a function of temperature; S4, compact model and thermoelectric coupling parameters of the network connected according to the corresponding relationship between port heating elements can zoom, get the thermoelectric coupling model of the transistor. The present invention will compact thermoelectric coupling model and numerical simulation of the coupled thermo electrical model based on the combination of both has a compact solution speed model of fast convergence, good advantages, and can simulate all kinds of packaging environment and different layout effect on the electrical properties of the chip, can be used to optimize the environment and the layout of the chip package.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法
本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法。
技术介绍
对于功率放大器、大功率开关等射频微波大功率芯片，其工作时，芯片温度明显升高，因此在微波单片集成电路(MMIC)设计过程中必须考虑热效应对器件和电路性能的影响，这就要求器件模型具有描述热效应和电性能之间相互影响的功能，这种模型即所谓的热电耦合模型。晶体管作为大功率芯片中热效应最明显的器件，其热电偶合模型的精度直接影响到电路设计的成功率。目前MMIC电路设计中常用的晶体管热电耦合模型为紧凑型模型，这种模型基于晶体管的等效电路，采用一组经验公式来描述晶体管的直流、线性和非线性特性，并采用热电耦合参数来模拟热效应和电特性的相互影响，比如Angelov模型中的热阻Rth和热容Cth，以及EE-HEMT模型中的热系数Peff等。这种紧凑型热电耦合模型的优点是采用解析公式计算的方法，迭代速度快，收敛性好，而且热电耦合参数可以通过测量方法提取，参数提取容易；但它也存在一些缺点，比如这种模型没有考虑芯片封装对热阻的影响，另外随着芯片的集成密度越来越高，芯片上热源(晶体管、电阻等)之间的热耦合越来越明显，但紧凑型模型不能模拟这种热耦合效应的影响；因此，在针对不同类型的芯片封装环境以及高密度的芯片布局应用中，紧凑型热电耦合模型的模拟精度较差。为解决这些问题，出现了一种新的热电耦合模型，这种模型在模拟晶体管电性能的部分同样基于紧凑型模型的经验公式，但它并不采用热电耦合参数来模拟晶体管的热效应，而是采用热力学的数值仿真方法，得到芯片在实际封装环境和版图布局中的热分布，然后与晶体管的电性能经验公式进行迭代，直至收敛，最后得到晶体管热效应对电性能的影响。这种基于热数值仿真的热电耦合模型的优点主要是，可以模拟芯片各种封装环境和不同的版图布局的实际热效应，模型精度更高，而且模型更具有物理意义，可以用于分析晶体管和封装材料参数对晶体管性能的影响，而且可以用于优化版图布局；但这种模型的缺点也同样明显，由于每次迭代都需要进行热数值仿真，造成它的迭代速度非常慢，收敛性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，该应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法可以很好地解决现有技术中大尺寸半导体晶体管建模时，热电耦合参数和寄生参数提取困难、模型精度不高的问题。为达到上述要求，本专利技术采取的技术方案是：提供一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，提供衬底，包括以下步骤：S1、建立发热元器件可缩放的紧凑型模型；S2、根据芯片封装环境和版图布局，搭建芯片热电耦合参数网络；S3、对发热元器件的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中各个参数值随温度的变化关系；S4、将发热元器件可缩放的紧凑型模型和热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到晶体管的热电耦合模型。与现有技术相比，该应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法具有的优点如下：将紧凑型热电耦合模型和基于热数值仿真的热电耦合模型相结合，既具有紧凑型模型求解速度快，收敛性好的优点，又能够模拟各种封装环境和不同版图布局对芯片电性能的影响，可用于优化封装环境和芯片布局。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1为本专利技术公开的热电耦合模型建立方法流程示意图；图2为本专利技术实例的GaNHEMT功率放大器芯片版图布局示意图；图3为本专利技术实例的GaNHEMT晶体管小信号等效电路模型示意图；图4为本专利技术实例的功率MMIC芯片热源之间的热电耦合参数网络及其符号示意图；图5为本专利技术实例的GaNHEMT功率芯片热电耦合模型链接方式示意图。具体实施方式为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。根据本专利技术的一个实施例，提供一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤S1：建立发热元器件的紧凑型模型，包含模型参数与器件工作温度Tc的关系。本步骤中，首先要建立发热元器件的紧凑型模型，并且模型要包含模型参数与器件工作温度Tc的关系，即需要提取模型的热效应参数。一般在大功率MMIC中的发热元器件主要有晶体管、二极管、电阻等。在本实例中，以一款X波段GaNHEMT功率放大器MMIC为例，该MMIC的输出功率为10W，采用两级放大电路构成，其版图示意图如图2所示(仅画出了需要考虑热效应的HEMT器件和电阻，省略了匹配和偏置电路等)，其中第一级为驱动级，由一个HEMT器件组成(图中HEMT-1)；第二级为放大级，由四个小尺寸HEMT器件并联(分别为图中HEMT-2、HEMT-3、HEMT-4、HEMT-5)，以及HEMT与HEMT之间的六个隔离电阻共同构成(分别为图中的R1至R6)。首先要建立各个GaNHEMT器件的紧凑型模型，即非线性等效电路模型，由于实际应用中各器件的栅指数和栅宽不同，因此模型须具有栅指数和栅宽的缩放功能(scalable)；但与传统GaNHEMT非线性等效电路模型建模方法不同的是，本步骤中不用提取非线性模型的热电耦合参数，仅需提取模型的热效应参数。本实例中，由于电阻与GaNHEMT器件的距离较近，加之它自身也要发热，因此还需要考虑热效应对电阻阻值的影响，但由于电阻的热模型相对简单，并不是本实例介绍的重点，因此，本实例中，主要介绍GaNHEMT晶体管的非线性等效电路模型的建立方法。本实例中，采用GaNHEMT非线性等效电路模型的建模流程对GaNHEMT晶体管进行建模，具体包括以下步骤：步骤S11：对GaNHEMT晶体管测试结构做去嵌入处理。由于在片测试时，校准通常仅能将测试参考面移动到射频探针端面，此时测得的数据包含了测试结构的影响；为了得到实际GaNHEMT晶体管的性能参数，需要对测试结构做去嵌入处理。常用的去嵌入处理是采用开路结构和短路结构的方法，利用开路结构消除并联电容的影响，利用短路结构消除串联电感和电阻的影响。步骤S12：根据晶体管类型选取合适的晶体管等效电路拓扑。晶体管的类型包括双极晶体管，如BJT、HBT，和场效应晶体管，如MOSFET、MESFET、HEMT等；晶体管的材料包括GaAs、GaN、InP等；每种类型的晶体管对应的等效电路拓扑和参数表达式均不同。以GaNHEMT器件为实例，选取含18个参数的小信号等效电路拓扑，其中有9个本征参数和9个寄生参数。9个寄生参数为FET常规的寄生参数网络，包括栅极、漏极和源极的寄生电感、电容和电阻。本征参数网络的等效电路如图3所示，其中Crf用来模拟FET的RF和DC的色散效应。步骤S13：在多偏置脉冲电压条件下，提取GaNHEMT晶体管的小信号等效电路模型参数。本步骤中，根据步骤S12中确定的晶体管等效电路，采用常规的cold-FET和hot-FET测试方法，在多个偏置条件下，提取小信号等效电路模型中的外部寄生参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立发热元器件可缩放的紧凑型模型；S2、根据芯片封装环境和版图布局，搭建芯片热电耦合参数网络；S3、对发热元器件的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中各个参数值随温度的变化关系；S4、将发热元器件可缩放的紧凑型模型和热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到晶体管的热电耦合模型。

【技术特征摘要】
2016.12.14 CN 20161115532481.一种应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立发热元器件可缩放的紧凑型模型；S2、根据芯片封装环境和版图布局，搭建芯片热电耦合参数网络；S3、对发热元器件的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中各个参数值随温度的变化关系；S4、将发热元器件可缩放的紧凑型模型和热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到晶体管的热电耦合模型。2.根据权利要求1所述的应用于MMIC设计的热电耦合模型建立方法，其特征在于，所述步骤S2中的热电参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇波，
申请(专利权)人：成都海威华芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51