低损耗高隔离的倒装芯片小节点阵列射频开关及其移动终端的制作方法

本实用新型涉及一种射频开关，具体的说是一种采用高密度小节点的倒装芯片工艺，并具有低损耗高隔离以及平衡散热的射频开关及其移动终端。

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。手机无线通信频段主要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。满足全网通的射频前端模块在众多拥挤的频段(例如4G LTE有多于40个频段)都能工作，其中必需多个射频开关芯片来满足频段通路的选择来配合射频前端的射频功率放大器。

由于射频开关通常在射频功率放大器之后，在天线之前，对于射频发射前端的主力元器件之一射频开关及其模块来说，就意味着在新的更高频更拥挤的频段以及频段利用率高的调制解调方式下，射频开关必须具有较低的插入损耗，较高的隔离，较高的线性度来保障射频信号能够传输并且能够尽量减少信号失真及避免信号受到的干扰。一般射频开关可以是以独立的芯片或是模块的形式出现在无线通信系统之中，也可以与功率放大器，滤波器等其它射频元器件集成在一个模块中。现有的功率放大器模块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，滤波器芯片以及射频开关芯片。该射频开关芯片通常是采用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。

图1显示了常见的射频开关，a是单刀双掷开关，b是单刀多掷开关，c是双刀双掷开关,d是双刀多掷开关。以常见射频开关的连接方式为例，市场上已有的大部分射频开关是通过飞线技术把射频开关芯片与基板实现连接，这种情况下其中射频开关接地方式大部分是飞线连接到基板的地线上。以简单的单刀双掷射频开关为例，图2显示的是市场现有多数射频开关的接地设计。图2中201，202，……,20(N-1),20N(其中N是大于1的整数,一般由该射频开关的应用及最大功率决定)是市场常见的射频开关的一条串联通路中的大晶体管的基本单元，211，212，……,21(N-1),21N是另一条串联通路中的大晶体管的基本单元。221，222，……,22(N-1),22N是射频开关发射端(TX)一条并联通路中的晶体管的基本单元，231，232，……,23(N-1),23N是射频开关接收端(RX)一条并联通路中的晶体管的基本单元，241，242，……,24(N-1),24N是射频开关天线端(ANT)一条并联通路中的晶体管的基本单元。以上每个基本单元可以由单晶体管组成也可能由多个更小的基本开关晶体管单元并联组成。22(N+1)及24(N+1)代表射频开关芯片上的接地焊盘GND，在GaAs pHEMT工艺或是SOI工艺里是通过该焊盘(bond pad)飞线到基板上的地线。200，20(N+1)，210，21(N+1)代表了射频开关射频信号输入输出端在芯片上的焊盘bond pad,射频信号输入输出都是通过这几个芯片上焊盘bondpad飞线连接到基板上放大器的负载输出匹配网络以及天线端或是后置芯片的输入端口。这种连接方法普遍用于射频开关的设计。但是这种飞线连基板接地方式散热效果不佳，飞线自身电感较大，也有一定的插入损耗，从而导致射频开关的插入损耗未能优化。

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球或是铜柱对接。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射频开关的电路通过倒装芯片技术把该射频开关芯片与基板实现连接。这种设计一般是如图2的飞线连接工艺直接到倒装芯片的简单改造而成。以简单的单刀双掷射频开关为例，如图3所示，301，302，……,30(N-1),30N(其中N是大于1的整数,一般由该射频开关的应用及最大功率决定)是市场常见的射频开关的一条串联通路中的大晶体管的基本单元，311，312，……,31(N-1),31N是另一条串联通路中的大晶体管的基本单元。321，322，……,32(N-1),32N是射频开关发射端(TX)一条并联通路中的晶体管的基本单元，331，332，……,33(N-1),33N是射频开关接收端(RX)一条并联通路中的晶体管的基本单元，341，342，……,34(N-1),34N是射频开关天线端(ANT)一条并联通路中的晶体管的基本单元。以上每个基本单元可以由单晶体管组成也可能由多个更小的基本开关晶体管单元并联组成。32(N+1)及34(N+1)代表射频开关芯片上的接地倒装节点GND，在GaAs pHEMT倒装工艺或是SOI倒装工艺里是通过该节点经过焊锡球或是铜柱连接到基板上的地线。300，30(N+1)，310，31(N+1)代表了射频开关射频信号输入输出端在芯片上的倒装节点,射频信号输入输出都是通过这几个芯片上倒装节点经过焊锡球或是铜柱连接到基板上放大器的负载输出匹配网络以及天线端或是后置芯片的输入端口。这种连接方法开始逐渐应用于高集成度模块的射频开关的设计。较飞线连基板接地方式这种倒装节点接地散热效果更佳，焊锡球或是铜柱的自身电感较飞线小，这种倒装芯片设计的射频开关的插入损耗比飞线连接的射频开关更优化。但是这种设计方案的缺点是由于倒装芯片节点的大小统一(一般为较大的节点)，导致实际设计射频开关的版图中的倒装节点过大而引起了与射频开关的串联或是并联通路的耦合作用，这种耦合作用在复杂倒装芯片的射频开关中更为常见，结果导致射频开关的最大可工作功率以及线性度大大降低。

技术实现要素：

本实用新型为解决上述现有技术中存在的不足之处，提供了一种低损耗高隔离的倒装芯片小节点阵列射频开关及其应用，以期减少射频开关电路中接地的插入损耗以及电感，同时能提高射频开关的隔离性能；从而提高射频开关的最大可工作功率以及线性度。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型一种低损耗高隔离的倒装芯片小节点阵列射频开关，包括：M个串联通路、Q个并联通路和负载匹配电路；

任意第i个串联通路包含N_i个串联的晶体管单元；任意第i个串联通路的第1个串联的晶体管单元的漏极连接射频信号的输入端口；第N_i-1个晶体管单元的源极连接到第N_i个晶体管单元的漏极；任意所述第N_i个晶体管单元的源极连接所述射频信号的第i个输出端口；

任意第j个并联通路有N_j个串联的晶体管单元；任意第j个并联通路的第1个串联的晶体管单元的漏极分别连接所述射频信号的第j个输出端口；第N_j-1个晶体管单元的源极连接到第N_j个晶体管单元的漏极，任意所述第N_j个晶体管单元的源极接地；1≤i≤M且M≥2；1≤j≤Q且Q≥1；N_i≥2；N_j≥2；

所述射频信号从所述M个串联通路的第i个串联通路的第1个串联的晶体管单元的漏极进入并经过N_i个串联的晶体管单元后，输出至所述射频信号的第i个输出端口；

由所述倒装芯片射频开关的逻辑控制电路控制所述倒装芯片射频开关上所有晶体管单元的栅极，从而选择所述射频信号在所述M个串联通路中的开关路径；

所述负载匹配电路对经过所述M个串联通路中选定的开关路径后的射频信号进行负载优化匹配后输出至天线；其特点是：

设置一组地线GND节点；所述地线GND是由Q个倒装芯片小节点阵列组成，并分别设置在Q个并联通路的接地端；其中，第j个倒装芯片小节点阵列与第j个并联通路的接地端相连；

设置一组射频信号节点，所述射频信号节点为M个串联通路的输入输出端口，并由M+1或是M+2个倒装芯片小节点阵列组成，其中，M个装芯片小节点阵列分别设置在射频信号的M个输出端口上；第i个倒装芯片小节点阵列与第i个串联通路的输出端口相连接；若所述倒装芯片射频开关为单刀多掷开关，则在所述射频信号的输入端口上设置一个倒装芯片小节点阵列；若所述倒装芯片射频开关为双刀多掷开关，则在所述射频信号的输入端口上设置两个倒装芯片小节点阵列。

本实用新型所述的倒装芯片小节点阵列射频开关的特点也在于：所述倒装芯片小节点阵列为一个小倒装节点，或为大于等于2个的小倒装节点组成；所述小倒装节点为直径小于60微米的圆柱；

本实用新型一种移动终端的特点是：所述移动终端具有如权利要求1或2所述的倒装芯片小节点阵列射频开关。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、相比市场上大多数射频开关采用飞线连接而言，本实用新型的倒装芯片射频开关采用高密度小倒装节点即倒装芯片小节点阵列连接射频开关的接地端，以减少射频开关电路中接地的插入损耗以及电感，采用单个或是高密度多个倒装小节点连接射频开关的信号输入输出端口，以降低其与射频开关的串联或是并联通路的耦合作用，这种设计不但减少了飞线的使用，减少了射频开关芯片的面积，而且减少了模块的面积，同时大大减少了接地的电阻以及电感，从而能更平衡散热，提高了射频开关的插入损耗性能，提高了集成射频开关的射频模块的效率，使模块产品集成度更高，成本更低。

2、本实用新型的倒装芯片射频开关采用高密度小倒装节点，相比市场上有些射频开关采用统一大小的大倒装节点而言，在射频开关电路接地处采用高密度多个倒装小节点的设计方案，能够大大减少射频开关并联通路接地的电阻以及电感，从而提高了射频开关的隔离特性，同时减少了射频开关的插入损耗。本实用新型由于采用了统一的小倒装节点，无论射频开关采用基于SOI半导体的制程，还是三五族复合半导体材料(例如GaAs pHEMT)的制程，都避免了由于不均匀节点产生的半导体表面应力，从而避免了由封装影响到半导体的导电特性。采用本实用新型的统一高密度小倒装节点的倒装芯片工艺在能够提高射频开关的射频性能的基础上，可以较少的影响其批量生产的产品良率。在实际应用中，这种倒装工艺能够更平衡的散热，同时能够提高射频开关的最大工作功率，也能提高射频开关的线性度。

3、由于射频芯片的集成度比较高，多个串联通路和并联通路密集排列在很小的芯片面积上，现有的统一的倒装芯片技术采用统一的较大的倒装节点，具体的设计版图中较大的倒装节点常常与其它射频通路过近，导致很多射频信号的耦合从而降低了射频开关的隔离程度，过多的耦合同时会降低该射频开关的最大工作功率以及线性度。本实用新型的倒装芯片射频开关采用的统一大小的一种小倒装节点的设计，多小节点接地能够保持既有的射频开关并联通路的电阻和电感，能够以较小的倒装节点来连接射频信号的输入输出端口，从而减小了该倒装节点与其它射频开关通路的耦合。综合所述，高密度小倒装芯片节点的设计能够提高射频开关的隔离特性，减小了插入损耗，提高了射频开关的最大输出功率和线性度。

4、市场上述方案中的射频开关设计不仅仅针对2G网络，3G网络，或是4G网路，在其它无线通信标准下(例如ZigBee，WiFi，WLAN,Bluetooth，等等)也能提高射频性能。本实用新型的射频开关可以通过倒装芯片工艺以及采用统一的高密度小倒装节点，在不影响该射频开关的量产良率以及产品可靠性的基础上，通过提高射频开关的插入损耗，提高了射频开关的隔离程度，降低该射频开关传输通路与其它通路的耦合程度，最终可以提高该射频开关在不同模式下和/或不同通信制式下的射频性能，提高了集成该射频开关的射频模块的模块效率。

5、市场上使用现有方案中的移动终端，需要多个射频开关芯片或是射频开关模块来实现射频通路的选择和转换。本实用新型的射频开关，可以使移动终端减少面积/体积，可以节省移动终端的成本，同时由于其更好的射频开关性能(低损耗高隔离)，从而在各种射频系统中提高了移动终端的线性度以及移动终端的效率。

附图说明

图1为常见的射频开关的示意图；

图2为现有采用飞线技术的射频开关原理图；

图3为现有采用倒装芯片技术的射频开关原理图；

图4a为本实用新型的倒装芯片技术单刀多掷射频开关的示意图；

图4b为本实用新型的倒装芯片技术采用高密度小倒装节点的单刀多掷射频开关的一个串联通路与一个并联通路示意图；

图5为本实用新型的一种倒装芯片技术的单刀双掷射频开关采用高密度小节点的原理图；

图6为本实用新型的另一种倒装芯片技术的单刀双掷射频开关采用高密度小节点的原理图；

图7为现有采用统一大倒装节点的倒装芯片技术的单刀双掷射频开关版图示意图；

图8为本实用新型采用高密度小倒装节点的倒装芯片技术应用在单刀双掷射频开关的版图示意图；

图中标号：a，单刀双掷；b，单刀多掷；c，双刀双掷；d，双刀多掷。

具体实施方式

本实施例中，一种低损耗高隔离的倒装芯片小节点阵列射频开关，是利用至少两个射频开关电路形成的射频通路以串联或是并联的通路方式连接，通过倒装芯片的技术对射频开关和基板进行连接，对该射频开关中各个输入输出端口以倒装小节点连接，对该射频开关中各个并联通路接地采用高密度多个倒装小节点连接。该射频开关由于采用了统一大小的一种倒装小节点的倒装芯片技术，在不影响该射频开关的量产良率以及产品可靠性的基础上，通过提高射频开关的插入损耗，提高射频开关的隔离程度，降低该射频开关传输通路与其它通路的耦合程度，最终可以提高该射频开关在不同模式下和/或不同通信制式下的射频性能，提高集成该射频开关的射频模块的模块效率。具体的说，如图4a和图4b所示，包括：M个串联通路、Q个并联通路和负载匹配电路；

任意第i个串联通路包含N_i个串联的晶体管单元；任意第i个串联通路的第1个串联的晶体管单元的漏极连接射频信号的输入端口；第N_i-1个晶体管单元的源极连接到第N_i个晶体管单元的漏极；任意第N_i个晶体管单元的源极连接射频信号的第i个输出端口；

任意第j个并联通路有N_j个串联的晶体管单元；任意第j个并联通路的第1个串联的晶体管单元的漏极分别连接射频信号的第j个输出端口；第N_j-1个晶体管单元的源极连接到第N_j个晶体管单元的漏极，任意第N_j个晶体管单元的源极接地；1≤i≤M且M≥2；1≤j≤Q且Q≥1；N_i≥2；N_j≥2；

射频信号从M个串联通路的第i个串联通路的第1个串联的晶体管单元的漏极进入并经过N_i个串联的晶体管单元后，输出至射频信号的第i个输出端口；根据设计需要该射频信号在该输出端口同时也连接到某一个并联通路的N_j个串联的晶体管单元的一端；该并联通路的N_j个串联的晶体管单元另一端接地。

由倒装芯片射频开关的逻辑控制电路控制倒装芯片射频开关上所有晶体管单元的栅极，从而具体选择射频信号在M个串联通路中的开关路径；

负载匹配电路对经过M个串联通路中选定的开关路径后的射频信号进行负载优化匹配后输出至天线；

由于射频信号在选定的开关通路中流经N_i个晶体管但没有放大并且会有因为开关自身引起的损耗即插入损耗(Insertion Loss)。因此，区别于市场现有大多数手机无线通信方案中的射频开关采用的飞线连接工艺，本实施例中，在版图上和实际电路芯片中，如图4a和图4b所示：

设置一组地线GND节点；地线GND是由Q个倒装芯片小节点阵列组成，并分别设置在Q个并联通路的接地端；其中，第j个倒装芯片小节点阵列与第j个并联通路的接地端相连；

设置一组射频信号节点，射频信号节点为射频开关串联通路的输入输出端口，并由M+1或是M+2个倒装芯片小节点阵列组成，其中，M个装芯片小节点阵列分别设置在射频信号的M个输出端口上；第i个倒装芯片小节点阵列与第i个串联通路的输出端口相连接；若倒装芯片射频开关为单刀多掷开关，则在射频信号的输入端口上设置一个倒装芯片小节点阵列；若倒装芯片射频开关为双刀多掷开关，则在射频信号的输入端口上设置两个倒装芯片小节点阵列。

具体实施中，倒装芯片小节点阵列为一个小倒装节点，或为大于等于2个的小倒装节点组成；小倒装节点为直径小于60微米的圆柱；

本实施例中，如图4a所示单刀多掷射频开关的M条串联通路，Q条并联通路，每条串联通路均有射频信号输入输出端口，每条并联通路均有接地端口。任选其中一条串联通路以及与之连接的并联通路如图4b所示，串联通路电路的射频开关电路中包含N_i个串联单位晶体管单元，该串联通路中第1个晶体管的漏极连接射频信号输入端口400a及400b，该第N_i-1个晶体管的源极连接到第N_i个晶体管的漏极，该第N_i个晶体管的源极连接射频信号输出端口40(Ni+1)a及40(Ni+1)b；该并联通路的射频开关电路中包含N_j个串联单位晶体管单元，该第1个晶体管的漏极连接射频信号输入输出端口40(Ni+1)a及40(Ni+1)b，该第N_j-1个晶体管的源极连接到第N_j个晶体管的漏极，该第N_j个晶体管的源极接地。

此外，以简单的单刀双掷开关为例，图5以及图6都显示了本实施例中的倒装芯片单刀双掷射频开关采用倒装芯片技术并且保持一种高密度倒装小节点，其中图5采用小倒装节点连接射频开关的输入输出端口，采用多个小倒装节点接地。图6采用多个小倒装节点连接射频开关的输入输出端口，采用多个小倒装节点接地。这种采用高密度多个小节点的接地连接减少接地电感以及损耗，单个小节点或是高密度小节点的射频信号输入输出的连接方式以减少耦合。

此外已有的采用倒装节点的射频开关的射频电路部分版图示意图如图7所示，其中的701/702/703/704/705/706代表市场已有的倒装芯片射频开关上的统一倒装节点，707/708是该单刀双掷开关的两条串联通路，709/710/711代表该单刀双掷开关的三条并联通路。信号输入输出节点701/702/704/705因为统一采用较大节点，导致导通通路与该大节点容易耦合，降低了该射频开关的隔离，最大工作功率以及线性度。相比之下，本实用新型采用两种大小的倒装节点的射频开关的射频电路部分版图示意图如图8所示，其中的801/802/803a/803b/804/805/806a/806b代表本实用新型的倒装芯片射频开关上的统一的小的倒装节点，807/808是该单刀双掷开关的两条串联通路，809/810/811代表该单刀双掷开关的三条并联通路。信号输入输出节点801/802/804/805因为采用采用较小节点，这同已有的倒装芯片功率放大器设计方案如图7所示采用大倒装节点不同，该小节点可以减少射频开端中导通通路与该小节点的耦合，提高了该射频开关的隔离性能，同时提高了该射频开关的最大工作功率以及线性度。此外由于并联通路接地采用高密度多个小节点(803a/803b，806a/806b)，并联通路接地电阻以及电感实际可能比图7中大节点更小，进一步降低了射频开关的插入损耗和提高的隔离性能。

此外本实用新型也可以采用局部多节点高密度节点的设计如图6所示来连接射频开关中的串联通路输入输出端口。本实用新型应用的统一的高密度小节点的倒装芯片射频开关能发挥小节点在各自通路(串联通路，并联通路)的优点，既减少了串联通路的耦合程度，又能使并联通路中的接地晶体管发射极电流流出直通过多个并联的焊锡球或是铜柱到基板接地，较短的电路通路大大提高了射频开关的隔离性能，减少了插入损耗，提高了该射频开关的最大工作功率和线性度，从而提高了集成该射频开关模块的模块效率。在实际应用中，这种倒装芯片的接地方式还能够节省芯片面积以及模块的面积。

此外本实用新型的射频开关不仅局限于上述描述的单刀双掷开关，任何其它形式的射频开关，例如单刀多掷开关(包括单刀三掷，单刀四掷，单刀五掷，单刀六掷，......单刀十掷，单刀十三掷，单刀十四掷，单刀十五掷，......等等)，双刀多掷开关，三刀多掷开关......等等在具体电路或芯片布局实现形式上的变化，都包括在本专利的涵盖范围之内。

本实用新型串联通路采用单个或多个小节点的连接方式，并联通路采用高密度小节点的接地的连接方式。其中射频开关电路的设计可以是任何适合射频开关的半导体技术，例如可以包括且不局限于CMOS的技术，SOI的技术，GaAs pHEMT的技术，GaN HEMT的技术，等等，甚至可以是多种半导体技术的组合。其中负载输出匹配电路中的阻抗元件可以是无源分立元件，或者基于半导体集成技术的无源元件，或者是基于基板工艺，但不局限于上述实现方式，也可以是上述的多种技术的组合。

本实用新型主要应用可以在射频终端设备包括并不局限于移动终端，平板电脑，笔记本电脑，车载电子的无线通信设备，物联网的无线通信设备等等。此外本实用新型的射频开关及其模块也可以应用在其它无线通信设备之中，包括并不局限于通信基站，卫星无线通信，军用无线通信设备等等。因此本实用新型所提出的技术方案，可以应用于需要射频开关芯片，射频开关模块以及集成该射频芯片或模块的其它射频模块的任何无线通信终端，并且不受具体通信频段的限制。任何在具体电路或芯片布局实现形式上的变化，都包括在本专利的涵盖范围之内。