在電子電路設計中，開始通常假設元器件在室溫下工作。單片微波集成電路設計，尤其是，當直流電流流過體積日益縮小的器件時導致熱量成兩倍，三倍甚至四倍高于室溫，就違反了元器件在室溫下工作的假設。此種情況下會對設計工作于室溫下的元器件相位，增益，效率，噪聲和互調失真產生影響。電路設計人員需要將電——熱集成在一起的分析工具，以解決這些性能問題。

隨著雷達和通信設備功率密度的不斷增加，設備的可靠性變成了一個設計問題。基站及固定無線應用的產品生命周期要遠遠長于終端，因此，現場故障的代價是昂貴的。能夠保持超過規定的使用壽命性能的高度可靠的設備是必須的。安裝在赤道地區的基站，室外安裝的組件需要在85°C的環境下操作。為了確保能夠連續的操作，元器件的可靠性平均故障值通常需要超過106個小時。

場效應管失效與節點溫度直接相關——由流過場效應管溝道的直流電流產生熱源。為了最大限度的提高平均無故障時間，要使相對于環境的峰值節點溫度達到最小。單個設備的溫度受到與其它設備在芯片上的相對位置的影響。因此，設計者需要有一個可以快速評估一個特定的布局的峰值結點溫度的能力。一旦布局好一個器件后，有各種不同的技巧測量溫度【參考1】。然而，這并不能在設計階段提供幫助，并在幾何分辨率上有一個限制，使亞微米級別的場效應管的溝道長度的設計極具挑戰性。

節點溫度可以采用熱分析軟件確定，并可提供足夠的細節以及材料特性[參考2-4]。SYMMIC™ from CapeSym是專門為單片微波集成電路設計者設計的在設計階段使用的熱分析工具，并且此工具與AWR公司的射頻/微波設計軟件Microwave office™集成在一起。與非集成的熱求解器相比，這個集成是基于腳本的并且需要最少的人工干預。Microwave office軟件中電路的布局可以輕松的導入到SYMMIC里進行整個單片集成微波電路溫度的評估。雷達和通信系統的單片微波集成電路可以被進一步的分析來確定在單個場效應管的子系統設計對峰值節點溫度的影響。

什么使得SYMMIC不同

大多數熱分析工具是為了一般的用途而設計優化的。這種通用化，使他們難以適用于特殊問題，比如單片微波集成電路的熱行為的分析。用戶使用通用的熱軟件包的挑戰包括定義詳細的單片微波集成電路的結構布局和半導體/介質/導體層的堆棧以及射頻/直流工作條件。SYMMIC應用需要一個完全不同的方法來顯著的降低一個單片微波集成電路的設計者所面對的復雜性和障礙。

SYMMIC的基于模板的方法，允許用戶在電路布局中分別定義工藝技術和熱堆棧。不同的設計可以重復使用這些模板。一旦一個砷化鎵場效應管被定義成一個模板，例如，僅僅運行Microwave office設計環境里的一個腳本，設計者就可以方便的把射頻砷化鎵單片微波集成電路的設計轉換到熱分析。基于模板的熱設計免除電氣工程師幾乎所有的負擔，建立可靠的模擬。一般，難以設置的熱分析通常是在模板中包含的，因此，一旦為一個設計定義，工程師可以自由地操縱剩余下的設計，以探討其熱性能。了解熱邊界條件和材料性能的影響可以作為設計過程的一部分，而不僅僅將其做為設計的前期工作。SYMMIC是第一個工具，為單片微波集成電路設計帶來了熱分析。

SYMMIC也提供快速分析。對于使用多核桌面工作站和64位AXIeM、Microwaveoffice的設計者，SYMMIC可以充分利用硬件配置。下文所述的仿真案例運行在8核16GB的Windows中運行64位XP的PC上。這是極有利于考慮到熱條件以及電磁行為方面的場效應管偏置點的選擇的迭代設計流程——支持可靠性和電氣性能的單片微波集成電路的并行設計。

射頻收發器的熱分器

為了演示Microwave office和SYMMIC軟件的集成，我們用一個使用Microwave office設計的單片集成微波電路高功率放大器標準案例，作為出發點。這個設計是一個使用AWR MeSFet PdK設計的1W X-波段的功率放大器。通過在設計中復制兩個場效應管來添加一個低噪聲放大器，重新設置它們的偏置點，使它們的漏極電流是功率放大器中場效應管漏極電流的10%左右（圖1）。這個低噪放-功率放大器的單芯片的解決方案是用來設計一個集成的收發器的單片微波集成電路。必須對功率放大器到低噪放之間的熱耦合進行管理，以實現最小的噪聲系數。

圖1：AWR軟件中高功率放大器和低噪聲放大器的MMIC設計。