為什么熱管理是5G設(shè)計(jì)中的熱門話題

5G 技術(shù)有望提供延遲小于 1 毫秒的無線通信、100 倍的網(wǎng)絡(luò)能效提升以及高達(dá)每秒 20 吉比特 (Gbit/s) 的數(shù)據(jù)速率。

最近，IDTechEx 發(fā)布了一份關(guān)于從熱管理角度看 5G 技術(shù)創(chuàng)新和增長機(jī)會(huì)的報(bào)告。根據(jù)這項(xiàng)研究，基于 GaN 的功率放大器 (PA)、無壓銀燒結(jié)等芯片貼裝解決方案以及熱界面材料可以在解決 5G 技術(shù)的熱管理問題方面發(fā)揮重要作用。

在本文中，我們將討論為什么熱管理在 5G 中很重要，以及解決此問題的一些方法。

為什么 5G 需要更高效的熱管理？

使 5G 成為現(xiàn)實(shí)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是具有全維自適應(yīng)波束成形的大規(guī)模 MIMO。MIMO 系統(tǒng)采用天線陣列來減少用戶間干擾、增加網(wǎng)絡(luò)容量并實(shí)現(xiàn)波束成形。下圖顯示了一個(gè)具有 4×4 天線陣列的系統(tǒng)。

描述高度集成的包如何產(chǎn)生設(shè)計(jì)問題。圖片由Rick Sturdivant提供

通過數(shù)字波束成形，這些天線中的每一個(gè)都應(yīng)該有自己的射頻收發(fā)器。一個(gè)典型的 RF 單元由幾個(gè)不同的模塊組成，例如一個(gè) LNA、一個(gè) PA、兩個(gè) ADC 和 DAC，以及一些濾波器和混頻器。

為避免 5G 頻率范圍內(nèi)的信號(hào)完整性問題，重要的是將天線的不同電路元件集成到單個(gè)芯片中，并將該收發(fā)器芯片放置在靠近天線的位置。因此，對于 4×4 天線陣列，一塊板上有 16 個(gè)收發(fā)器芯片。

這種復(fù)雜程度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)耗電，其中熱管理至關(guān)重要。

例如，這種設(shè)計(jì)為在 30 GHz 下運(yùn)行的系統(tǒng)可能具有大約 1 W/cm2 的熱密度（4 cm2 的電路板產(chǎn)生 4 W 的熱量）。這甚至可以被視為相對低功耗的應(yīng)用程序。

未來的 5G 網(wǎng)絡(luò)有望采用具有數(shù)百個(gè)天線元件的大規(guī)模 MIMO，以補(bǔ)償較大的傳播損耗并實(shí)現(xiàn)高效的頻率使用。這些網(wǎng)絡(luò)的熱管理將帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

GaN：從根本上更適合 5G

功率放大器是 RF 收發(fā)器中最耗電的構(gòu)建模塊，在傳輸時(shí)可占總功耗的 75%。毫米波功率放大器的局部熱通量可高達(dá)每平方厘米數(shù)千瓦。

要使 5G 成為現(xiàn)實(shí)，PA 器件技術(shù)以及創(chuàng)新的電路結(jié)構(gòu)必不可少。從器件選擇的角度來看，基于 GaN 的解決方案可能是最佳選擇。這些器件具有低輸出電容、高輸出阻抗、高功率密度和高擊穿電壓等優(yōu)越特性。

這些特性使我們能夠擁有效率更高的大功率功率放大器。下圖比較了已發(fā)布的 PA 的輸出功率和效率。

圖片由Rui Ma提供

如您所見，GaN PA 可以在非常高的頻率下提供更高水平的輸出功率。此外，GaN 技術(shù)使我們能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)擁有更高的效率。

選擇熱結(jié)構(gòu)

盡管基于 GaN 的 PA 有可能提供更高的效率和輸出功率，但即使對于這些高性能器件，熱管理仍然具有挑戰(zhàn)性。事實(shí)上，如果沒有高效的熱結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的熱量會(huì)給 GaN 器件帶來壓力并限制其 RF 性能。例如，受熱限制的 GaN 器件可能會(huì)降低增益、輸出功率和效率。進(jìn)一步的熱應(yīng)力最終會(huì)導(dǎo)致可靠性問題。

根據(jù)應(yīng)用的熱密度，可以選擇合適的熱結(jié)構(gòu)。例如，對于大約 1 W/cm2 的熱密度，基于自然對流現(xiàn)象的冷卻配置可能適用。在更高的熱密度下，可能需要強(qiáng)制風(fēng)冷或液冷配置。

嵌入式散熱研究

除了這些傳統(tǒng)方法之外，還有一些先進(jìn)技術(shù)試圖降低大功率芯片與冷卻劑之間的熱阻，以實(shí)現(xiàn)更高效的熱管理解決方案。

事實(shí)上，研究人員正在開發(fā)具有嵌入式冷卻功能的芯片，其中熱管理是通過將吸熱介電流體泵入芯片，通過與單根頭發(fā)一樣寬（約 100 微米）的微觀間隙來實(shí)現(xiàn)的。在芯片內(nèi)部，液體冷卻劑吸收熱量并變成氣相。然后蒸汽被轉(zhuǎn)移到芯片的外部，在那里它重新凝結(jié)并將熱量排放到周圍環(huán)境。

泵送兩相冷卻回路圖。圖片由Pritish R. Parida提供

有趣的是，所使用的介電流體甚至可以接觸到芯片的電連接。因此，該技術(shù)可用于冷卻 3D 芯片堆疊，其中散熱器或冷板可能不是有效的解決方案。

審核編輯：湯梓紅