為什么熱管理是5G設計中的熱門話題

5G 技術有望提供延遲小于 1 毫秒的無線通信、100 倍的網絡能效提升以及高達每秒 20 吉比特 (Gbit/s) 的數據速率。

最近，IDTechEx 發(fā)布了一份關于從熱管理角度看 5G 技術創(chuàng)新和增長機會的報告。根據這項研究，基于 GaN 的功率放大器 (PA)、無壓銀燒結等芯片貼裝解決方案以及熱界面材料可以在解決 5G 技術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 成為現實的一項關鍵技術是具有全維自適應波束成形的大規(guī)模 MIMO。MIMO 系統采用天線陣列來減少用戶間干擾、增加網絡容量并實現波束成形。下圖顯示了一個具有 4×4 天線陣列的系統。

描述高度集成的包如何產生設計問題。圖片由Rick Sturdivant提供

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

為避免 5G 頻率范圍內的信號完整性問題，重要的是將天線的不同電路元件集成到單個芯片中，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 個收發(fā)器芯片。

這種復雜程度會導致系統耗電，其中熱管理至關重要。

例如，這種設計為在 30 GHz 下運行的系統可能具有大約 1 W/cm2 的熱密度（4 cm2 的電路板產生 4 W 的熱量）。這甚至可以被視為相對低功耗的應用程序。

未來的 5G 網絡有望采用具有數百個天線元件的大規(guī)模 MIMO，以補償較大的傳播損耗并實現高效的頻率使用。這些網絡的熱管理將帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。

GaN：從根本上更適合 5G

功率放大器是 RF 收發(fā)器中最耗電的構建模塊，在傳輸時可占總功耗的 75%。毫米波功率放大器的局部熱通量可高達每平方厘米數千瓦。

要使 5G 成為現實，PA 器件技術以及創(chuàng)新的電路結構必不可少。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 技術使我們能夠在很寬的頻率范圍內擁有更高的效率。

選擇熱結構

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。事實上，如果沒有高效的熱結構，產生的熱量會給 GaN 器件帶來壓力并限制其 RF 性能。例如，受熱限制的 GaN 器件可能會降低增益、輸出功率和效率。進一步的熱應力最終會導致可靠性問題。

根據應用的熱密度，可以選擇合適的熱結構。例如，對于大約 1 W/cm2 的熱密度，基于自然對流現象的冷卻配置可能適用。在更高的熱密度下，可能需要強制風冷或液冷配置。

嵌入式散熱研究

除了這些傳統方法之外，還有一些先進技術試圖降低大功率芯片與冷卻劑之間的熱阻，以實現更高效的熱管理解決方案。

事實上，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）的微觀間隙來實現的。在芯片內部，液體冷卻劑吸收熱量并變成氣相。然后蒸汽被轉移到芯片的外部，在那里它重新凝結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