行內(nèi)人應(yīng)該掌握的高級(jí)防御子系統(tǒng)的熱挑戰(zhàn)

隨著小型彈藥和無(wú)人系統(tǒng)等小型外形的不斷推動(dòng)，國(guó)防部正在推動(dòng)電子系統(tǒng)集成和處理密度的界限。雖然現(xiàn)在越來(lái)越小的占地面積已成為現(xiàn)實(shí)，但通常不考慮散熱的挑戰(zhàn);然而，應(yīng)對(duì)熱量挑戰(zhàn)以確保長(zhǎng)期可靠和可重復(fù)的系統(tǒng)性能現(xiàn)在正成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中更重要的部分，特別是在考慮許多航空航天和國(guó)防系統(tǒng)必須運(yùn)行的極端溫度范圍時(shí)。為了滿足未來(lái)的系統(tǒng)尺寸，重量和功率（SWaP）需求，需要將越來(lái)越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間分配給熱挑戰(zhàn)。

集成驅(qū)動(dòng)熱挑戰(zhàn)

進(jìn)一步回顧這一挑戰(zhàn)，考慮一個(gè)典型的射頻接收器和發(fā)射器，它可以作為軍用無(wú)線電的基礎(chǔ)，雷達(dá)系統(tǒng)的元件數(shù)字化，或無(wú)人機(jī)或高級(jí)彈藥的通信鏈路，類似于圖1所示。取決于在運(yùn)行頻率和具體應(yīng)用方面，系統(tǒng)需要集成一系列關(guān)鍵功能和技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)最佳性能。

RF前端需要功率和低噪聲放大器，很可能基于GaAs或氮化鎵?；祛l級(jí)，中間放大器和合成器將在GaAs或SiGe上開發(fā)，數(shù)字轉(zhuǎn)換器和FPGA節(jié)點(diǎn)在CMOS上開發(fā)。這可能導(dǎo)致在信號(hào)鏈中使用四種或五種不同的技術(shù)，并且具有更多的工藝幾何變化。高度集成這些可能導(dǎo)致需要在幾平方英寸的熱通道中耗散50 W或更多。

廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的GaN基功率放大器（PA），在系統(tǒng)要求和功率密度方面存在其他挑戰(zhàn)。例如，圖2中所示的兩個(gè)GaN MMIC每個(gè)耗散80 W并且多個(gè)PA組合在一起。

為了優(yōu)化SWaP和成本，需要徹底了解熱設(shè)計(jì)。將關(guān)鍵部件的溫度保持在其操作范圍內(nèi)。從熱學(xué)角度來(lái)看，每種技術(shù)和應(yīng)用都有其自身的挑戰(zhàn)，但降低SWaP的動(dòng)力集中了熱密度。因此，需要從多個(gè)角度審查散熱，因?yàn)樵贛MIC的柵極中產(chǎn)生的熱量通過(guò)多個(gè)層和界面以連續(xù)鏈的形式流動(dòng)，直到它最終到達(dá)與周圍環(huán)境的連接點(diǎn)。必須檢查整個(gè)鏈的系統(tǒng)熱優(yōu)化，SWaP和成本。

雖然對(duì)系統(tǒng)尺寸減小的關(guān)注肯定會(huì)使熱挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜，但是先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)可以立即減輕并增加設(shè)備集成。先進(jìn)的SiGe和CMOS節(jié)點(diǎn)通過(guò)增加集成數(shù)字信號(hào)處理功能，可顯著降低功耗，從而提高集成度。這支持增強(qiáng)的功能，通常與上一代架構(gòu)的功率相同。 GaN器件的較高結(jié)溫降低了這些單個(gè)元件的冷卻要求。但是，流程節(jié)點(diǎn)遷移不足以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)小型化似乎變得更快的熱挑戰(zhàn)。

模擬是關(guān)鍵

雖然原型構(gòu)建和測(cè)試在確認(rèn)設(shè)計(jì)假設(shè)方面仍然至關(guān)重要，但開發(fā)時(shí)間和高成本會(huì)妨礙基于硬件測(cè)試的高效優(yōu)化。因此，詳細(xì)的模擬是必不可少的，可以快速評(píng)估多個(gè)系統(tǒng)的變化。需要從整個(gè)系統(tǒng)的角度評(píng)估系統(tǒng)權(quán)衡。需要多個(gè)模型水平和工具，因?yàn)閹缀涡螤羁梢詮膩單⒚组T到儀表外殼擴(kuò)展六個(gè)數(shù)量級(jí)，并且發(fā)揮中的發(fā)熱和傳遞機(jī)制可以包括傳導(dǎo)，對(duì)流，輻射和EM能量。建模和仿真方法可實(shí)現(xiàn)快速性能和成本權(quán)衡，從器件門級(jí)到系統(tǒng)級(jí)元件布局，零件設(shè)計(jì)和材料選擇，或風(fēng)扇和散熱器規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化。

最大度數(shù)自由來(lái)自系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，他們對(duì)整個(gè)系統(tǒng)鏈進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，從MMIC門級(jí)到周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全面的權(quán)衡。圖3顯示了系統(tǒng)，電路板和芯片級(jí)仿真的示例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱挑戰(zhàn)的完整系統(tǒng)方法，仿真結(jié)果可能會(huì)影響器件位置和器件修改。

完成這種收縮分析通常需要多個(gè)模型和軟件包。專門的分析技術(shù)，如用于流體/空氣對(duì)流的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）代碼或RF損耗的電磁仿真，每種技術(shù)之間需要進(jìn)行切換。

例如，用于雷達(dá)或電子戰(zhàn)系統(tǒng)的機(jī)架式空氣冷卻大功率固態(tài)放大器可能需要以下內(nèi)容：

微米級(jí)有限元分析（FEA）

用于確定射頻線路中產(chǎn)生的功率的電磁損耗分析

底盤有限元分析

氣流和氣流的CFD分析對(duì)流到環(huán)境條件

最大溫度增量通常發(fā)生在最大熱濃度的位置，最終靠近閘門。在圖2中，通常70％的溫度從環(huán)境溫度升至結(jié)點(diǎn)是在MMIC內(nèi)。在某些情況下，雷達(dá)系統(tǒng)的功率密度現(xiàn)在超過(guò)6 W / mm，這使得模擬權(quán)衡變得更加關(guān)鍵。

選擇正確的材料

選擇和使用用于散熱的非常高的導(dǎo)熱材料顯然是至關(guān)重要的。例如，用于雷達(dá)的最新功率放大器中使用的高功率密度GaN管芯 - 基板通常是SiC，第一附著層是AuSn焊料。超過(guò)0.005“的材料，熱通量密度可從13,000 W /mm2降低到24 W /mm2。隨著熱量繼續(xù)流過(guò)系統(tǒng)，其擴(kuò)散將繼續(xù)降低其磁通密度。但是，材料的選擇嚴(yán)重受熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配，對(duì)地電導(dǎo)率以及操縱材料的成本和能力的限制。

CTE不匹配會(huì)導(dǎo)致基板開裂或粘接層（如焊料和環(huán)氧樹脂）脫層。冷藏和工作溫度是航空航天和國(guó)防系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵方面，往往會(huì)產(chǎn)生最大的CTE驅(qū)動(dòng)應(yīng)力，因?yàn)楹噶虾铜h(huán)氧樹脂設(shè)計(jì)用于在高溫下加工。如果分離處于高熱濃度區(qū)域 - 例如直接在高功率FET下，即使溫和的分層也會(huì)對(duì)模具的熱性能產(chǎn)生災(zāi)難性影響。將被測(cè)設(shè)計(jì)的IR圖像上的熱點(diǎn)溫度與相同設(shè)計(jì)的已知良好圖像進(jìn)行比較是在評(píng)估新材料時(shí)識(shí)別早期分層的有用方法。環(huán)氧和燒結(jié)銀制造商正在開發(fā)具有較低彈性模量的產(chǎn)品，以吸收CTE應(yīng)力，同時(shí)仍保持相對(duì)良好的熱性能。靠近模具的導(dǎo)熱性是一個(gè)關(guān)鍵的材料研究領(lǐng)域，具有極高的導(dǎo)熱性材料，如金剛石。

成本和SWaP的材料優(yōu)化

隨著防御系統(tǒng)繼續(xù)看為了降低SWaP和成本，在成本，重量和尺寸目標(biāo)方面的性能權(quán)衡決策總是在系統(tǒng)架構(gòu)和熱權(quán)衡中交織在一起。金剛石復(fù)合材料等材料的使用似乎很難證明是合理的，然而，即使是散熱器中的這些材料中的一小部分，在模具附近的高熱量區(qū)域也可以大大降低設(shè)備溫度并節(jié)省其他部件的成本和重量。圖4比較了在鋁基底上用CuW載體建模的60 W GaN管芯與在鋁基底上的銅嵌件上的金剛石鋁基質(zhì)材料載體相比較。后者將結(jié)溫降低了37°C以上，提高了系統(tǒng)性能和壽命，同時(shí)還可以在系統(tǒng)的其他地方實(shí)現(xiàn)其他SWaP和成本權(quán)衡。

在其他示例中，對(duì)流冷卻系統(tǒng)（例如安裝在機(jī)架上的系統(tǒng)）可能受到散熱器底座上的大溫度增量以及散熱片到周圍空氣的挑戰(zhàn)。散熱器和風(fēng)扇選擇具有顯著的成本和性能影響，還需要從系統(tǒng)級(jí)角度進(jìn)行指定。對(duì)于給定的散熱器體積，更好的性能是由更高的對(duì)流傳熱速率驅(qū)動(dòng)的，這需要更大的背壓，例如來(lái)自更緊密的通道或破壞邊界層的交錯(cuò)/開槽翅片，這反過(guò)來(lái)需要更大且更耗電的風(fēng)扇。風(fēng)扇的選擇也會(huì)影響性能，軸流風(fēng)機(jī)通常最容易設(shè)計(jì)并為低壓系統(tǒng)提供高容量，而離心式風(fēng)機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)能夠承受更高的壓力，但體積更小。

最后，散熱片材料的選擇范圍可以顯著影響成本，但在許多情況下，使用切削銅散熱片似乎提供了良好的性能和成本平衡。嵌入式熱管也可以是極佳的低重量設(shè)備，可大大提高散熱器基板的有效導(dǎo)熱性，但它們不適用于所有具有高 g 力環(huán)境的環(huán)境作為特定問題。

解決今天的挑戰(zhàn)

雖然看起來(lái)熱挑戰(zhàn)在許多權(quán)衡中是不祥的，但使用系統(tǒng)方法可以實(shí)現(xiàn)平衡成本，尺寸和性能的解決方案。先進(jìn)的仿真為快速?zèng)Q策提供了支柱，可以實(shí)現(xiàn)從模具中的澆口級(jí)到整個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)分析，以及散熱器和散熱器的影響。使用這些先進(jìn)的模擬，可以進(jìn)行其他權(quán)衡，從材料選擇到冷卻技術(shù)和最佳布局。

在MMIC級(jí)別和系統(tǒng)級(jí)別做出設(shè)計(jì)決策，使高熱量集中系統(tǒng)成為可能。 KHPA-0811W 2 kW固態(tài)功率放大器和HMC7056集成上變頻器和PA說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)級(jí)散熱解決方案的示例。兩個(gè)示例均采用最新的MMIC工藝，MMIC設(shè)計(jì)，基板和布局均受到全系統(tǒng)熱分析的影響。兩者都需要詳細(xì)的仿真分析，仔細(xì)的元件集成，布局以及材料選擇，以便為便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的HMC7056平衡性能和成本。

顯然，系統(tǒng)和MMIC設(shè)計(jì)都在控制之下同一設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)幫助實(shí)現(xiàn)這些權(quán)衡，最終為未來(lái)的航空航天和國(guó)防系統(tǒng)提供最高可靠性，成本和性能優(yōu)化的解決方案。