为什么热管理是5G设计中的热门话题

5G 技术有望提供延迟小于 1 毫秒的无线通信、100 倍的网络能效提升以及高达每秒 20 吉比特 (Gbit/s) 的数据速率。

最近，IDTechEx 发布了一份关于从热管理角度看 5G 技术创新和增长机会的报告。根据这项研究，基于 GaN 的功率放大器 (PA)、无压银烧结等芯片贴装解决方案以及热界面材料可以在解决 5G 技术的热管理问题方面发挥重要作用。

在本文中，我们将讨论为什么热管理在 5G 中很重要，以及解决此问题的一些方法。 

为什么 5G 需要更高效的热管理？

使 5G 成为现实的一项关键技术是具有全维自适应波束成形的大规模 MIMO。MIMO 系统采用天线阵列来减少用户间干扰、增加网络容量并实现波束成形。下图显示了一个具有 4×4 天线阵列的系统。  

描述高度集成的包如何产生设计问题。图片由Rick Sturdivant提供

通过数字波束成形，这些天线中的每一个都应该有自己的射频收发器。一个典型的 RF 单元由几个不同的模块组成，例如一个 LNA、一个 PA、两个 ADC 和 DAC，以及一些滤波器和混频器。

为避免 5G 频率范围内的信号完整性问题，重要的是将天线的不同电路元件集成到单个芯片中，并将该收发器芯片放置在靠近天线的位置。因此，对于 4×4 天线阵列，一块板上有 16 个收发器芯片。

这种复杂程度会导致系统耗电，其中热管理至关重要。

例如，这种设计为在 30 GHz 下运行的系统可能具有大约 1 W/cm2 的热密度（4 cm2 的电路板产生 4 W 的热量）。这甚至可以被视为相对低功耗的应用程序。

未来的 5G 网络有望采用具有数百个天线元件的大规模 MIMO，以补偿较大的传播损耗并实现高效的频率使用。这些网络的热管理将带来严峻的挑战。  

GaN：从根本上更适合 5G

功率放大器是 RF 收发器中最耗电的构建模块，在传输时可占总功耗的 75%。毫米波功率放大器的局部热通量可高达每平方厘米数千瓦。

要使 5G 成为现实，PA 器件技术以及创新的电路结构必不可少。从器件选择的角度来看，基于 GaN 的解决方案可能是最佳选择。这些器件具有低输出电容、高输出阻抗、高功率密度和高击穿电压等优越特性。

这些特性使我们能够拥有效率更高的大功率功率放大器。下图比较了已发布的 PA 的输出功率和效率。 

图片由Rui Ma提供

如您所见，GaN PA 可以在非常高的频率下提供更高水平的输出功率。此外，GaN 技术使我们能够在很宽的频率范围内拥有更高的效率。

选择热结构

尽管基于 GaN 的 PA 有可能提供更高的效率和输出功率，但即使对于这些高性能器件，热管理仍然具有挑战性。事实上，如果没有高效的热结构，产生的热量会给 GaN 器件带来压力并限制其 RF 性能。例如，受热限制的 GaN 器件可能会降低增益、输出功率和效率。进一步的热应力最终会导致可靠性问题。 

根据应用的热密度，可以选择合适的热结构。例如，对于大约 1 W/cm2 的热密度，基于自然对流现象的冷却配置可能适用。在更高的热密度下，可能需要强制风冷或液冷配置。 

嵌入式散热研究

除了这些传统方法之外，还有一些先进技术试图降低大功率芯片与冷却剂之间的热阻，以实现更高效的热管理解决方案。

事实上，研究人员正在开发具有嵌入式冷却功能的芯片，其中热管理是通过将吸热介电流体泵入芯片，通过与单根头发一样宽（约 100 微米）的微观间隙来实现的。在芯片内部，液体冷却剂吸收热量并变成气相。然后蒸汽被转移到芯片的外部，在那里它重新凝结并将热量排放到周围环境。

泵送两相冷却回路图。图片由Pritish R. Parida提供

有趣的是，所使用的介电流体甚至可以接触到芯片的电连接。因此，该技术可用于冷却 3D 芯片堆叠，其中散热器或冷板可能不是有效的解决方案。

审核编辑：汤梓红