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为什么热管理成为5G设计的热门话题

2020年10月21日通过史蒂夫asrar

随着5G技术的发展,工程师们越来越多地讨论这项技术的主要设计挑战之一:热管理。

5G技术有望为无线通信提供小于1毫秒的延迟,100倍的网络能效提升,以及高达20千兆每秒(Gbit/s)的数据速率。

最近,IDTechEx发布了一份关于创新和增长机会的报告从热管理的角度来看5G技术。根据这项研究,基于gan的功率放大器(PAs)、无压银烧结等模附解决方案以及热界面材料可以在解决5G技术的热管理问题中发挥重要作用。

在这篇文章中,我们将讨论为什么热管理在5G中很重要,以及一些解决这个问题的方法。

为什么5G需要更高效的热管理?

实现5G的关键技术是全维自适应波束形成的大规模MIMO。MIMO系统采用天线阵列来减少用户间干扰,增加网络容量,并实现波束形成。下图显示了一个带有4×4天线阵列的系统。

描述如何高度集成的包装可以创造设计关注

描述如何高度集成的包装可以创造设计关注。图片由里克-斯特

使用数字波束形成,每个天线都应该有自己的射频收发器。一个典型的射频单元由几个不同的模块组成,比如一个LNA,一个PA,两个adc和dac,以及一些滤波器和混频器。

为了避免5G频率范围的信号完整性问题,重要的是要将天线的不同电路元素集成到单个芯片中,并将收发芯片放置在天线附近。因此,使用4×4天线阵列,每块板上就有16个收发芯片。

这种复杂程度导致了一个能量消耗大的系统,其中热管理是至关重要的。

例如,这种设计为30 GHz的系统可以有大约1 W/cm2的热密度(4 -cm2板产生的热量为4 W)。这甚至可以被认为是一个相对低功耗的应用程序。

未来的5G网络预计将采用具有数百个天线元件的大规模MIMO,以补偿巨大的传播损耗,实现高效的频率使用。这些网络的热管理将带来严重的挑战。

GaN:从根本上更好地适应5G

功率放大器是射频收发器中最耗能的组成部分,在发射时可占到总功耗的75%。毫米波PAs的局部热流密度可达每平方厘米数千瓦。

PA器件技术和创新的电路结构是使5G成为现实的必要条件。从设备选择的角度来看,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提高效率的高功率PAs。下图是PAs的输出功率和效率比较。

描述如何高度集成的包装可以创造设计关注

图片由瑞马

如你所见,GaN PAs可以在非常高的频率下提供更高水平的输出功率。此外,氮化镓技术使我们在宽频率范围内有更高的效率。

热结构的选择

尽管基于gan的PAs具有提供更高效率和输出功率的潜力,但即使对于这些高性能器件,热管理仍具有挑战性。事实上,如果没有一个有效的热结构,产生的热量会对氮化镓器件施加压力,限制其射频性能。例如,热受限的氮化镓器件可能会降低增益、输出功率和效率。进一步的热应力可能最终导致可靠性问题。

根据应用程序的热密度,可以选择合适的热结构。例如,当热密度约为1 W/cm2时,基于自然对流现象的冷却配置可能是适用的。在较高的热密度,强制空气冷却或液体冷却配置可能需要。

嵌入式冷却技术研究

除了这些传统的方法,还有一些先进的技术试图降低大功率芯片和冷却剂之间的热阻抗,以实现更有效的热管理解决方案。

事实上,研究人员正在开发嵌入式冷却芯片,通过一根发丝(~100 μm)宽的微观缝隙将热萃取介质流体泵入芯片,实现热管理。在芯片内部,液体冷却剂提取热量,并转变为蒸汽相。然后,蒸汽被转移到芯片的外部,在那里它重新凝结,并将热量倾倒到周围环境。

泵浦两相冷却回路示意图

泵浦两相冷却回路示意图。图片由Pritish r . Parida

有趣的是,所使用的介质流体甚至可以接触到芯片的电气连接。因此,这项技术可以用于冷却3D芯片堆栈,而散热器或冷板可能不是一个有效的解决方案。