芯耀
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隨著5G技術的迅猛發(fā)展，工程師們越來越多地探討這項技術所面臨的主要設計挑戰(zhàn)之一：熱設計。
5G技術有望實現(xiàn)無線通信的延遲低于1ms，網(wǎng)絡能源效率提升100倍，以及高達每秒20Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。
最近，英國知名研究機構IDTechEx發(fā)布了一份從熱設計角度探討5G技術創(chuàng)新與增長機遇的報告。根據(jù)這項研究，基于氮化鎵（GaN）的功率放大器（PA）、無壓銀燒結等芯片粘貼解決方案，以及熱界面材料，在解決5G技術的熱設計問題方面能夠發(fā)揮重要作用。
在本文中，我們將探討為什么熱設計在5G中至關重要，以及解決這一問題的一些方法。
一、為什么5G需要更高效的熱設計？
讓5G成為現(xiàn)實的一項關鍵技術是具備全維度自適應波束成形的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術。MIMO系統(tǒng)采用天線陣列來減少用戶間干擾、提高網(wǎng)絡容量并實現(xiàn)波束成形。下面的圖片展示了一個擁有4×4天線陣列的系統(tǒng)。
通過數(shù)字波束成形技術，這些天線中的每一個都應該有其各自的射頻收發(fā)器。一個典型的射頻單元由幾個不同的模塊組成，比如一個低噪聲放大器（LNA）、一個功率放大器（PA）、兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），以及一些濾波器和混頻器。
為了避免在5G頻段出現(xiàn)信號完整性問題，將天線的不同電路元件集成到單個芯片中，并將這個收發(fā)器芯片放置在靠近天線的位置，這一點至關重要。因此，對于一個4×4的天線陣列來說，在一塊單個的電路板上就有16個收發(fā)器芯片。
這種復雜程度導致系統(tǒng)耗電量極大，在這種情況下，熱設計就變得至關重要。
例如，這樣一個設計為在30GHz下運行的系統(tǒng)，其熱密度可能約為1瓦每平方厘米（一塊4平方厘米的電路板會產(chǎn)生4W的熱量）。這甚至可能被認為是一個相對低功耗的應用。
未來的5G網(wǎng)絡預計將采用擁有數(shù)百個天線單元的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術，以補償巨大的傳播損耗并實現(xiàn)高效的頻率利用。這些網(wǎng)絡的熱設計將帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。
二、氮化鎵（GaN）：從根本上更適合5G
功率放大器是射頻收發(fā)器中最耗電的組成部分，在傳輸時，其功耗可能占總功耗的75%之多。毫米波功率放大器的局部熱通量可能高達每平方厘米數(shù)千瓦。
功率放大器器件技術以及創(chuàng)新的電路結構對于實現(xiàn)5G來說是必不可少的。從器件選擇的角度來看，基于氮化鎵（GaN）的解決方案可能是最佳選擇。這些器件具有卓越的特性，比如低輸出電容、高輸出阻抗、高功率密度以及高擊穿電壓。
這些特性使我們能夠擁有效率更高的高功率功率放大器。下圖比較了已發(fā)布的各種類型功率放大器的輸出功率和效率。
如你所見，氮化鎵功率放大器（GaN PA）能夠在非常高的頻率下提供更高水平的輸出功率。此外，氮化鎵技術使我們能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)更高的效率。
三、選擇散熱結構
盡管基于氮化鎵的功率放大器有潛力提供更高的效率和輸出功率，但即使使用這些高性能器件，熱設計仍然具有挑戰(zhàn)性。實際上，如果沒有高效的熱設計結構，產(chǎn)生的熱量會給氮化鎵器件帶來壓力，并限制其射頻性能。例如，受散熱限制的氮化鎵器件可能會出現(xiàn)增益降低、輸出功率下降和效率降低的情況。進一步的熱應力最終可能會導致可靠性問題。
根據(jù)應用的熱密度，人們可以選擇合適的熱設計結構。例如，對于熱密度約為1瓦每平方厘米的情況，基于自然對流現(xiàn)象的散熱配置可能適用。在熱密度更高的情況下，可能需要強制風冷或液冷配置。
1、熱管（Heat pipe）
結構：熱管是一種具有高導熱性能的傳熱元件，通常由管殼、吸液芯和端蓋等部分組成。管內(nèi)抽成真空并充入適量的工作液體，如蒸餾水、氨、甲醇等。
工作原理：當熱管的一端受熱時，管內(nèi)的工作液體吸收熱量后蒸發(fā)變成蒸汽，蒸汽在微小的壓力差下快速流向另一端（冷端），在冷端遇冷后凝結成液體，同時放出大量的汽化熱。凝結后的液體在吸液芯的毛細作用下又回流到熱端，繼續(xù)循環(huán)工作，從而實現(xiàn)熱量的快速傳遞。
在基站底座散熱中的優(yōu)勢：熱管具有極高的導熱系數(shù)，能夠快速將基站底座產(chǎn)生的熱量傳遞到散熱鰭片或其他散熱部件上，有效降低基站底座的溫度。而且熱管可以根據(jù)基站的結構和散熱需求進行靈活布置，適應性強。
2、蒸汽腔（Vapar chamber）
結構：蒸汽腔通常是一個扁平的密封腔體，內(nèi)部有類似毛細結構的介質(zhì)，腔體中充有可蒸發(fā)的工作流體。
工作原理：與熱管類似，當蒸汽腔的受熱面吸收熱量后，工作流體蒸發(fā)形成蒸汽，蒸汽在腔體內(nèi)擴散到冷卻面，在那里凝結成液體并釋放熱量，液體通過毛細結構回流到受熱面，完成循環(huán)。
在基站底座散熱中的優(yōu)勢：蒸汽腔具有較大的散熱面積，能更均勻地分配熱量，可有效解決基站底座局部過熱的問題。它可以制成與基站底座形狀相匹配的形式，貼合性好，散熱效率高。
3、散熱齒
基站散熱齒主要有以下作用：
增加散熱面積：基站在運行過程中會產(chǎn)生大量熱量，散熱齒通過其獨特的形狀和結構，極大地增加了散熱部件的表面積。根據(jù)熱傳遞原理，表面積越大，熱量散發(fā)的速度就越快。這樣能有效提高散熱效率，確?；驹O備在適宜的溫度范圍內(nèi)運行。
促進空氣流通：散熱齒之間存在一定的間隙，這些間隙形成了空氣通道。當空氣流經(jīng)時，能夠形成自然對流或強制對流（借助風扇等設備）。空氣的流動可以不斷帶走散熱齒表面的熱量，將熱空氣排出基站設備外部，同時引入冷空氣，實現(xiàn)熱量的快速交換，維持設備的正常工作溫度。
中興通訊獨特的V齒結構設計，改進散熱氣流，使冷空氣正面進兩側(cè)出，避免熱級聯(lián)，散熱提升20%，成為業(yè)界首創(chuàng)。
華為采用了獨創(chuàng)的仿生散熱技術——輥壓接合散熱齒(增大散熱面積)，使基站的整體散熱能力提升20%；
四、輔助散熱材料
1、導熱泥（Putty）
材料特性：通常是一種具有高導熱性能的膏狀材料，由導熱填料與有機硅等基體混合而成，具有良好的流動性和可塑性。
作用機制：可填充在基站發(fā)熱部件與散熱裝置之間的微小間隙中，能有效排除空氣，減少熱阻。由于其良好的流動性，可緊密貼合各種不規(guī)則表面，確保熱量能夠高效地從發(fā)熱源傳遞到散熱部件上，從而提高散熱效率。
優(yōu)勢：操作方便，可根據(jù)需要隨意涂抹，適應各種復雜形狀的表面；具有較好的長期穩(wěn)定性，不易干裂或老化，能在較長時間內(nèi)保持良好的導熱性能。
2、導熱墊（Thermal pad）
材料特性：一般是由硅膠等高分子材料添加高導熱填料制成的片狀材料，具有一定的柔軟性和彈性。
作用機制：主要是放置在發(fā)熱元件和散熱器之間，利用其柔軟可壓縮的特性，填充間隙并提供良好的熱傳導路徑。它能夠?qū)l(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量快速傳導至散熱器，進而散發(fā)到周圍環(huán)境中。
優(yōu)勢：具有較高的柔韌性，能適應不同程度的表面不平整；安裝便捷，可直接裁剪成所需尺寸，無需復雜的涂抹或成型過程，能夠快速完成散熱系統(tǒng)的組裝，提高施工效率。
五、嵌入式散熱研究
除了這些傳統(tǒng)方法之外，還有一些先進技術試圖降低大功率芯片與冷卻液之間的熱阻，以實現(xiàn)更高效的熱設計解決方案。
實際上，研究人員正在開發(fā)具有嵌入式散熱功能的芯片，在這種芯片中，通過將一種吸熱介電流體通過像一根頭發(fā)絲那么寬（約100um）的微小縫隙泵入芯片來實現(xiàn)熱設計。在芯片內(nèi)部，液體冷卻液吸收熱量并變成氣相。然后，蒸汽被傳輸?shù)叫酒獠?，在那里重新冷凝并將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。
有趣的是，所使用的介電流體甚至可以與芯片的電氣連接部分相接觸。因此，這項技術可用于冷卻三維芯片堆疊結構，因為在這種情況下，散熱器或冷板可能并不是有效的散熱解決方案。
六、總結
5G技術向高頻段、高集成度演進引發(fā)的熱設計挑戰(zhàn)，已成為制約其大規(guī)模部署的核心瓶頸。通過材料創(chuàng)新（如GaN功率器件）、散熱結構優(yōu)化（熱管/蒸汽腔/仿生散熱齒）及嵌入式液冷技術突破，業(yè)界已構建起從器件級到系統(tǒng)級的多維度熱管理方案。GaN器件的高功率密度與寬頻效率特性，結合微通道液冷、拓撲散熱齒等結構創(chuàng)新，可有效降低熱阻并提升散熱效率；而介電流體嵌入式冷卻等前沿技術，則為三維堆疊芯片提供了突破物理接觸限制的散熱新范式。
未來，隨著智能熱控算法與異構集成散熱方案的融合，5G熱設計將向高密度、低能耗、自適應方向持續(xù)演進，支撐6G及更高頻段通信的商業(yè)化落地。
