作者：Duncan Bosworth and Gary Wenger

隨著對(duì)更小外形尺寸（如更小彈藥和無人系統(tǒng)）的持續(xù)推動(dòng)，國(guó)防世界正在推動(dòng)電子系統(tǒng)集成和處理密度的界限。盡管越來越小的占地面積現(xiàn)在正在成為現(xiàn)實(shí)，但散熱的挑戰(zhàn)往往沒有被考慮在內(nèi);然而，應(yīng)對(duì)熱挑戰(zhàn)以確保長(zhǎng)期可靠和可重復(fù)的系統(tǒng)性能現(xiàn)在已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來越重要的一部分，尤其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)。為了滿足未來的系統(tǒng)尺寸、重量和功耗（SWaP）需求，需要將越來越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間分配給熱挑戰(zhàn)。

集成推動(dòng)熱挑戰(zhàn)

為了進(jìn)一步審查這一挑戰(zhàn)，請(qǐng)考慮一個(gè)典型的RF接收器和發(fā)射器，它可以作為軍用無線電的基礎(chǔ)，雷達(dá)系統(tǒng)的元件數(shù)字化，或無人機(jī)或先進(jìn)彈藥的通信鏈路，類似于圖1所示。根據(jù)操作頻率和具體應(yīng)用，系統(tǒng)需要集成許多關(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，最有可能基于GaAs或GaN?；祛l級(jí)、中間放大器和合成器將在GaAs或SiGe上開發(fā)，數(shù)字化儀和FPGA節(jié)點(diǎn)在CMOS上開發(fā)。這可能導(dǎo)致在整個(gè)信號(hào)鏈中使用四到五種不同的技術(shù)，并具有更多工藝幾何形狀的變化。高度集成的這些可能導(dǎo)致需要在幾平方英寸內(nèi)耗散50 W或更多，并且熱通路有限。

圖1.ADI集成RF和數(shù)字接收器模塊—3.25“ × 0.5 × 1.4”

基于GaN的功率放大器（PA）廣泛用于雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)，其系統(tǒng)要求和功率密度規(guī)模也帶來了其他挑戰(zhàn)。例如，圖2所示的兩個(gè)GaN MMIC的功耗分別為80 W，并且多個(gè)PA緊密組合在一起。

圖2.氮化鎵功率放大器，采用雙 80 W PA。

為了優(yōu)化SWaP和成本，必須徹底了解熱設(shè)計(jì)，以將關(guān)鍵組件的溫度保持在工作范圍內(nèi)。從熱角度來看，每種技術(shù)和應(yīng)用都有其自身的挑戰(zhàn)，但降低SWaP的驅(qū)動(dòng)力會(huì)集中熱密度。因此，需要從多個(gè)角度審查散熱，因?yàn)镸MIC柵極中產(chǎn)生的熱量以連續(xù)鏈的形式流過許多層和界面，直到最終到達(dá)與周圍環(huán)境的連接點(diǎn)。必須審查整個(gè)鏈的系統(tǒng)熱優(yōu)化、SWaP 和成本。

盡管對(duì)減小系統(tǒng)尺寸的關(guān)注無疑使熱挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜，但先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)和更高的器件集成度可以立即緩解。先進(jìn)的SiGe和CMOS節(jié)點(diǎn)通過增加集成數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)顯著的功耗降低，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)的功耗相當(dāng)。GaN器件較高的結(jié)溫降低了這些單個(gè)組件的冷卻要求。然而，工藝節(jié)點(diǎn)遷移不足以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)小型化似乎更快的熱挑戰(zhàn)。

仿真是關(guān)鍵

雖然原型構(gòu)建和測(cè)試對(duì)于確認(rèn)設(shè)計(jì)假設(shè)仍然至關(guān)重要，但開發(fā)時(shí)間和高成本阻礙了基于硬件測(cè)試的有效優(yōu)化。因此，詳細(xì)的仿真至關(guān)重要，可以快速評(píng)估多個(gè)系統(tǒng)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)模型級(jí)別和工具，因?yàn)閹缀涡螤羁梢詮膩單⒚讝艠O到儀表外殼縮放六個(gè)數(shù)量級(jí)，并且起作用的發(fā)熱和傳遞機(jī)制可以包括傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和電磁能量。建模和仿真方法可實(shí)現(xiàn)快速的性能和成本權(quán)衡，從器件門級(jí)到系統(tǒng)級(jí)元件放置、器件設(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。

最大的自由度來自系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，他們對(duì)從MMIC門級(jí)到周圍環(huán)境的整個(gè)系統(tǒng)鏈具有設(shè)計(jì)控制權(quán)，從而實(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，能夠完整地系統(tǒng)地應(yīng)對(duì)熱挑戰(zhàn)，仿真結(jié)果可能會(huì)影響器件位置和器件修改。

圖3.二維仿真、電路板和芯片級(jí)仿真。

完成這種收縮壓分析通常需要多個(gè)模型和軟件包。專門的分析技術(shù)，例如用于對(duì)流到流體/空氣的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （CFD） 代碼或用于射頻損耗的電磁模擬，兩者之間需要切換。

例如，用于雷達(dá)或電子戰(zhàn)系統(tǒng)的機(jī)架式風(fēng)冷高功率固態(tài)放大器可能需要以下設(shè)備：

有限元分析 （FEA） 與微米級(jí)網(wǎng)格劃分，包括芯片級(jí)和散熱器分析

電磁損耗分析，以確定射頻線路中產(chǎn)生的功率

底盤級(jí)別的有限元分析

氣流和對(duì)流對(duì)環(huán)境條件的 CFD 分析

最大的溫度增量通常發(fā)生在熱量集中最大的位置，這些位置最終靠近柵極。在圖2中，從環(huán)境到結(jié)點(diǎn)的溫升通常有70%在MMIC內(nèi)。在某些情況下，雷達(dá)系統(tǒng)中的功率密度現(xiàn)在超過6 W/mm，這使得仿真權(quán)衡變得更加重要。

選擇合適的材料

選擇和使用用于傳播熱量的高導(dǎo)熱材料顯然至關(guān)重要。例如，用于雷達(dá)最新功率放大器的高功率密度GaN芯片——基板通常是SiC，第一個(gè)附著層是AuSn焊料。超過 0.005“ 的材料，熱通量密度可以從 13，000 W/mm2 降低到 24 W/mm2。隨著熱量繼續(xù)流過系統(tǒng)，其擴(kuò)散將繼續(xù)降低其通量密度。然而，材料的選擇受到熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配、對(duì)地電導(dǎo)率以及操縱材料的成本和能力的嚴(yán)重限制。

CTE 不匹配會(huì)導(dǎo)致基板開裂或粘合層（如焊料和環(huán)氧樹脂）分層。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)導(dǎo)致最大的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。即使是輕微的分層也會(huì)對(duì)芯片的熱性能產(chǎn)生災(zāi)難性的影響，如果分離是在高熱量集中的區(qū)域，例如直接在高功率FET下方。在評(píng)估新材料時(shí)，將被測(cè)設(shè)計(jì)的紅外圖像上的熱點(diǎn)溫度與相同設(shè)計(jì)的已知良好圖像進(jìn)行比較是識(shí)別早期分層的有用方法。環(huán)氧樹脂和燒結(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)鍵材料研究領(lǐng)域，正在研究金剛石等極高導(dǎo)熱材料。

針對(duì)成本和SWaP的材料優(yōu)化

隨著防御系統(tǒng)不斷尋求降低 SWaP 和成本，成本、重量和尺寸目標(biāo)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。使用金剛石復(fù)合材料等材料似乎很難證明是合理的，然而，即使是這些材料的小塊，作為散熱器，在芯片附近的高熱量集中區(qū)域，也可以大大降低器件溫度，并節(jié)省系統(tǒng)其他部分的成本和重量。

圖 4 比較了在鋁基座上使用 CuW 載體建模的 60 W GaN 芯片與鋁基座銅嵌件上的金剛石鋁基體材料載體。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)還支持系統(tǒng)中其他SWaP和成本權(quán)衡。

圖4.60 W 氮化鎵芯片，帶交替堆疊。

在其他示例中，對(duì)流冷卻系統(tǒng)（例如機(jī)架安裝系統(tǒng)）可能會(huì)面臨散熱器底座以及從散熱器翅片到環(huán)境空氣的大溫度增量的挑戰(zhàn)。散熱器和風(fēng)扇的選擇對(duì)成本和性能有重大影響，也需要從系統(tǒng)級(jí)的角度進(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，例如來自更緊密的通道或交錯(cuò)/開槽的翅片打破邊界層，這反過來又需要更大和更耗電的風(fēng)扇。風(fēng)機(jī)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，而離心風(fēng)機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)能夠推動(dòng)更高的壓力，但體積較小。

最后，散熱器材料的選擇范圍會(huì)顯著影響成本，但在許多情況下，使用刮削銅散熱器似乎提供了良好的性能和成本平衡。嵌入式熱管也可以是出色的低重量器件，可大大提高散熱器基板的有效導(dǎo)熱性，盡管它們不能在所有具有高g力環(huán)境的環(huán)境中工作。

解決當(dāng)今的挑戰(zhàn)

盡管熱挑戰(zhàn)似乎不祥，需要權(quán)衡取舍，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，能夠從芯片中的柵極級(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。使用這些高級(jí)仿真，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，使高熱集中系統(tǒng)成為可能。KHPA-0811W 2 kW固態(tài)功率放大器以及集成上變頻器和PA的HMC7056展示了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)級(jí)熱解決方案的示例。這兩個(gè)示例都采用了最新的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)的組件集成、布局以及材料選擇，以平衡HMC7056為便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能和成本。

顯然，將系統(tǒng)和MMIC設(shè)計(jì)全部置于同一設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的控制之下有助于這些權(quán)衡，并最終為未來的航空航天和國(guó)防系統(tǒng)提供最高的可靠性，成本和性能優(yōu)化的解決方案。

審核編輯：郭婷