作者：Duncan Bosworth and Gary Wenger

隨著對更小外形尺寸（如更小彈藥和無人系統(tǒng)）的持續(xù)推動，國防世界正在推動電子系統(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，但散熱的挑戰(zhàn)往往沒有被考慮在內;然而，應對熱挑戰(zhàn)以確保長期可靠和可重復的系統(tǒng)性能現(xiàn)在已成為系統(tǒng)設計中越來越重要的一部分，尤其是在考慮許多航空航天和國防系統(tǒng)必須運行的極端溫度范圍時。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)設計時間分配給熱挑戰(zhàn)。

集成推動熱挑戰(zhàn)

為了進一步審查這一挑戰(zhàn)，請考慮一個典型的RF接收器和發(fā)射器，它可以作為軍用無線電的基礎，雷達系統(tǒng)的元件數字化，或無人機或先進彈藥的通信鏈路，類似于圖1所示。根據操作頻率和具體應用，系統(tǒng)需要集成許多關鍵功能和技術才能實現(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。混頻級、中間放大器和合成器將在GaAs或SiGe上開發(fā)，數字化儀和FPGA節(jié)點在CMOS上開發(fā)。這可能導致在整個信號鏈中使用四到五種不同的技術，并具有更多工藝幾何形狀的變化。高度集成的這些可能導致需要在幾平方英寸內耗散50 W或更多，并且熱通路有限。

圖1.ADI集成RF和數字接收器模塊—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GaN MMIC的功耗分別為80 W，并且多個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，必須徹底了解熱設計，以將關鍵組件的溫度保持在工作范圍內。從熱角度來看，每種技術和應用都有其自身的挑戰(zhàn)，但降低SWaP的驅動力會集中熱密度。因此，需要從多個角度審查散熱，因為MMIC柵極中產生的熱量以連續(xù)鏈的形式流過許多層和界面，直到最終到達與周圍環(huán)境的連接點。必須審查整個鏈的系統(tǒng)熱優(yōu)化、SWaP 和成本。

盡管對減小系統(tǒng)尺寸的關注無疑使熱挑戰(zhàn)變得更加復雜，但先進的工藝節(jié)點和更高的器件集成度可以立即緩解。先進的SiGe和CMOS節(jié)點通過增加集成數字信號處理實現(xiàn)顯著的功耗降低，從而提高集成度。這支持增強的功能，通常與上一代架構的功耗相當。GaN器件較高的結溫降低了這些單個組件的冷卻要求。然而，工藝節(jié)點遷移不足以應對系統(tǒng)小型化似乎更快的熱挑戰(zhàn)。

仿真是關鍵

雖然原型構建和測試對于確認設計假設仍然至關重要，但開發(fā)時間和高成本阻礙了基于硬件測試的有效優(yōu)化。因此，詳細的仿真至關重要，可以快速評估多個系統(tǒng)變化。需要從整個系統(tǒng)的角度評估系統(tǒng)權衡。需要多個模型級別和工具，因為幾何形狀可以從亞微米柵極到儀表外殼縮放六個數量級，并且起作用的發(fā)熱和傳遞機制可以包括傳導、對流、輻射和電磁能量。建模和仿真方法可實現(xiàn)快速的性能和成本權衡，從器件門級到系統(tǒng)級元件放置、器件設計和材料選擇或風扇和散熱器規(guī)格進行優(yōu)化。

最大的自由度來自系統(tǒng)設計人員，他們對從MMIC門級到周圍環(huán)境的整個系統(tǒng)鏈具有設計控制權，從而實現(xiàn)全面的權衡。圖3顯示了系統(tǒng)、電路板和芯片級仿真的示例，能夠完整地系統(tǒng)地應對熱挑戰(zhàn)，仿真結果可能會影響器件位置和器件修改。

圖3.二維仿真、電路板和芯片級仿真。

完成這種收縮壓分析通常需要多個模型和軟件包。專門的分析技術，例如用于對流到流體/空氣的計算流體動力學 （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，用于雷達或電子戰(zhàn)系統(tǒng)的機架式風冷高功率固態(tài)放大器可能需要以下設備：

有限元分析 （FEA） 與微米級網格劃分，包括芯片級和散熱器分析

電磁損耗分析，以確定射頻線路中產生的功率

底盤級別的有限元分析

氣流和對流對環(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)境到結點的溫升通常有70%在MMIC內。在某些情況下，雷達系統(tǒng)中的功率密度現(xiàn)在超過6 W/mm，這使得仿真權衡變得更加重要。

選擇合適的材料

選擇和使用用于傳播熱量的高導熱材料顯然至關重要。例如，用于雷達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（CTE）匹配、對地電導率以及操縱材料的成本和能力的嚴重限制。

CTE 不匹配會導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防系統(tǒng)性能標準的關鍵方面，往往會導致最大的CTE驅動應力，因為焊料和環(huán)氧樹脂設計用于在高溫下加工。即使是輕微的分層也會對芯片的熱性能產生災難性的影響，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。在評估新材料時，將被測設計的紅外圖像上的熱點溫度與相同設計的已知良好圖像進行比較是識別早期分層的有用方法。環(huán)氧樹脂和燒結銀制造商正在開發(fā)具有較低彈性模量的產品，以吸收CTE應力，同時仍保持相對良好的熱性能。靠近模具的導熱性是一個關鍵材料研究領域，正在研究金剛石等極高導熱材料。

針對成本和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、重量和尺寸目標的性能權衡決策總是在系統(tǒng)架構和熱權衡中交織在一起。使用金剛石復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。后者將結溫降低了37°C以上，提高了系統(tǒng)性能和壽命，同時還支持系統(tǒng)中其他SWaP和成本權衡。

圖4.60 W 氮化鎵芯片，帶交替堆疊。

在其他示例中，對流冷卻系統(tǒng)（例如機架安裝系統(tǒng)）可能會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)。散熱器和風扇的選擇對成本和性能有重大影響，也需要從系統(tǒng)級的角度進行指定。對于給定的散熱器體積，更好的性能是由更高的對流傳熱速率驅動的，這需要更大的背壓，例如來自更緊密的通道或交錯/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扇。風機的選擇也會影響性能，軸流風機通常最容易設計，并為低壓系統(tǒng)提供高容量，而離心風機或鼓風機能夠推動更高的壓力，但體積較小。

最后，散熱器材料的選擇范圍會顯著影響成本，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。

解決當今的挑戰(zhàn)

盡管熱挑戰(zhàn)似乎不祥，需要權衡取舍，但使用系統(tǒng)方法可以實現(xiàn)平衡成本、尺寸和性能的解決方案。先進的仿真為快速決策提供了支柱，能夠從芯片中的柵極級到整個系統(tǒng)的詳細分析，以及散熱器和散熱器的影響。使用這些高級仿真，可以進行其他權衡，從材料選擇到冷卻技術和最佳布局。

在MMIC級別和系統(tǒng)級別做出設計決策，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展示了實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)級熱解決方案的示例。這兩個示例都采用了最新的MMIC工藝，MMIC設計，基板和布局均受到全系統(tǒng)熱分析的影響。兩者都需要詳細的仿真分析、仔細的組件集成、布局以及材料選擇，以平衡HMC7056為便攜式系統(tǒng)設計的性能和成本。

顯然，將系統(tǒng)和MMIC設計全部置于同一設計團隊的控制之下有助于這些權衡，并最終為未來的航空航天和國防系統(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