芯耀
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隨著5G技術(shù)的迅猛發(fā)展，工程師們?cè)絹碓蕉嗟靥接戇@項(xiàng)技術(shù)所面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一：熱設(shè)計(jì)。
5G技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)無線通信的延遲低于1ms，網(wǎng)絡(luò)能源效率提升100倍，以及高達(dá)每秒20Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。
最近，英國(guó)知名研究機(jī)構(gòu)IDTechEx發(fā)布了一份從熱設(shè)計(jì)角度探討5G技術(shù)創(chuàng)新與增長(zhǎng)機(jī)遇的報(bào)告。根據(jù)這項(xiàng)研究，基于氮化鎵（GaN）的功率放大器（PA）、無壓銀燒結(jié)等芯片粘貼解決方案，以及熱界面材料，在解決5G技術(shù)的熱設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)在5G中至關(guān)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(shè)計(jì)？
讓5G成為現(xiàn)實(shí)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是具備全維度自適應(yīng)波束成形的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)。MIMO系統(tǒng)采用天線陣列來減少用戶間干擾、提高網(wǎng)絡(luò)容量并實(shí)現(xiàn)波束成形。下面的圖片展示了一個(gè)擁有4×4天線陣列的系統(tǒng)。
通過數(shù)字波束成形技術(shù)，這些天線中的每一個(gè)都應(yīng)該有其各自的射頻收發(fā)器。一個(gè)典型的射頻單元由幾個(gè)不同的模塊組成，比如一個(gè)低噪聲放大器（LNA）、一個(gè)功率放大器（PA）、兩個(gè)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(hào)完整性問題，將天線的不同電路元件集成到單個(gè)芯片中，并將這個(gè)收發(fā)器芯片放置在靠近天線的位置，這一點(diǎn)至關(guān)重要。因此，對(duì)于一個(gè)4×4的天線陣列來說，在一塊單個(gè)的電路板上就有16個(gè)收發(fā)器芯片。
這種復(fù)雜程度導(dǎo)致系統(tǒng)耗電量極大，在這種情況下，熱設(shè)計(jì)就變得至關(guān)重要。
例如，這樣一個(gè)設(shè)計(jì)為在30GHz下運(yùn)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(huì)產(chǎn)生4W的熱量）。這甚至可能被認(rèn)為是一個(gè)相對(duì)低功耗的應(yīng)用。
未來的5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)將采用擁有數(shù)百個(gè)天線單元的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，以補(bǔ)償巨大的傳播損耗并實(shí)現(xiàn)高效的頻率利用。這些網(wǎng)絡(luò)的熱設(shè)計(jì)將帶來嚴(yán)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(shí)，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(dá)每平方厘米數(shù)千瓦。
功率放大器器件技術(shù)以及創(chuàng)新的電路結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)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(shù)使我們能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率。
三、選擇散熱結(jié)構(gòu)
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(shè)計(jì)仍然具有挑戰(zhàn)性。實(shí)際上，如果沒有高效的熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的熱量會(huì)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(huì)出現(xiàn)增益降低、輸出功率下降和效率降低的情況。進(jìn)一步的熱應(yīng)力最終可能會(huì)導(dǎo)致可靠性問題。
根據(jù)應(yīng)用的熱密度，人們可以選擇合適的熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。例如，對(duì)于熱密度約為1瓦每平方厘米的情況，基于自然對(duì)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(qiáng)制風(fēng)冷或液冷配置。
1、熱管（Heat pipe）
結(jié)構(gòu)：熱管是一種具有高導(dǎo)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(dāng)熱管的一端受熱時(shí)，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(jié)成液體，同時(shí)放出大量的汽化熱。凝結(jié)后的液體在吸液芯的毛細(xì)作用下又回流到熱端，繼續(xù)循環(huán)工作，從而實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞。
在基站底座散熱中的優(yōu)勢(shì)：熱管具有極高的導(dǎo)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(jié)構(gòu)和散熱需求進(jìn)行靈活布置，適應(yīng)性強(qiáng)。
2、蒸汽腔（Vapar chamber）
結(jié)構(gòu)：蒸汽腔通常是一個(gè)扁平的密封腔體，內(nèi)部有類似毛細(xì)結(jié)構(gòu)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(dāng)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(kuò)散到冷卻面，在那里凝結(jié)成液體并釋放熱量，液體通過毛細(xì)結(jié)構(gòu)回流到受熱面，完成循環(huán)。
在基站底座散熱中的優(yōu)勢(shì)：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(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，散熱齒通過其獨(dú)特的形狀和結(jié)構(gòu)，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(shè)備在適宜的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
促進(jìn)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(dāng)空氣流經(jīng)時(shí)，能夠形成自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流（借助風(fēng)扇等設(shè)備）。空氣的流動(dòng)可以不斷帶走散熱齒表面的熱量，將熱空氣排出基站設(shè)備外部，同時(shí)引入冷空氣，實(shí)現(xiàn)熱量的快速交換，維持設(shè)備的正常工作溫度。
中興通訊獨(dú)特的V齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)散熱氣流，使冷空氣正面進(jìn)兩側(cè)出，避免熱級(jí)聯(lián)，散熱提升20%，成為業(yè)界首創(chuàng)。
華為采用了獨(dú)創(chuàng)的仿生散熱技術(shù)——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(dǎo)熱泥（Putty）
材料特性：通常是一種具有高導(dǎo)熱性能的膏狀材料，由導(dǎo)熱填料與有機(jī)硅等基體混合而成，具有良好的流動(dòng)性和可塑性。
作用機(jī)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(dòng)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(shì)：操作方便，可根據(jù)需要隨意涂抹，適應(yīng)各種復(fù)雜形狀的表面；具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，不易干裂或老化，能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持良好的導(dǎo)熱性能。
2、導(dǎo)熱墊（Thermal pad）
材料特性：一般是由硅膠等高分子材料添加高導(dǎo)熱填料制成的片狀材料，具有一定的柔軟性和彈性。
作用機(jī)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(dǎo)路徑。它能夠?qū)l(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量快速傳導(dǎo)至散熱器，進(jìn)而散發(fā)到周圍環(huán)境中。
優(yōu)勢(shì)：具有較高的柔韌性，能適應(yīng)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(fù)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(jìn)技術(shù)試圖降低大功率芯片與冷卻液之間的熱阻，以實(shí)現(xiàn)更高效的熱設(shè)計(jì)解決方案。
實(shí)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(shí)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)。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(xiàng)技術(shù)可用于冷卻三維芯片堆疊結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谶@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(jié)
5G技術(shù)向高頻段、高集成度演進(jìn)引發(fā)的熱設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)優(yōu)化（熱管/蒸汽腔/仿生散熱齒）及嵌入式液冷技術(shù)突破，業(yè)界已構(gòu)建起從器件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)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(jié)合微通道液冷、拓?fù)渖猃X等結(jié)構(gòu)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(shù)，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(gòu)集成散熱方案的融合，5G熱設(shè)計(jì)將向高密度、低能耗、自適應(yīng)方向持續(xù)演進(jìn)，支撐6G及更高頻段通信的商業(yè)化落地。
