应对先进防御子系统的热挑战

作者：Duncan Bosworth and Gary Wenger

随着对更小外形尺寸（如更小弹药和无人系统）的持续推动，国防世界正在推动电子系统集成和处理密度的界限。尽管越来越小的占地面积现在正在成为现实，但散热的挑战往往没有被考虑在内;然而，应对热挑战以确保长期可靠和可重复的系统性能现在已成为系统设计中越来越重要的一部分，尤其是在考虑许多航空航天和国防系统必须运行的极端温度范围时。为了满足未来的系统尺寸、重量和功耗（SWaP）需求，需要将越来越多的系统设计时间分配给热挑战。

集成推动热挑战

为了进一步审查这一挑战，请考虑一个典型的RF接收器和发射器，它可以作为军用无线电的基础，雷达系统的元件数字化，或无人机或先进弹药的通信链路，类似于图1所示。根据操作频率和具体应用，系统需要集成许多关键功能和技术才能实现最佳性能。

RF前端需要功率和低噪声放大器，最有可能基于GaAs或GaN。混频级、中间放大器和合成器将在GaAs或SiGe上开发，数字化仪和FPGA节点在CMOS上开发。这可能导致在整个信号链中使用四到五种不同的技术，并具有更多工艺几何形状的变化。高度集成的这些可能导致需要在几平方英寸内耗散50 W或更多，并且热通路有限。

图1.ADI集成RF和数字接收器模块—3.25“ × 0.5 × 1.4”

基于GaN的功率放大器（PA）广泛用于雷达和电子战系统，其系统要求和功率密度规模也带来了其他挑战。例如，图2所示的两个GaN MMIC的功耗分别为80 W，并且多个PA紧密组合在一起。

图2.氮化镓功率放大器，采用双 80 W PA。

为了优化SWaP和成本，必须彻底了解热设计，以将关键组件的温度保持在工作范围内。从热角度来看，每种技术和应用都有其自身的挑战，但降低SWaP的驱动力会集中热密度。因此，需要从多个角度审查散热，因为MMIC栅极中产生的热量以连续链的形式流过许多层和界面，直到最终到达与周围环境的连接点。必须审查整个链的系统热优化、SWaP 和成本。

尽管对减小系统尺寸的关注无疑使热挑战变得更加复杂，但先进的工艺节点和更高的器件集成度可以立即缓解。先进的SiGe和CMOS节点通过增加集成数字信号处理实现显著的功耗降低，从而提高集成度。这支持增强的功能，通常与上一代架构的功耗相当。GaN器件较高的结温降低了这些单个组件的冷却要求。然而，工艺节点迁移不足以应对系统小型化似乎更快的热挑战。

仿真是关键

虽然原型构建和测试对于确认设计假设仍然至关重要，但开发时间和高成本阻碍了基于硬件测试的有效优化。因此，详细的仿真至关重要，可以快速评估多个系统变化。需要从整个系统的角度评估系统权衡。需要多个模型级别和工具，因为几何形状可以从亚微米栅极到仪表外壳缩放六个数量级，并且起作用的发热和传递机制可以包括传导、对流、辐射和电磁能量。建模和仿真方法可实现快速的性能和成本权衡，从器件门级到系统级元件放置、器件设计和材料选择或风扇和散热器规格进行优化。

最大的自由度来自系统设计人员，他们对从MMIC门级到周围环境的整个系统链具有设计控制权，从而实现全面的权衡。图3显示了系统、电路板和芯片级仿真的示例，能够完整地系统地应对热挑战，仿真结果可能会影响器件位置和器件修改。

图3.二维仿真、电路板和芯片级仿真。

完成这种收缩压分析通常需要多个模型和软件包。专门的分析技术，例如用于对流到流体/空气的计算流体动力学 （CFD） 代码或用于射频损耗的电磁模拟，两者之间需要切换。

例如，用于雷达或电子战系统的机架式风冷高功率固态放大器可能需要以下设备：

有限元分析 （FEA） 与微米级网格划分，包括芯片级和散热器分析

电磁损耗分析，以确定射频线路中产生的功率

底盘级别的有限元分析

气流和对流对环境条件的 CFD 分析

最大的温度增量通常发生在热量集中最大的位置，这些位置最终靠近栅极。在图2中，从环境到结点的温升通常有70%在MMIC内。在某些情况下，雷达系统中的功率密度现在超过6 W/mm，这使得仿真权衡变得更加重要。

选择合适的材料

选择和使用用于传播热量的高导热材料显然至关重要。例如，用于雷达最新功率放大器的高功率密度GaN芯片——基板通常是SiC，第一个附着层是AuSn焊料。超过 0.005“ 的材料，热通量密度可以从 13，000 W/mm² 降低到 24 W/mm²。随着热量继续流过系统，其扩散将继续降低其通量密度。然而，材料的选择受到热膨胀系数（CTE）匹配、对地电导率以及操纵材料的成本和能力的严重限制。

CTE 不匹配会导致基板开裂或粘合层（如焊料和环氧树脂）分层。冷藏和工作温度是航空航天和国防系统性能标准的关键方面，往往会导致最大的CTE驱动应力，因为焊料和环氧树脂设计用于在高温下加工。即使是轻微的分层也会对芯片的热性能产生灾难性的影响，如果分离是在高热量集中的区域，例如直接在高功率FET下方。在评估新材料时，将被测设计的红外图像上的热点温度与相同设计的已知良好图像进行比较是识别早期分层的有用方法。环氧树脂和烧结银制造商正在开发具有较低弹性模量的产品，以吸收CTE应力，同时仍保持相对良好的热性能。靠近模具的导热性是一个关键材料研究领域，正在研究金刚石等极高导热材料。

针对成本和SWaP的材料优化

随着防御系统不断寻求降低 SWaP 和成本，成本、重量和尺寸目标的性能权衡决策总是在系统架构和热权衡中交织在一起。使用金刚石复合材料等材料似乎很难证明是合理的，然而，即使是这些材料的小块，作为散热器，在芯片附近的高热量集中区域，也可以大大降低器件温度，并节省系统其他部分的成本和重量。

图 4 比较了在铝基座上使用 CuW 载体建模的 60 W GaN 芯片与铝基座铜嵌件上的金刚石铝基体材料载体。后者将结温降低了37°C以上，提高了系统性能和寿命，同时还支持系统中其他SWaP和成本权衡。

图4.60 W 氮化镓芯片，带交替堆叠。

在其他示例中，对流冷却系统（例如机架安装系统）可能会面临散热器底座以及从散热器翅片到环境空气的大温度增量的挑战。散热器和风扇的选择对成本和性能有重大影响，也需要从系统级的角度进行指定。对于给定的散热器体积，更好的性能是由更高的对流传热速率驱动的，这需要更大的背压，例如来自更紧密的通道或交错/开槽的翅片打破边界层，这反过来又需要更大和更耗电的风扇。风机的选择也会影响性能，轴流风机通常最容易设计，并为低压系统提供高容量，而离心风机或鼓风机能够推动更高的压力，但体积较小。

最后，散热器材料的选择范围会显著影响成本，但在许多情况下，使用刮削铜散热器似乎提供了良好的性能和成本平衡。嵌入式热管也可以是出色的低重量器件，可大大提高散热器基板的有效导热性，尽管它们不能在所有具有高g力环境的环境中工作。

解决当今的挑战

尽管热挑战似乎不祥，需要权衡取舍，但使用系统方法可以实现平衡成本、尺寸和性能的解决方案。先进的仿真为快速决策提供了支柱，能够从芯片中的栅极级到整个系统的详细分析，以及散热器和散热器的影响。使用这些高级仿真，可以进行其他权衡，从材料选择到冷却技术和最佳布局。

在MMIC级别和系统级别做出设计决策，使高热集中系统成为可能。KHPA-0811W 2 kW固态功率放大器以及集成上变频器和PA的HMC7056展示了实现优化系统级热解决方案的示例。这两个示例都采用了最新的MMIC工艺，MMIC设计，基板和布局均受到全系统热分析的影响。两者都需要详细的仿真分析、仔细的组件集成、布局以及材料选择，以平衡HMC7056为便携式系统设计的性能和成本。

显然，将系统和MMIC设计全部置于同一设计团队的控制之下有助于这些权衡，并最终为未来的航空航天和国防系统提供最高的可靠性，成本和性能优化的解决方案。

审核编辑：郭婷