芯耀
1811
随着5G技术的迅猛发展，工程师们越来越多地探讨这项技术所面临的主要设计挑战之一：热设计。
5G技术有望实现无线通信的延迟低于1ms，网络能源效率提升100倍，以及高达每秒20Gbps的数据传输速率。
最近，英国知名研究机构IDTechEx发布了一份从热设计角度探讨5G技术创新与增长机遇的报告。根据这项研究，基于氮化镓（GaN）的功率放大器（PA）、无压银烧结等芯片粘贴解决方案，以及热界面材料，在解决5G技术的热设计问题方面能够发挥重要作用。
在本文中，我们将探讨为什么热设计在5G中至关重要，以及解决这一问题的一些方法。
一、为什么5G需要更高效的热设计？
让5G成为现实的一项关键技术是具备全维度自适应波束成形的大规模多输入多输出（MIMO）技术。MIMO系统采用天线阵列来减少用户间干扰、提高网络容量并实现波束成形。下面的图片展示了一个拥有4×4天线阵列的系统。
通过数字波束成形技术，这些天线中的每一个都应该有其各自的射频收发器。一个典型的射频单元由几个不同的模块组成，比如一个低噪声放大器（LNA）、一个功率放大器（PA）、两个模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），以及一些滤波器和混频器。
为了避免在5G频段出现信号完整性问题，将天线的不同电路元件集成到单个芯片中，并将这个收发器芯片放置在靠近天线的位置，这一点至关重要。因此，对于一个4×4的天线阵列来说，在一块单个的电路板上就有16个收发器芯片。
这种复杂程度导致系统耗电量极大，在这种情况下，热设计就变得至关重要。
例如，这样一个设计为在30GHz下运行的系统，其热密度可能约为1瓦每平方厘米（一块4平方厘米的电路板会产生4W的热量）。这甚至可能被认为是一个相对低功耗的应用。
未来的5G网络预计将采用拥有数百个天线单元的大规模多输入多输出（MIMO）技术，以补偿巨大的传播损耗并实现高效的频率利用。这些网络的热设计将带来严峻的挑战。
二、氮化镓（GaN）：从根本上更适合5G
功率放大器是射频收发器中最耗电的组成部分，在传输时，其功耗可能占总功耗的75%之多。毫米波功率放大器的局部热通量可能高达每平方厘米数千瓦。
功率放大器器件技术以及创新的电路结构对于实现5G来说是必不可少的。从器件选择的角度来看，基于氮化镓（GaN）的解决方案可能是最佳选择。这些器件具有卓越的特性，比如低输出电容、高输出阻抗、高功率密度以及高击穿电压。
这些特性使我们能够拥有效率更高的高功率功率放大器。下图比较了已发布的各种类型功率放大器的输出功率和效率。
如你所见，氮化镓功率放大器（GaN PA）能够在非常高的频率下提供更高水平的输出功率。此外，氮化镓技术使我们能够在很宽的频率范围内实现更高的效率。
三、选择散热结构
尽管基于氮化镓的功率放大器有潜力提供更高的效率和输出功率，但即使使用这些高性能器件，热设计仍然具有挑战性。实际上，如果没有高效的热设计结构，产生的热量会给氮化镓器件带来压力，并限制其射频性能。例如，受散热限制的氮化镓器件可能会出现增益降低、输出功率下降和效率降低的情况。进一步的热应力最终可能会导致可靠性问题。
根据应用的热密度，人们可以选择合适的热设计结构。例如，对于热密度约为1瓦每平方厘米的情况，基于自然对流现象的散热配置可能适用。在热密度更高的情况下，可能需要强制风冷或液冷配置。
1、热管（Heat pipe）
结构：热管是一种具有高导热性能的传热元件，通常由管壳、吸液芯和端盖等部分组成。管内抽成真空并充入适量的工作液体，如蒸馏水、氨、甲醇等。
工作原理：当热管的一端受热时，管内的工作液体吸收热量后蒸发变成蒸汽，蒸汽在微小的压力差下快速流向另一端（冷端），在冷端遇冷后凝结成液体，同时放出大量的汽化热。凝结后的液体在吸液芯的毛细作用下又回流到热端，继续循环工作，从而实现热量的快速传递。
在基站底座散热中的优势：热管具有极高的导热系数，能够快速将基站底座产生的热量传递到散热鳍片或其他散热部件上，有效降低基站底座的温度。而且热管可以根据基站的结构和散热需求进行灵活布置，适应性强。
2、蒸汽腔（Vapar chamber）
结构：蒸汽腔通常是一个扁平的密封腔体，内部有类似毛细结构的介质，腔体中充有可蒸发的工作流体。
工作原理：与热管类似，当蒸汽腔的受热面吸收热量后，工作流体蒸发形成蒸汽，蒸汽在腔体内扩散到冷却面，在那里凝结成液体并释放热量，液体通过毛细结构回流到受热面，完成循环。
在基站底座散热中的优势：蒸汽腔具有较大的散热面积，能更均匀地分配热量，可有效解决基站底座局部过热的问题。它可以制成与基站底座形状相匹配的形式，贴合性好，散热效率高。
3、散热齿
基站散热齿主要有以下作用：
增加散热面积：基站在运行过程中会产生大量热量，散热齿通过其独特的形状和结构，极大地增加了散热部件的表面积。根据热传递原理，表面积越大，热量散发的速度就越快。这样能有效提高散热效率，确保基站设备在适宜的温度范围内运行。
促进空气流通：散热齿之间存在一定的间隙，这些间隙形成了空气通道。当空气流经时，能够形成自然对流或强制对流（借助风扇等设备）。空气的流动可以不断带走散热齿表面的热量，将热空气排出基站设备外部，同时引入冷空气，实现热量的快速交换，维持设备的正常工作温度。
中兴通讯独特的V齿结构设计，改进散热气流，使冷空气正面进两侧出，避免热级联，散热提升20%，成为业界首创。
华为采用了独创的仿生散热技术——辊压接合散热齿(增大散热面积)，使基站的整体散热能力提升20%；
四、辅助散热材料
1、导热泥（Putty）
材料特性：通常是一种具有高导热性能的膏状材料，由导热填料与有机硅等基体混合而成，具有良好的流动性和可塑性。
作用机制：可填充在基站发热部件与散热装置之间的微小间隙中，能有效排除空气，减少热阻。由于其良好的流动性，可紧密贴合各种不规则表面，确保热量能够高效地从发热源传递到散热部件上，从而提高散热效率。
优势：操作方便，可根据需要随意涂抹，适应各种复杂形状的表面；具有较好的长期稳定性，不易干裂或老化，能在较长时间内保持良好的导热性能。
2、导热垫（Thermal pad）
材料特性：一般是由硅胶等高分子材料添加高导热填料制成的片状材料，具有一定的柔软性和弹性。
作用机制：主要是放置在发热元件和散热器之间，利用其柔软可压缩的特性，填充间隙并提供良好的热传导路径。它能够将发热元件产生的热量快速传导至散热器，进而散发到周围环境中。
优势：具有较高的柔韧性，能适应不同程度的表面不平整；安装便捷，可直接裁剪成所需尺寸，无需复杂的涂抹或成型过程，能够快速完成散热系统的组装，提高施工效率。
五、嵌入式散热研究
除了这些传统方法之外，还有一些先进技术试图降低大功率芯片与冷却液之间的热阻，以实现更高效的热设计解决方案。
实际上，研究人员正在开发具有嵌入式散热功能的芯片，在这种芯片中，通过将一种吸热介电流体通过像一根头发丝那么宽（约100um）的微小缝隙泵入芯片来实现热设计。在芯片内部，液体冷却液吸收热量并变成气相。然后，蒸汽被传输到芯片外部，在那里重新冷凝并将热量散发到周围环境中。
有趣的是，所使用的介电流体甚至可以与芯片的电气连接部分相接触。因此，这项技术可用于冷却三维芯片堆叠结构，因为在这种情况下，散热器或冷板可能并不是有效的散热解决方案。
六、总结
5G技术向高频段、高集成度演进引发的热设计挑战，已成为制约其大规模部署的核心瓶颈。通过材料创新（如GaN功率器件）、散热结构优化（热管/蒸汽腔/仿生散热齿）及嵌入式液冷技术突破，业界已构建起从器件级到系统级的多维度热管理方案。GaN器件的高功率密度与宽频效率特性，结合微通道液冷、拓扑散热齿等结构创新，可有效降低热阻并提升散热效率；而介电流体嵌入式冷却等前沿技术，则为三维堆叠芯片提供了突破物理接触限制的散热新范式。
未来，随着智能热控算法与异构集成散热方案的融合，5G热设计将向高密度、低能耗、自适应方向持续演进，支撑6G及更高频段通信的商业化落地。
