随着5G的发展，工程师们越来越多地谈论该技术的主要设计挑战之一：热管理。

预计5G技术将为无线通信提供少于1毫秒的延迟，网络能效提高100倍，数据速率高达每秒20吉比特（Gbit / s）的能力。

最近，IDTechEx发布了一份从热管理角度出发的有关5G技术创新和增长机会的报告。根据这项研究，基于GaN的功率放大器（PA），无压银烧结等芯片连接解决方案以及热界面材料可以在解决5G技术的热管理问题方面发挥重要作用。

在本文中，我们将讨论为什么热管理在5G中很重要，以及解决此问题的一些方法。 

为什么5G需要更高效的热管理？

石墨片使5G成为现实的一项关键技术是具有全尺寸自适应波束成形的大规模MIMO。MIMO系统采用天线阵列来减少用户间干扰，增加网络容量并实现波束成形。下图显示了一个带有4×4天线阵列的系统。  

描述高度集成的包装如何引起设计关注。图片由Rick Sturdivant提供

使用数字波束成形时，这些天线中的每一个都应具有自己的RF收发器。典型的RF单元由几个不同的模块组成，例如LNA，PA，两个ADC和DAC，以及一些滤波器和混频器。

为避免在5G频率范围内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此收发器芯片放置在靠近天线的位置非常重要。因此，在使用4×4天线阵列的情况下，单板上有16个收发器芯片。

如此复杂的程度导致了一个耗电的系统，在该系统中，热管理至关重要石墨片。

例如，设计为以30 GHz运行的这种系统可以具有约1 W / cm2的热密度（4 cm2的板产生4 W的热量）。这甚至可以被认为是一种相对低功耗的应用。

预计未来的5G网络将采用具有数百个天线元件的大规模MIMO，以补偿较大的传播损耗并实现有效的频率使用。这些网络的热管理将带来严峻的挑战。  

GaN：从根本上更适合5G

功率放大器是RF收发器中最耗电的构件，发射时可占总功耗的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。

PA设备技术以及创新的电路结构对于实现5G必不可少。从器件选择的角度来看，基于GaN的解决方案可能是最佳选择。这些器件具有出色的特性，例如低输出电容，高输出阻抗，高功率密度和高击穿电压。

这些功能使我们可以拥有效率更高的大功率功率放大器。下图比较了已发布的PA的输出功率和效率。 

图片由马睿（Rui Ma）提供

如您所见，GaN PA可以在非常高的频率下提供更高水平的输出功率。此外，GaN技术使我们能够在较宽的频率范围内具有更高的效率。

选择热结构

尽管基于GaN的功率放大器具有提供更高效率和更高输出功率的潜力，但是即使采用这些高性能器件，热管理仍然面临挑战。实际上，如果没有有效的热结构，所产生的热量会给GaN器件带来压力，并限制其RF性能。例如，受热限制的GaN器件可能具有降低的增益，输出功率和效率。进一步的热应力最终会导致可靠性问题。 

根据应用的热密度，可以选择合适的热结构。例如，在热密度约为1 W / cm2的情况下，基于自然对流现象的冷却配置可能适用。在较高的热密度下，可能需要强制风冷或液冷配置。 

嵌入式散热研究

除这些常规方法外，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，以实现更有效的热管理解决方案。

实际上，研究人员正在开发具有嵌入式冷却功能的芯片，该芯片通过将吸热的介电液通过单根头发（约100μm）宽的微小间隙泵入芯片，从而实现热管理。在芯片内部，液态冷却剂吸收热量并变成气相。蒸汽然后被转移到芯片的外部，在此处重新冷凝并将热量散发到周围环境中。

抽水两相冷却回路图。图片由Pritish R. Parida提供

有趣的是，所采用的介电液甚至可以与芯片的电连接接触。结果，该技术可用于冷却3D芯片堆栈，而在这种情况下，散热片或冷板可能不是有效的解决方案。