《電子技術(shù)應(yīng)用》
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多通道大功率氮化鎵T/R組件模塊散熱技術(shù)研究
電子技術(shù)應(yīng)用
張文超,孫嘉慶
南京國(guó)博電子股份有限公司
摘要: 總結(jié)了多通道大功率T/R組件散熱設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn),分析了各種散熱方案的散熱能力。微通道和歧管微通道散熱技術(shù)在高熱流密度散熱場(chǎng)景得到廣泛關(guān)注,成為大功率、高熱流密度集成電路一種有效散熱手段,同時(shí)多通道的流量分配是影響溫度均勻性的重要因素。應(yīng)用上述技術(shù),提出一種應(yīng)用于多通道T/R組件模塊散熱方案的設(shè)計(jì)方法并應(yīng)用在具體散熱方案設(shè)計(jì)中,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)各種方案分析比較和評(píng)價(jià),嵌入載臺(tái)的歧管微通道及并聯(lián)分流方案,可有效解決局部功率密度大于500 W/cm2的多通道T/R組件冷卻問(wèn)題,熱阻和通道間溫度均勻度小于2℃。
中圖分類號(hào):TN958.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256766
中文引用格式: 張文超,孫嘉慶. 多通道大功率氮化鎵T/R組件模塊散熱技術(shù)研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2025,51(9):84-89.
英文引用格式: Zhang Wenchao,Sun Jiaqing. Research on heat dissipation technology for multi-channel high power GaN T/R module[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(9):84-89.
Research on heat dissipation technology for multi-channel high power GaN T/R module
Zhang Wenchao,Sun Jiaqing
Nanjing Guobo Electronics Co., Ltd.
Abstract: This paper summarizes the problems and challenges faced in the heat dissipation design of multi-channel high-power T/R module, and analyzes the heat dissipation capabilities of various heat dissipation solutions. Microchannel and manifold microchannel heat dissipation technology has received widespread attention in high heat flux density heat dissipation scenarios, and has become an effective heat dissipation method for high-power, high heat flux density integrated circuits. At the same time, multi-channel flow distribution is an important factor affecting temperature uniformity. Applying the above technology, this paper proposes a design method for heat dissipation solutions for multi-channel T/R component modules and applies it to the design of specific heat dissipation solutions. The Computational Fluid Dynamics(CFD) method is used to analyze, compare and evaluate various solutions. The manifold microchannel and parallel shunt solution embedded in the carrier can effectively solve the cooling problem of multi-channel T/R components with local power density greater than 500 W/cm2, and the thermal resistance and temperature uniformity between channels are less than 2 degrees Celsius.
Key words : GaN;multi-channel;T/R module;microchannel;manifold microchannel;flow distribution

引言

氮化鎵是一種第三代半導(dǎo)體材料,具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子遷移率、耐高溫高壓、寬帶隙等特點(diǎn),與砷化鎵、硅等材料相比具有顯著優(yōu)勢(shì)[1],適合應(yīng)用于固態(tài)大功率器件和高頻微波器件,廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電力及移動(dòng)通信領(lǐng)域。各類電子設(shè)備大功率、小型化、高集成的需求,對(duì)氮化鎵器件的功率及高功率密度提出更高要求。2022年,美國(guó)國(guó)防高級(jí)計(jì)劃研究計(jì)劃局提出氮化鎵器件功率密度達(dá)到81 W/mm的指標(biāo),對(duì)氮化鎵器件的熱管理及散熱技術(shù)提出來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

如圖1所示,氮化鎵器件的溝道溫度與器件的可靠性指數(shù)相關(guān)[2],15~20℃的溫度升高會(huì)使器件的平均故障時(shí)間降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。超過(guò)50%以上器件的失效原因與溫度相關(guān)[3],因此,采用有效的散熱技術(shù)控制器件的溫度成為必然要求。

圖片1.png

圖1 半導(dǎo)體器件可靠性與溫度關(guān)系

氮化鎵T/R組件中通常包含多個(gè)放大器件,其中發(fā)熱量最大的為氮化鎵功放器件,其功率密度可達(dá)81 W/mm,對(duì)應(yīng)的發(fā)熱功率可達(dá)1 400 W/cm2。在陣列電子設(shè)備中,T/R組件對(duì)溫度均勻性的要求也越來(lái)越高,其溫度分布不均會(huì)導(dǎo)致各組件的相位不一致,嚴(yán)重影響系統(tǒng)系統(tǒng)[4]。

T/R組件散熱方案不但需要控制單個(gè)氮化鎵功放芯片的溫度,還需要控制各個(gè)T/R組件的溫度均勻性。


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作者信息:

張文超,孫嘉慶

(南京國(guó)博電子股份有限公司,江蘇 南京 210096)


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