隨著小型彈藥和無人系統等小型外形的不斷推動，國防部正在推動電子系統集成和處理密度的界限。雖然現在越來越小的占地面積已成為現實，但通常不考慮散熱的挑戰;然而，應對熱量挑戰以確保長期可靠和可重復的系統性能現在正成為系統設計中更重要的部分，特別是在考慮許多航空航天和國防系統必須運行的極端溫度范圍時。為了滿足未來的系統尺寸，重量和功率（SWaP）需求，需要將越來越多的系統設計時間分配給熱挑戰。

集成驅動熱挑戰

進一步回顧這一挑戰，考慮一個典型的射頻接收器和發射器，它可以作為軍用無線電的基礎，雷達系統的元件數字化，或無人機或高級彈藥的通信鏈路，類似于圖1所示。取決于在運行頻率和具體應用方面，系統需要集成一系列關鍵功能和技術才能實現最佳性能。

RF前端需要功率和低噪聲放大器，很可能基于GaAs或氮化鎵。混頻級，中間放大器和合成器將在GaAs或SiGe上開發，數字轉換器和FPGA節點在CMOS上開發。這可能導致在信號鏈中使用四種或五種不同的技術，并且具有更多的工藝幾何變化。高度集成這些可能導致需要在幾平方英寸的熱通道中耗散50 W或更多。

廣泛應用于雷達和電子戰系統的GaN基功率放大器（PA），在系統要求和功率密度方面存在其他挑戰。例如，圖2中所示的兩個GaN MMIC每個耗散80 W并且多個PA組合在一起。

為了優化SWaP和成本，需要徹底了解熱設計。將關鍵部件的溫度保持在其操作范圍內。從熱學角度來看，每種技術和應用都有其自身的挑戰，但降低SWaP的動力集中了熱密度。因此，需要從多個角度審查散熱，因為在MMIC的柵極中產生的熱量通過多個層和界面以連續鏈的形式流動，直到它最終到達與周圍環境的連接點。必須檢查整個鏈的系統熱優化，SWaP和成本。

雖然對系統尺寸減小的關注肯定會使熱挑戰變得更加復雜，但是先進的工藝節點可以立即減輕并增加設備集成。先進的SiGe和CMOS節點通過增加集成數字信號處理功能，可顯著降低功耗，從而提高集成度。這支持增強的功能，通常與上一代架構的功率相同。 GaN器件的較高結溫降低了這些單個元件的冷卻要求。但是，流程節點遷移不足以應對系統小型化似乎變得更快的熱挑戰。

模擬是關鍵

雖然原型構建和測試在確認設計假設方面仍然至關重要，但開發時間和高成本會妨礙基于硬件測試的高效優化。因此，詳細的模擬是必不可少的，可以快速評估多個系統的變化。需要從整個系統的角度評估系統權衡。需要多個模型水平和工具，因為幾何形狀可以從亞微米門到儀表外殼擴展六個數量級，并且發揮中的發熱和傳遞機制可以包括傳導，對流，輻射和EM能量。建模和仿真方法可實現快速性能和成本權衡，從器件門級到系統級元件布局，零件設計和材料選擇，或風扇和散熱器規格進行優化。

最大度數自由來自系統設計人員，他們對整個系統鏈進行設計控制，從MMIC門級到周圍環境，實現全面的權衡。圖3顯示了系統，電路板和芯片級仿真的示例，可以實現對熱挑戰的完整系統方法，仿真結果可能會影響器件位置和器件修改。

完成這種收縮分析通常需要多個模型和軟件包。專門的分析技術，如用于流體/空氣對流的計算流體動力學（CFD）代碼或RF損耗的電磁仿真，每種技術之間需要進行切換。

例如，用于雷達或電子戰系統的機架式空氣冷卻大功率固態放大器可能需要以下內容：

微米級有限元分析（FEA）

用于確定射頻線路中產生的功率的電磁損耗分析

底盤有限元分析

氣流和氣流的CFD分析對流到環境條件

最大溫度增量通常發生在最大熱濃度的位置，最終靠近閘門。在圖2中，通常70％的溫度從環境溫度升至結點是在MMIC內。在某些情況下，雷達系統的功率密度現在超過6 W / mm，這使得模擬權衡變得更加關鍵。

選擇正確的材料

選擇和使用用于散熱的非常高的導熱材料顯然是至關重要的。例如，用于雷達的最新功率放大器中使用的高功率密度GaN管芯 - 基板通常是SiC，第一附著層是AuSn焊料。超過0.005“的材料，熱通量密度可從13,000 W /mm2降低到24 W /mm2。隨著熱量繼續流過系統，其擴散將繼續降低其磁通密度。但是，材料的選擇嚴重受熱膨脹系數（CTE）匹配，對地電導率以及操縱材料的成本和能力的限制。

CTE不匹配會導致基板開裂或粘接層（如焊料和環氧樹脂）脫層。冷藏和工作溫度是航空航天和國防系統性能標準的關鍵方面，往往會產生最大的CTE驅動應力，因為焊料和環氧樹脂設計用于在高溫下加工。如果分離處于高熱濃度區域 - 例如直接在高功率FET下，即使溫和的分層也會對模具的熱性能產生災難性影響。將被測設計的IR圖像上的熱點溫度與相同設計的已知良好圖像進行比較是在評估新材料時識別早期分層的有用方法。環氧和燒結銀制造商正在開發具有較低彈性模量的產品，以吸收CTE應力，同時仍保持相對良好的熱性能。靠近模具的導熱性是一個關鍵的材料研究領域，具有極高的導熱性材料，如金剛石。

成本和SWaP的材料優化

隨著防御系統繼續看為了降低SWaP和成本，在成本，重量和尺寸目標方面的性能權衡決策總是在系統架構和熱權衡中交織在一起。金剛石復合材料等材料的使用似乎很難證明是合理的，然而，即使是散熱器中的這些材料中的一小部分，在模具附近的高熱量區域也可以大大降低設備溫度并節省其他部件的成本和重量。圖4比較了在鋁基底上用CuW載體建模的60 W GaN管芯與在鋁基底上的銅嵌件上的金剛石鋁基質材料載體相比較。后者將結溫降低了37°C以上，提高了系統性能和壽命，同時還可以在系統的其他地方實現其他SWaP和成本權衡。

在其他示例中，對流冷卻系統（例如安裝在機架上的系統）可能受到散熱器底座上的大溫度增量以及散熱片到周圍空氣的挑戰。散熱器和風扇選擇具有顯著的成本和性能影響，還需要從系統級角度進行指定。對于給定的散熱器體積，更好的性能是由更高的對流傳熱速率驅動的，這需要更大的背壓，例如來自更緊密的通道或破壞邊界層的交錯/開槽翅片，這反過來需要更大且更耗電的風扇。風扇的選擇也會影響性能，軸流風機通常最容易設計并為低壓系統提供高容量，而離心式風機或鼓風機能夠承受更高的壓力，但體積更小。

最后，散熱片材料的選擇范圍可以顯著影響成本，但在許多情況下，使用切削銅散熱片似乎提供了良好的性能和成本平衡。嵌入式熱管也可以是極佳的低重量設備，可大大提高散熱器基板的有效導熱性，但它們不適用于所有具有高 g 力環境的環境作為特定問題。

解決今天的挑戰

雖然看起來熱挑戰在許多權衡中是不祥的，但使用系統方法可以實現平衡成本，尺寸和性能的解決方案。先進的仿真為快速決策提供了支柱，可以實現從模具中的澆口級到整個系統的詳細分析，以及散熱器和散熱器的影響。使用這些先進的模擬，可以進行其他權衡，從材料選擇到冷卻技術和最佳布局。

在MMIC級別和系統級別做出設計決策，使高熱量集中系統成為可能。 KHPA-0811W 2 kW固態功率放大器和HMC7056集成上變頻器和PA說明了實現優化系統級散熱解決方案的示例。兩個示例均采用最新的MMIC工藝，MMIC設計，基板和布局均受到全系統熱分析的影響。兩者都需要詳細的仿真分析，仔細的元件集成，布局以及材料選擇，以便為便攜式系統設計的HMC7056平衡性能和成本。

顯然，系統和MMIC設計都在控制之下同一設計團隊幫助實現這些權衡，最終為未來的航空航天和國防系統提供最高可靠性，成本和性能優化的解決方案。