Perché la gestione termica è un argomento caldo nella progettazione 5G

16 ore fa p Steve Arar\n\nSi prevede che la tecnologia 5G fornisca comunicazioni wireless con una latenza inferiore a 1 ms, 100 volte il miglioramento dell'efficienza energetica della rete e velocità di trasmissione dati fino a 20 gigabit al secondo (Gbit / s).\n\nRecentemente, IDTechEx ha pubblicato un report sulle opportunità di innovazione e crescita della tecnologia 5G dal punto di vista della gestione termica. Secondo questa ricerca, amplificatori di potenza (PA) basati su GaN, soluzioni die-attach come la sinterizzazione dell'argento senza pressione e materiali di interfaccia termica possono svolgere un ruolo significativo nell'affrontare i problemi di gestione termica della tecnologia 5G. \u003cbr\u003e\n\nIn questo articolo, discuteremo perché la gestione termica è importante nel 5G e alcuni modi per risolvere questo problema.\n\nUna tecnologia chiave per trasformare il 5G in realtà è il MIMO massiccio con beamforming adattivo a dimensione intera. I sistemi MIMO utilizzano una serie di antenne per ridurre le interferenze tra utenti, aumentare la capacità della rete e ottenere il beamforming. \u003cbr\u003e La figura seguente mostra un sistema con una serie di antenne 4 × 4.\n\nCon il beamforming digitale, ciascuna di queste antenne dovrebbe avere il proprio ricetrasmettitore RF. Una tipica unità RF è costituita da diversi blocchi diversi come un LNA, un PA, due ADC e DAC e alcuni filtri e mixer. \u003cbr\u003e\n\nPer evitare problemi di integrità del segnale nella gamma di frequenza 5G, è importante integrare diversi elementi del circuito di un'antenna in un singolo chip e posizionare questo chip ricetrasmettitore vicino all'antenna. Quindi, con un array di antenne 4 × 4, ci sono 16 chip ricetrasmettitori su una singola scheda.\n\nQuesto livello di complessità porta a un sistema assetato di energia in cui la gestione termica è di fondamentale importanza. \u003cbr\u003e\n\nAd esempio, un tale sistema progettato per funzionare a 30 GHz può avere una densità di calore di circa 1 W / cm2 (4 W di calore generati da una scheda da 4 cm2). Questa potrebbe anche essere considerata un'applicazione relativamente a bassa potenza.\n\nSi prevede che le future reti 5G utilizzeranno un MIMO massiccio con centinaia di elementi di antenna per compensare le grandi perdite di propagazione e ottenere un utilizzo efficiente della frequenza. \u003cbr\u003e La gestione termica di queste reti porrà serie sfide.\n\nGli amplificatori di potenza sono gli elementi costitutivi più assetati di energia di un ricetrasmettitore RF e possono rappresentare fino al 75% della dissipazione totale durante la trasmissione. Il flusso di calore locale delle PA a onde millimetriche può raggiungere migliaia di watt per centimetro quadrato. \u003cbr\u003e\n\nLa tecnologia dei dispositivi PA insieme a strutture circuitali innovative è necessaria per rendere il 5G una realtà. Dal punto di vista della selezione del dispositivo, le soluzioni basate su GaN possono essere le migliori opzioni. Questi dispositivi hanno caratteristiche superiori come bassa capacità di uscita, alta impedenza di uscita, alta densità di potenza e alta tensione di rottura. \u003cbr\u003e\n\nQueste caratteristiche ci consentono di avere PA ad alta potenza con maggiore efficienza. La figura seguente confronta la potenza di uscita e l'efficienza delle PA pubblicate.\n\nCome puoi vedere, i GaN PA possono fornire un livello più alto di potenza di uscita a frequenze molto alte. \u003cbr\u003e Inoltre, la tecnologia GaN ci consente di avere una maggiore efficienza su un'ampia gamma di frequenze.\n\nSebbene i PA basati su GaN abbiano il potenziale per offrire maggiore efficienza e potenza di uscita, la gestione termica è ancora impegnativa anche con questi dispositivi ad alte prestazioni. Infatti, senza una struttura termica efficiente, il calore generato può mettere sotto stress un dispositivo GaN e limitarne le prestazioni RF. \u003cbr\u003e Ad esempio, un dispositivo GaN termicamente limitato può avere guadagno, potenza di uscita ed efficienza ridotti. Un ulteriore stress termico può alla fine portare a problemi di affidabilità.\n\nA seconda della densità di calore di un'applicazione, è possibile scegliere una struttura termica appropriata. \u003cbr\u003e Ad esempio, con una densità di calore di circa 1 W / cm2, potrebbero essere applicabili configurazioni di raffreddamento basate su fenomeni di convezione naturale. A densità di calore più elevate, potrebbero essere necessarie configurazioni di raffreddamento ad aria forzata o raffreddamento a liquido.\n\nOltre a questi metodi convenzionali, esistono tecniche avanzate che tentano di ridurre l'impedenza termica tra i chip ad alta potenza e il refrigerante per ottenere una soluzione di gestione termica più efficiente. \u003cbr\u003e\n\nIn effetti, i ricercatori stanno sviluppando chip con raffreddamento incorporato in cui la gestione termica viene ottenuta pompando un fluido dielettrico che estrae il calore nel chip attraverso spazi microscopici larghi come una singola ciocca di capelli (~ 100 μm). All'interno del chip, il refrigerante liquido estrae il calore e si trasforma in fase vapore. Il vapore viene quindi trasferito all'esterno del chip dove si ricondensa e scarica il calore nell'ambiente circostante. \u003cbr\u003e\n\nÈ interessante notare che il fluido dielettrico impiegato può persino entrare in contatto con le connessioni elettriche del chip. Di conseguenza, questa tecnologia può essere utilizzata per raffreddare stack di chip 3D in cui un dissipatore di calore o una piastra fredda potrebbe non essere una soluzione efficace .. \u003cbr\u003e