多通道大功率氮化鎵T/R組件模塊散熱技術研究
電子技術應用
張文超，孫嘉慶
南京國博電子股份有限公司
摘要： 總結了多通道大功率T/R組件散熱設計中面臨的問題和挑戰，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在高熱流密度散熱場景得到廣泛關注，成為大功率、高熱流密度集成電路一種有效散熱手段，同時多通道的流量分配是影響溫度均勻性的重要因素。應用上述技術，提出一種應用于多通道T/R組件模塊散熱方案的設計方法并應用在具體散熱方案設計中，采用計算流體動力學方法對各種方案分析比較和評價，嵌入載臺的歧管微通道及并聯分流方案，可有效解決局部功率密度大于500 W/cm2的多通道T/R組件冷卻問題，熱阻和通道間溫度均勻度小于2℃。
中圖分類號：TN958.7 文獻標志碼：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組件模塊散熱技術研究[J]. 電子技術應用，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.
中文引用格式： 張文超，孫嘉慶. 多通道大功率氮化鎵T/R組件模塊散熱技術研究[J]. 電子技術應用，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體材料，具有高擊穿場強、高電子遷移率、耐高溫高壓、寬帶隙等特點，與砷化鎵、硅等材料相比具有顯著優勢[1]，適合應用于固態大功率器件和高頻微波器件，廣泛應用于雷達、電力及移動通信領域。各類電子設備大功率、小型化、高集成的需求，對氮化鎵器件的功率及高功率密度提出更高要求。2022年，美國國防高級計劃研究計劃局提出氮化鎵器件功率密度達到81 W/mm的指標，對氮化鎵器件的熱管理及散熱技術提出來巨大挑戰。
如圖1所示，氮化鎵器件的溝道溫度與器件的可靠性指數相關[2]，15~20℃的溫度升高會使器件的平均故障時間降低一個數量級。超過50%以上器件的失效原因與溫度相關[3]，因此，采用有效的散熱技術控制器件的溫度成為必然要求。
圖1 半導體器件可靠性與溫度關系
氮化鎵T/R組件中通常包含多個放大器件，其中發熱量最大的為氮化鎵功放器件，其功率密度可達81 W/mm，對應的發熱功率可達1 400 W/cm2。在陣列電子設備中，T/R組件對溫度均勻性的要求也越來越高，其溫度分布不均會導致各組件的相位不一致，嚴重影響系統系統[4]。
T/R組件散熱方案不但需要控制單個氮化鎵功放芯片的溫度，還需要控制各個T/R組件的溫度均勻性。
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作者信息：
張文超，孫嘉慶
（南京國博電子股份有限公司，江蘇 南京 210096）
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