多通道大功率氮化镓T/R组件模块散热技术研究
电子技术应用
张文超，孙嘉庆
南京国博电子股份有限公司
摘要： 总结了多通道大功率T/R组件散热设计中面临的问题和挑战，分析了各种散热方案的散热能力。微通道和歧管微通道散热技术在高热流密度散热场景得到广泛关注，成为大功率、高热流密度集成电路一种有效散热手段，同时多通道的流量分配是影响温度均匀性的重要因素。应用上述技术，提出一种应用于多通道T/R组件模块散热方案的设计方法并应用在具体散热方案设计中，采用计算流体动力学方法对各种方案分析比较和评价，嵌入载台的歧管微通道及并联分流方案，可有效解决局部功率密度大于500 W/cm2的多通道T/R组件冷却问题，热阻和通道间温度均匀度小于2℃。
中图分类号：TN958.7 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256766
中文引用格式： 张文超，孙嘉庆. 多通道大功率氮化镓T/R组件模块散热技术研究[J]. 电子技术应用，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： 张文超，孙嘉庆. 多通道大功率氮化镓T/R组件模块散热技术研究[J]. 电子技术应用，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
氮化镓是一种第三代半导体材料，具有高击穿场强、高电子迁移率、耐高温高压、宽带隙等特点，与砷化镓、硅等材料相比具有显著优势[1]，适合应用于固态大功率器件和高频微波器件，广泛应用于雷达、电力及移动通信领域。各类电子设备大功率、小型化、高集成的需求，对氮化镓器件的功率及高功率密度提出更高要求。2022年，美国国防高级计划研究计划局提出氮化镓器件功率密度达到81 W/mm的指标，对氮化镓器件的热管理及散热技术提出来巨大挑战。
如图1所示，氮化镓器件的沟道温度与器件的可靠性指数相关[2]，15~20℃的温度升高会使器件的平均故障时间降低一个数量级。超过50%以上器件的失效原因与温度相关[3]，因此，采用有效的散热技术控制器件的温度成为必然要求。
图1 半导体器件可靠性与温度关系
氮化镓T/R组件中通常包含多个放大器件，其中发热量最大的为氮化镓功放器件，其功率密度可达81 W/mm，对应的发热功率可达1 400 W/cm2。在阵列电子设备中，T/R组件对温度均匀性的要求也越来越高，其温度分布不均会导致各组件的相位不一致，严重影响系统系统[4]。
T/R组件散热方案不但需要控制单个氮化镓功放芯片的温度，还需要控制各个T/R组件的温度均匀性。
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作者信息：
张文超，孙嘉庆
（南京国博电子股份有限公司，江苏 南京 210096）
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