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5G行业热管理&氮化硅散热

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2022-08-25

导读：热管理是5G面临的主要挑战之一。

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IDTechEx的一份报告指出，热管理是5G面临的主要挑战之一。要实现5G通信预期的目标，既提供低延迟和高下载速率，又同时最大限度地提升覆盖范围，5G仍然面临许多挑战，尤其是在基础架构方面。

根据IDTechEx的报告，5G基础架构的主要挑战之一是热管理。5G天线使用更高频率，需要增加增益才能达到可接受的性能范围。另外，5G毫米波频谱在透过墙壁或窗户等物体时的传播非常差，因此需要更多的单天线单元才能提供足够的覆盖范围。较高的频率还减小了天线元件之间的间距，从而导致电子组件阵列的密度更高，它们都必须及时消散热量。随着网络中天线安装数量的增加和密度的提高，主动热管理冷却方法（例如风扇或液体冷却）在5G基础架构下也将面临挑战。

随着5G基础架构的继续部署，Sub-6 GHz将向毫米波转变，为热管理材料提供了新的机会。

大规模MIMO的兴起增加了RF链的安装数量，波束成形的需求以及网络中使用的大量天线元件，导致天线PCB、功率放大器、波束成形组件等用量的增加。大规模MIMO还推动了数据传输速率和信道的提升，从而加大基带处理单元功耗，对热界面材料的市场需求增加。

随着5G设备数量的增加，对热界面材料（TIM）的要求也急剧增加。不仅前端RF天线需要TIM，基带处理器和电源也需要TIM，这带来了巨大的市场潜力。

当前，经过消费者使用测试的许多早期5G手机（尤其是与mmWave兼容的手机）在使用5G网络高速下载时会过热，而为了芯片冷却被迫回退到4G网络。当然，这是一个临时性的解决方案，以后的消费者会希望在更长的时间范围内可靠使用高速的下载速度，尤其是视频与在线游戏应用。

手机制造商正努力应用多种手段将智能手机中的发热量降至最低，随着5G广泛应用，利用蒸气室（Vapor Chamber）甚至石墨烯散热等技术的设备有了更大幅度的增长。热界面材料的使用方式和数量也在发生重大变化，并面临巨大的市场机会。

第四种散热机制：

氮化硅薄膜或改善半导体器件散热

热扩散通道示意图：传导，对流，辐射和表面声子极化激元

JST（日本科学技术厅）报道，东京大学工业科学研究所项目研究员Yunhui Wu和Masahiro Nomura副教授等与法国国家科学研究中心（CNRS）的塞巴斯蒂安·沃尔兹（Sebastian Volz）教授合作，通过使用光子和声子混合态表面声子极化激元（SPhPs）成功提高了氮化硅薄膜的导热性。

一般认为，固体中的热传导是通过声子的运动实现的，声子是热的载体。对于薄膜，其表面上的散射会阻止声子的传输，从而导致导热系数大大降低，且导热系数随着温度的升高而逐渐降低。在高集成度和小型化的半导体器件中，大量能量集中在较小的区域中，局部发热通常会限制设备性能。因此，产业界做了许多尝试来促进散热。

实验中，研究团队重点关注了SPhPs在硅基集成电路技术中作为半导体器件重要绝缘保护膜的氮化硅薄膜中的导热特性。研究团队通过借用传导率比声子快几个数量级的光的功率来提高热导率，从而探索了传导、对流和辐射后第四散热机制的可能性。

研究团队测量了室温至500°C之间不同厚度的氮化硅纳米膜的热导率时发现，对于厚度为200纳米的薄膜，热导率随温度升高而降低。对于100纳米的薄膜，下降趋势减慢了。对于50纳米和30纳米薄膜，随着温度的升高，热导率持续增加，并且在大约500℃的高温下，其热导率是正常温度下的两倍。该结果表明，在氮化硅薄膜中，SPhPs极大地促进了热传导，可能成为等效于或优于固体热传导的散热机制。

氮化硅薄膜导热率的温度依赖性：表面声子极化激元在更高的温度与更小的薄膜厚度情况下增强了热导率。

目前的结果表明，除了传导、对流和辐射，第四种散热机制可能是通过使用表面声子极化激元（SPhPs）来实现的。SPhPs散热机制，预期可以改善高集成度和小型化的半导体器件散热问题，促进局部热点的散热，将有助于提高器件的性能。

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