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氮化镓（GaN）可以输出巨大的射频功率，但发热问题限制了它的发展。美国国防高级研究计划局（DARPA）和英国航空航天系统公司（BAE Systems）正在努力解决这个问题。
BAE系统公司正进入DARPA一项旨在解决高功率射频电子领域最棘手难题之一——散热——的项目的第二阶段。
BAE Systems 的 FAST Labs 研究机构已完成 DARPA 的器件级电子设备散热技术 (THREADS) 计划的第一阶段，并被选中继续进入第二阶段。该研究工作主要集中在氮化镓 (GaN) 器件上，这些器件已广泛应用于高性能雷达、电子战和通信系统。
这个问题原理很简单，但解决起来却很困难。提高射频晶体管的功率会产生更多热量。如果这些热量不能有效散发，晶体管的性能和可靠性就会受到影响。结果，电子设备可能在低于其理论功率极限的情况下运行。
DARPA 开发 THREADS 项目旨在解决器件内部的问题，而不是简单地在其周围添加更大的传统冷却系统。该机构表示，该项目着眼于两大挑战：在保持电性能的前提下降低晶体管内部的热阻，以及在不降低射频性能的前提下，高效地将热量从高功率晶体管区域散发出去。
为什么氮化镓很重要
氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体，在军用射频电子领域的重要性日益凸显。与较早的半导体技术相比，它可以在更高的功率密度和频率下工作，使其在现代有源电子扫描阵列（AESA）雷达和电子战系统中尤为有用。
DARPA此前曾指出，与早期的晶体管技术相比，GaN 的功率密度已经提高了五倍以上，但理论上，如果工程师能够克服散热问题，还可以取得更大的进步。
这一点至关重要，因为射频功率直接影响雷达和通信设备等系统的性能。更充足的可用射频功率可能意味着更强的信号、更远的探测距离或更强大的电子效应。
DARPA 目前对 THREADS 的描述是，其目标是将 X 波段晶体管和功率放大器测试器件的热阻降低八倍，功率密度达到 81 W/mm。
从热问题到远程雷达
潜在的作战效益十分显著。DARPA此前估计，解决热限制问题可使雷达探测距离提高两到三倍。该机构最新的数据显示，在第一阶段，THREADS试验中，雷达的射频功率密度比目前最先进的水平提高了约五倍，这相当于雷达探测距离翻了一番，同时还保持了作战所需的可靠性。
但这并不意味着所有采用 THREADS 技术的雷达都会自动将探测距离翻倍。雷达性能取决于诸多因素，包括天线特性、频率、目标尺寸、大气条件和信号处理。相反，这些数据表明，在半导体层面解决热限制问题，会对整个系统产生巨大的影响。
BAE系统公司正在其位于新罕布什尔州纳舒厄的微电子中心开展相关工作。该公司已在该中心开发和制造用于国防领域的氮化镓（GaN）和砷化镓（GaA）集成电路。其THREADS项目涉及与Modern Microsystems公司以及宾夕法尼亚州立大学、斯坦福大学、圣母大学和德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员的合作。
在早期热能突破的基础上
THREADS项目也是一项旨在提升氮化镓电子器件散热性能的长期计划的一部分。此前，DARPA通过其近结热传输计划展示了一种氮化镓/金刚石晶体管，利用金刚石极高的导热性来降低晶体管结附近的温度。
THREADS项目将挑战进一步拓展，着眼于材料、器件结构以及在晶体管层面直接散热的方法。对于BAE系统公司而言，进入第二阶段意味着超越初步研究，进一步开发和验证其方法。最终目标并非仅仅是制造出更冷的晶体管，而是制造出一种射频器件，能够在不增加体积、降低可靠性或限制散热的前提下，产生更大的功率。
（来源：编译自interestingengineering，谢谢）
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