DARPA и BAE завершили первый этап отвода тепла от GaN-устройств: плотность мощности увеличена в пять раз

Репортаж от Wedoany，Исследовательская организация FAST Labs компании BAE Systems завершила первый этап проекта «Технологии отвода тепла в электронике на уровне устройств» (Technologies for Heat Removal in Electronics at the Device Scale, THREADS) Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA) и была отобрана для участия во втором этапе. Проект направлен на решение проблемы отвода тепла от устройств на основе нитрида галлия (GaN), которые широко применяются в высокопроизводительных радарах, системах радиоэлектронной борьбы и связи.

Повышение мощности радиочастотных транзисторов приводит к выделению большего количества тепла; если тепло не отводится эффективно, производительность и надёжность транзисторов снижаются, поэтому электронные устройства часто не могут работать на своём теоретическом пределе мощности. DARPA запустила проект THREADS, чтобы решить проблему отвода тепла изнутри устройства, а не только путём установки традиционных систем охлаждения снаружи. Проект сталкивается с двумя основными техническими задачами: во-первых, снижение теплового сопротивления внутри транзистора при сохранении электрических характеристик; во-вторых, эффективный отвод тепла от областей мощных транзисторов без ухудшения радиочастотных характеристик.

GaN — это полупроводник с широкой запрещённой зоной, способный работать при более высокой плотности мощности и частоте, что делает его пригодным для современных радаров с активной фазированной антенной решёткой (АФАР) и систем радиоэлектронной борьбы. DARPA ранее отмечало, что плотность мощности GaN уже более чем в пять раз выше по сравнению с ранними транзисторными технологиями, однако при преодолении теплового барьера теоретически существует ещё больший потенциал для роста. Цель DARPA в проекте THREADS — снизить тепловое сопротивление в восемь раз и достичь плотности мощности 81 Вт/мм для испытательных устройств X-диапазона — транзисторов и усилителей мощности.

Решение проблемы отвода тепла оказывает значительное влияние на характеристики на системном уровне. DARPA ранее оценивало, что устранение тепловых ограничений может увеличить дальность обнаружения радаров в два-три раза. Согласно последнему обновлению агентства, участники проекта THREADS на первом этапе повысили радиочастотную плотность мощности примерно в пять раз по сравнению с текущим передовым уровнем, что эквивалентно примерно удвоению дальности обнаружения радаров при сохранении надёжности, необходимой для боевого применения. Однако не каждый радар с технологией THREADS автоматически удвоит дальность действия; фактические характеристики радара также зависят от характеристик антенны, частоты, размера цели, атмосферных условий и обработки сигналов.

BAE Systems продвигает соответствующую работу в своём микроэлектронном центре в Нашуа, штат Нью-Гэмпшир, где разрабатываются и производятся интегральные схемы на основе GaN и арсенида галлия для оборонных применений. Проект THREADS реализуется в сотрудничестве с компанией Modern Microsystems, а также с исследователями из Университета штата Пенсильвания, Стэнфордского университета, Университета Нотр-Дам и Техасского университета в Далласе.

Проект THREADS является частью долгосрочных исследований, направленных на повышение способности отвода тепла от электронных устройств на основе GaN. Ранее DARPA продемонстрировало GaN-транзисторы на алмазной подложке в рамках проекта «Теплоперенос вблизи перехода» (Near Junction Thermal Transport), используя высокую теплопроводность алмаза для снижения температуры перехода транзистора. THREADS развивает эти исследования, изучая материалы, структуры устройств и методы непосредственного отвода тепла на уровне транзистора. Для BAE Systems переход ко второму этапу означает переход от предварительных исследований к дальнейшей разработке и проверке технических решений, конечная цель которых — не просто создание транзисторов с более низкой температурой, а реализация радиочастотных устройств, способных генерировать значительно более высокую мощность без увеличения размеров, снижения надёжности и без тепловых ограничений.