5G技術發展與散熱技術挑戰：材料世界網

劉君愷／工研院電光所、台灣熱管理協會(TTMA)

5G技術開發已成為全球關注重點，新技術如毫米波技術及陣列模組等技術導入，尤其在基地台、終端設備元件、系統硬體設施的開發，皆是全球電子產業關注重點。在頻率提升及速率增加的趨勢下，發熱功率隨之提升已成為技術瓶頸。透過散熱元件及設計的導入以得到最佳資料傳輸效能，並滿足高可靠度及成本的需求，已成為散熱設計導入關鍵，也帶來下一波散熱技術的商機。本文介紹5G技術的發展與散熱瓶頸，以及針對5G散熱應用的散熱技術發展。

【內文精選】

5G技術發展

隨著手機的普及與各種行動多媒體影音的大量應用，使用者在資料傳輸速率及品質的要求越來越高；而物聯網及車聯網等平台技術興起，對於網路頻寬的需求也越來越大。目前4G網路已無法滿足需求，因而5G通訊開始受到重視。5G通訊是第5代行動通訊網路(5th Generation Mobile Networks)的泛稱，5G系統必須要能達到以下幾項能力：以10 Gbps以上的資料傳輸速率支援數萬用戶、大規模的並發連結能力及感測器網路的部署。其在覆蓋率、頻譜效率及低延遲性皆遠勝於4G。以目前主流的4G LTE (Long Term Evolution)來看，常用的頻段多集中於450 MHz~3,800 MHz區間。然而，由於此區間已非常擁擠，因此介於30 GHz~300 GHz的毫米波(mmWave)頻段，頻段資源相對豐富。4G/5G技術比較如表一。

目前不論是基地台製造商、微基站製造商或終端設備廠商都投入5G的相關應用，包括①IoT應用，低於1 GHz的IoT應用需低資料傳輸率、長距離的覆蓋率及低成本，使用的技術包括如Wi-Fi及專用網路如SigFox及LoRa；②Sub-6 GHz，使用低於6 GHz的頻率，採用具Massive MIMO (mMIMO)的4G技術，更多載波聚合及無線前端模組整合將技術持續推進；③毫米波使用超過10 GHz的頻率，如28 GHz、39 GHz或60 GHz用於短距高資料傳輸率。5G技術發展如圖一所示。

5G技術與散熱挑戰

5G技術引起的散熱問題，主要來自於無線技術的提升需求所引起的功耗提升，以及模組及系統整合、縮裝及可靠度之要求。以硬體設備來看，包含基地台、微基站及手機等終端設備的無線裝置的散熱；另外就是由於資料傳輸速度提升及功能增加造成的處理器運算能力增加，繼而所產生的功耗增加；而以硬體裝置來看，則包括資料中心(Data Center)及手機裝置的微處理器發熱問題。本文將針對無線相關技術及設備的散熱問題進行介紹。

1. 5G無線通訊晶片及模組散熱問題

以晶片層級來看，包括Si CMOS元件、GaAs元件以及GaN元件。為了滿足毫米波的高功率密度需求，開始採用具有低功耗的寬能隙元件，GaN元件的功率模組成為新的技術需求。目前在手機等終端由於強調元件整合，無線模組多採用Si CMOS及GaAs元件，而GaN元件則開始應用於基地台RF模組，手機等終端應用也開始受到重視，如圖三所示。

圖三、無線模組晶片應用

散熱技術發展

在散熱的方式上，對於基地台及手機等終端裝置以被動散熱的自然對流為主，在系統中則以傳導為主，因此散熱材料必須具有高的熱傳導率。尤其是手機有表面溫度的限制，在橫向的熱擴散性質非常重要，可以降低熱點溫度。目前應用在手機的熱擴散材料以銅箔、石墨片為主，隨著手機發熱量增加，並開始導入超薄（厚度<1 mm）熱管及均溫板等高導熱裝置。目前受到重視的熱導板(Thermal Ground Plane; TGP)技術，目標是在徑向有高熱傳導率，約在範圍10 kW/m·K~20 kW/m·K，約高於銅25~50倍及高於合成鑽石10倍，厚度在1 mm以下，部分技術並具有低CTE及元件可撓等優點，如圖十三所示。