BAE Systems FAST Labs en phase 2 de DARPA THREADS : ce que le refroidissement des transistors GaN change vraiment pour l’électronique de puissance

BAE Systems FAST Labs a franchi l’étape suivante du programme THREADS de la DARPA, visant à évacuer la chaleur directement au niveau des transistors GaN. Ce palier ouvre la voie à des densités de puissance plus élevées et à des portées radar accrues.

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Phase 1 validée: multiplicateur de densité RF et impact sur la portée radar

Phase 1 du programme THREADS a permis à l’équipe dirigée par FAST Labs de porter la densité de puissance RF à environ cinq fois l’état de l’art. Les essais menés au Microelectronics Center de Nashua ont démontré une augmentation mesurable de la dissipation thermique sans perte notable de performance électrique.

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Concrètement, cette hausse de densité se traduit par une portée radar doublée à fiabilité constante, estimation corroborée par des tests comparatifs en banc. Les chercheurs ont utilisé des transistors en GaN optimisés pour la bande X, où la densité de puissance ciblée peut atteindre des niveaux inédits.

Les partenaires académiques – Penn State, Stanford, Notre Dame et UT Dallas – ont apporté des méthodes de modélisation thermique et des caractérisations RF qui ont accéléré l’itération des prototypes. Les résultats de Phase 1 ont servi de base au passage en Phase 2.

Objectifs techniques de Phase 2: division par huit de la résistance thermique

La Phase 2 vise une réduction ambitieuse de la résistance thermique interne jusqu’à un facteur huit, tout en préservant la qualité du signal RF. Le challenge consiste à évacuer la chaleur depuis les régions de forte dissipation sans introduire d’impédance parasite ni de perte d’insertion.

Les équipes travaillent sur des matériaux et procédés de mise en contact thermique au niveau du dispositif, des interfaces thermostables et des architectures de grille thermique compatibles avec les hautes fréquences. Les livrables attendus incluent des démonstrateurs capables de supporter une densité de puissance de 81 W/mm en bande X.

Une réussite permettrait non seulement d’augmenter la puissance nominale des émetteurs RF, mais aussi d’améliorer la fiabilité à long terme, en réduisant le vieillissement accéléré lié à la chaleur. Les essais se déroulent dans des conditions représentatives d’opération militaire.

Approche intégrée: matériaux, procédés et architecture des transistors

L’approche combine modifications matériaux, procédés d’assemblage et design transistor. FAST Labs explore des substrats à conductivité thermique renforcée et des couches d’interface à faible résistance thermique, tout en maintenant la mobilité des porteurs pour ne pas dégrader la performance électrique.

Modern Microsystems collabore sur l’intégration manufacturable, pendant que les universitaires fournissent des analyses microstructurales et des simulations multi-physiques. Les prototypes sont caractérisés en RF et en thermique jusqu’à des densités extrêmes.

Le but est de produire une solution industrialisable, compatible avec les chaînes de fabrication actuelles de composants GaN, sans recours à des procédés exotiques non reproductibles à grande échelle.

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Conséquences opérationnelles: portée radar et contraintes de déploiement

Atteindre 81 W/mm pour la bande X se traduit par des gains opérationnels tangibles. Augmenter la puissance émise tout en préservant le signal permet de doubler la portée pour une même fiabilité, et jusqu’à tripler dans certains scénarios d’exploitation, selon les simulations système.

Sur le terrain, cela signifie des radars capables de détecter plus tôt ou à plus grande distance, et des liaisons RF solidifiées contre les pertes liées à la température. La densité de puissance accrue impose toutefois des exigences nouvelles en refroidissement au niveau du module et en qualification environnementale.

Les essais au Microelectronics Center de Nashua servent de bancs pour évaluer l’intégration dans des modules réels, avec un suivi des performances RF sur cycles thermiques et vieillissement accéléré.