新一代高效散熱齒片，為5G大功率基站“瘦身”--高效散熱齒片白皮書

發(fā)布時(shí)間：2024-06-03

中興通訊股份有限公司、深圳市順熵科技有限公司

摘要

5G基站產(chǎn)品向大功率、多頻合一方向演進(jìn)，突破歷史的單機(jī)熱耗給散熱帶來巨大挑戰(zhàn)，吹脹板已不能解決散熱問題。中興通訊與深圳市順熵科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的新一代高效散熱齒片，為解決基站“散熱”和“體積”問題帶來希望。本文介紹了高效散熱齒片的基礎(chǔ)原理、相對(duì)吹脹板的優(yōu)勢(shì)，以及齒片在基站的應(yīng)用收益進(jìn)行了理論分析，并對(duì)該齒片的未來發(fā)展前景進(jìn)行討論。

一、背景

隨著AAU/RRU向大功率、多頻合一的演進(jìn)，整機(jī)功耗持續(xù)上升，熱密度突破歷史，給基站熱管理帶來極大地挑戰(zhàn)。基站產(chǎn)品的市場(chǎng)需求重點(diǎn)在于高性能、小體積、輕量化、高可靠性、低成本、易安裝、易維護(hù)等方面，AAU/RRU位于戶外，環(huán)境較惡劣，從產(chǎn)品可靠性角度看，自然散熱是長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)。

自然散熱技術(shù)主要涉及：均溫技術(shù)、殼體材料、齒形技術(shù)、輻射涂層等；其中均溫技術(shù)包含的組件最多，也是目前業(yè)界研究最多發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮募夹g(shù)。

自然散熱換熱效率相對(duì)風(fēng)冷較低，針對(duì)大功耗整機(jī)若想滿足散熱要求，散熱器的重量和體積遠(yuǎn)超歷史水平。為解決該問題，中興通訊與深圳市順熵科技有限公司聯(lián)合開發(fā)新一代高效散熱齒片，能夠有效降低熱源溫度，從而對(duì)整機(jī)進(jìn)行“瘦身”。

二、新一代高效散熱齒片

2.1背景

兩相散熱組件依靠工質(zhì)相變潛熱來吸收熱量，利用工質(zhì)的高速定向流動(dòng)來傳遞熱量，使熱量由點(diǎn)及面快速的均勻分布，近些年來被廣泛的應(yīng)用于電子設(shè)備散熱。

業(yè)界目前采用”鋁基吹脹工藝“來生產(chǎn)兩相散熱齒片，其主要原因是鋁材料密度小，導(dǎo)熱系數(shù)高，與多種冷媒的兼容性較高；但由于齒片工作于逆重力場(chǎng)景，熱量由豎直側(cè)邊輸入，，故傳統(tǒng)方案下鋁基兩相散熱齒片在上部熱源處易發(fā)生干燒現(xiàn)象，且齒片整體均溫性仍不理想。

業(yè)界為解決吹脹板齒根上部干燒問題，通常對(duì)吹脹管路進(jìn)行氣液循環(huán)設(shè)計(jì)，但齒根與齒頂?shù)臏夭钜琅f較大（齒片上部的齒根齒頂溫差，ΔT>9℃）。

2.2原理

新一代兩相散熱齒片采用潛熱更高的工質(zhì)，通過增大工質(zhì)流動(dòng)覆蓋面積，提升齒片均溫性。同時(shí)氣液隔離，減少攜帶效應(yīng)，循環(huán)更通暢。

圖1 基于5G基站開發(fā)的新一代齒片應(yīng)用實(shí)例（順熵科技提供）

2.3技術(shù)特點(diǎn)

使用該齒片的散熱模組具有“低熱阻，高均溫，高強(qiáng)度”的技術(shù)特點(diǎn)。新一代高效散熱齒片在提高均溫性的情況下，更換殼體材料保證齒片重量，通過管路設(shè)計(jì)與工藝管控保證齒片強(qiáng)度，有效提升齒片性能，使新一代高效散熱齒片齒根與齒頂?shù)臏夭?Delta;T<4℃，溫差降幅超過兩倍。通過提高齒片的均溫性，提升自然散熱的效率，降低瓶頸部位的溫度，從而降低散熱齒高度，為5G大功率基站“瘦身”。

三、高效散熱齒片在基站的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用痛點(diǎn)

5G基站熱耗持續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)前通過導(dǎo)熱材料、殼體材料、吹脹板等技術(shù)降低散熱器導(dǎo)熱熱阻，通過增加齒高提升散熱面積。

但隨著吹脹板齒片增高，肋效率顯著降低，齒片上部的齒根齒頂溫差越來越大，散熱瓶頸：齒高a mm，ΔT>9℃；齒高a+25mm，ΔT>13℃；齒高a+50mm吹脹板，ΔT>16℃。

3.2 單片分析

下圖為中興通訊與順熵科技共同研發(fā)打樣的新一代高效散熱齒片，為5G基站打造，業(yè)界首發(fā)。

經(jīng)過中興通訊熱設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在測(cè)試臺(tái)架實(shí)測(cè)驗(yàn)證，新一代散熱齒片相比PCI齒片熱源溫度顯著降低，齒片各處均溫溫差ΔT＜4℃，說明了新一代散熱齒片可憑借其高效均溫能力以實(shí)現(xiàn)高熱流密度熱源的解熱，為基站產(chǎn)品的進(jìn)一步小型化、輕量化設(shè)計(jì)提供了可能。

圖2 基于5G基站開發(fā)的新一代齒片應(yīng)用實(shí)例

3.2 整機(jī)分析

基于實(shí)測(cè)新一代齒片溫度數(shù)據(jù)，回歸單齒片等效導(dǎo)熱系數(shù)，并應(yīng)用于5G基站產(chǎn)品與傳統(tǒng)鋁基吹脹板進(jìn)行仿真對(duì)比分析。

由溫度云圖可知，應(yīng)用新一代高效散熱齒片，整機(jī)收益顯著，散熱瓶頸解除。

圖3 基于5G基站PCI與新一代齒片仿真對(duì)比（標(biāo)尺一致）

四、未來發(fā)展前景

盡管新一代高效散熱齒片相對(duì)吹脹板散熱方案性能方面已有顯著的提升，但仍有較多問題需要解決。展望新型散熱齒片會(huì)朝著材料改進(jìn)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，兩相強(qiáng)化，低成本，高可靠性去發(fā)展。

Ø 材料改進(jìn)：輕質(zhì)高強(qiáng)度殼體材料、優(yōu)良熱物性冷媒工質(zhì)；

Ø 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：支撐結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、齒形架構(gòu)創(chuàng)新、整機(jī)連接結(jié)構(gòu)創(chuàng)新；

Ø 工藝優(yōu)化：管路成型工藝、焊接工藝、整機(jī)裝配工藝；

Ø 兩相強(qiáng)化：管路設(shè)計(jì)，局部沸騰強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、兩相循環(huán)架構(gòu)設(shè)計(jì)、逆重力補(bǔ)液設(shè)計(jì)；

未來新一代相變均溫齒片突破材料導(dǎo)熱限制，極大提升均溫效果，布局靈活形態(tài)多樣，是未來5G基站應(yīng)對(duì)高熱密度、小型化設(shè)計(jì)需求的關(guān)鍵技術(shù)方向。

兩相均溫齒片目前停滯于吹脹板的研究階段，在IT和光伏逆變有一定應(yīng)用。隨著各種設(shè)備集成化的發(fā)展趨勢(shì)，必定會(huì)導(dǎo)致持續(xù)增長(zhǎng)的高功耗、輕量化極限需求，高效、低成本、高可靠性散熱齒片在電子設(shè)備領(lǐng)域研究與應(yīng)用正急速升溫。

五、結(jié)論

新型散熱齒片作為一種創(chuàng)新的熱管理技術(shù)在5G基站中極具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可有效降低芯片溫度，匹配5G基站的“大功率、全帶寬”發(fā)展，可滿足客戶的“小型化”需求，對(duì)于5G通信發(fā)展具有重要性和潛在價(jià)值。

新型散熱齒片的發(fā)展與應(yīng)用受限于工藝實(shí)現(xiàn)與供應(yīng)鏈生態(tài)，需要相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈各方的共同努力，一齊推動(dòng)兩相均溫齒片的進(jìn)一步研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用。

中興通訊股份有限公司和深圳市順熵科技有限公司聯(lián)合發(fā)布