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5G基站的散熱挑戰(zhàn)

2023.09.07

                     到2025年,通信行業(yè)將消耗全球20%的電力,而在移動通信網(wǎng)絡(luò)中,基站是耗電大戶,大約80%的能耗來自廣泛分布的基站。越加密集的基站意味著更高的能耗,這是5G網(wǎng)絡(luò)面臨的一大成本挑戰(zhàn)。

從能源結(jié)構(gòu)上,耗電意味著成本更高,對環(huán)境污染的間接壓力較大。從熱設(shè)計角度看,則是基站發(fā)熱量增加,溫度控制的難度陡然上升。從上圖的實測數(shù)據(jù)來看,5G基站功耗達(dá)到了4G基站的2.5~4倍。

從事過通訊行業(yè)的工程師都知道,通訊基站通常安裝在樓頂?shù)蔫F架、野外的高處。體積、重量對設(shè)備的安裝便捷性至關(guān)重要。“巧合”的是,功耗、體積、重量都是熱設(shè)計中的核心設(shè)計邊界條件。

從以往的設(shè)計習(xí)慣看,基站是典型的封閉式自然散熱設(shè)備(戶外應(yīng)用,需要嚴(yán)格的防水防塵),熱量從元器件發(fā)出后,

只有兩個去處:

1、被內(nèi)部器件吸收——熱量被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,導(dǎo)致器件溫度升高;

2、由于溫差出現(xiàn),熱量從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體——當(dāng)溫度穩(wěn)定后,熱量轉(zhuǎn)移速率=熱量產(chǎn)生速率

封閉式自然散熱產(chǎn)品,當(dāng)溫度穩(wěn)定后,所有熱量都會先傳到外殼,再由外殼傳導(dǎo)到空氣。

熱量傳遞路徑如下:

2

降低產(chǎn)品體積和重量,對這類產(chǎn)品的熱設(shè)計的需求就演變成在相同空間下盡可能提高換熱效率、降低傳熱熱阻。這里的傳熱熱阻又分為內(nèi)部熱阻和外部熱阻。內(nèi)部熱阻的降低,需要合理的芯片布局,讓熱源本身就更加靠近散熱殼體。這屬于硬件工程師和熱設(shè)計工程師的協(xié)同工作。從材料角度看,芯片和殼體之間需要施加導(dǎo)熱界面材料,5G基站可能會推動熱界面材料的極大提升。

表現(xiàn)在如下幾個方面[3]:

1、盡可能低的熱阻——需要更高導(dǎo)熱系數(shù),更好的界面潤濕度;

2、可靠性——基站應(yīng)用于戶外復(fù)雜環(huán)境,遍布全球各地,溫度范圍達(dá)到-40C~55C,出故障后維護(hù)困難——極佳的熱穩(wěn)定性,抗垂流,抗裂化

3、使用性——5G基站的用量很大,多芯片共用機殼散熱,對于材料裝配自動化、裝配過程中產(chǎn)生的應(yīng)力等有要求

3

封閉式自然散熱產(chǎn)品溫度問題解決思路匯總

從外殼上看,功耗提高,需要設(shè)計更合理的翅片形式,以便匹配基站的高功耗。材質(zhì)層面,需要密度更低、導(dǎo)熱更好、抗腐蝕性強的材料。吹脹板在基站中的應(yīng)用就是基于其高導(dǎo)熱、低密度特征。由于低密度和高導(dǎo)熱屬性,兩相流產(chǎn)品在基站中的應(yīng)用會越來越廣。半固態(tài)壓鑄等工藝的興起,也促進(jìn)了壓鑄機殼材料導(dǎo)熱系數(shù)的提升。

典型兩相流傳熱部件[3]

 

自然散熱的效率是受限的,隨著功耗墻的逼近,基站的風(fēng)冷、液冷也在研究中。溫度控制良好時,不僅影響產(chǎn)品的可靠性,還會降低設(shè)備功耗。由漏電電流導(dǎo)致的靜態(tài)功耗會隨溫度的上升快速上升,而隨著芯片制程的演進(jìn),晶體管尺寸越來越小,漏電電流將越來越大。這意味著溫度對芯片功耗的影響也會越來越顯著。如果溫度控制不當(dāng),那產(chǎn)品功耗會增加,從而進(jìn)一步升溫,造成產(chǎn)品熱循環(huán)惡化。