新一代高效散热齿片,为5G大功率基站“瘦身”--高效散热齿片白皮书

发布时间:2024-06-03

中兴通讯股份有限公司、深圳市顺熵科技有限公司

摘要

5G基站产品向大功率、多频合一方向演进,突破历史的单机热耗给散热带来巨大挑战,吹胀板已不能解决散热问题。中兴通讯与深圳市顺熵科技有限公司联合开发的新一代高效散热齿片,为解决基站“散热”和“体积”问题带来希望。本文介绍了高效散热齿片的基础原理、相对吹胀板的优势,以及齿片在基站的应用收益进行了理论分析,并对该齿片的未来发展前景进行讨论。

 

一、背景

随着AAU/RRU向大功率、多频合一的演进,整机功耗持续上升,热密度突破历史,给基站热管理带来极大地挑战。基站产品的市场需求重点在于高性能、小体积、轻量化、高可靠性、低成本、易安装、易维护等方面,AAU/RRU位于户外,环境较恶劣,从产品可靠性角度看,自然散热是长期发展趋势。

自然散热技术主要涉及:均温技术、壳体材料、齿形技术、辐射涂层等;其中均温技术包含的组件最多,也是目前业界研究最多发展潜力最大的技术。

自然散热换热效率相对风冷较低,针对大功耗整机若想满足散热要求,散热器的重量和体积远超历史水平。为解决该问题,中兴通讯与深圳市顺熵科技有限公司联合开发新一代高效散热齿片,能够有效降低热源温度,从而对整机进行“瘦身”。

 

二、新一代高效散热齿片

2.1背景

两相散热组件依靠工质相变潜热来吸收热量,利用工质的高速定向流动来传递热量,使热量由点及面快速的均匀分布,近些年来被广泛的应用于电子设备散热。

业界目前采用”铝基吹胀工艺“来生产两相散热齿片,其主要原因是铝材料密度小,导热系数高,与多种冷媒的兼容性较高;但由于齿片工作于逆重力场景,热量由竖直侧边输入,,故传统方案下铝基两相散热齿片在上部热源处易发生干烧现象,且齿片整体均温性仍不理想。

业界为解决吹胀板齿根上部干烧问题,通常对吹胀管路进行气液循环设计,但齿根与齿顶的温差依旧较大(齿片上部的齿根齿顶温差,ΔT>9℃)。

 

2.2原理

新一代两相散热齿片采用潜热更高的工质,通过增大工质流动覆盖面积,提升齿片均温性。同时气液隔离,减少携带效应,循环更通畅。

图1  基于5G基站开发的新一代齿片应用实例(顺熵科技提供)

 

2.3技术特点

使用该齿片的散热模组具有“低热阻,高均温,高强度”的技术特点。新一代高效散热齿片在提高均温性的情况下,更换壳体材料保证齿片重量,通过管路设计与工艺管控保证齿片强度,有效提升齿片性能,使新一代高效散热齿片齿根与齿顶的温差ΔT<4℃,温差降幅超过两倍。通过提高齿片的均温性,提升自然散热的效率,降低瓶颈部位的温度,从而降低散热齿高度,为5G大功率基站“瘦身”。

三、高效散热齿片在基站的应用

 
3.1 应用痛点

5G基站热耗持续增长,当前通过导热材料、壳体材料、吹胀板等技术降低散热器导热热阻,通过增加齿高提升散热面积。

但随着吹胀板齿片增高,肋效率显著降低,齿片上部的齿根齿顶温差越来越大,散热瓶颈:齿高a mm,ΔT>9℃;齿高a+25mm,ΔT>13℃;齿高a+50mm吹胀板,ΔT>16℃。

 
3.2 单片分析

下图为中兴通讯与顺熵科技共同研发打样的新一代高效散热齿片,为5G基站打造,业界首发。

经过中兴通讯热设计团队在测试台架实测验证,新一代散热齿片相比PCI齿片热源温度显著降低,齿片各处均温温差ΔT<4℃,说明了新一代散热齿片可凭借其高效均温能力以实现高热流密度热源的解热,为基站产品的进一步小型化、轻量化设计提供了可能。

图2  基于5G基站开发的新一代齿片应用实例

 

3.2 整机分析

基于实测新一代齿片温度数据,回归单齿片等效导热系数,并应用于5G基站产品与传统铝基吹胀板进行仿真对比分析。

由温度云图可知,应用新一代高效散热齿片,整机收益显著,散热瓶颈解除。

 

图3  基于5G基站PCI与新一代齿片仿真对比(标尺一致)

 

四、未来发展前景

尽管新一代高效散热齿片相对吹胀板散热方案性能方面已有显著的提升,但仍有较多问题需要解决。展望新型散热齿片会朝着材料改进,结构创新设计,两相强化,低成本,高可靠性去发展。

Ø 材料改进:轻质高强度壳体材料、优良热物性冷媒工质;

Ø 结构创新:支撑结构创新、齿形架构创新、整机连接结构创新;

Ø 工艺优化:管路成型工艺、焊接工艺、整机装配工艺;

Ø 两相强化:管路设计,局部沸腾强化结构、两相循环架构设计、逆重力补液设计;

未来新一代相变均温齿片突破材料导热限制,极大提升均温效果,布局灵活形态多样,是未来5G基站应对高热密度、小型化设计需求的关键技术方向。

两相均温齿片目前停滞于吹胀板的研究阶段,在IT和光伏逆变有一定应用。随着各种设备集成化的发展趋势,必定会导致持续增长的高功耗、轻量化极限需求,高效、低成本、高可靠性散热齿片在电子设备领域研究与应用正急速升温。

 

五、结论

新型散热齿片作为一种创新的热管理技术在5G基站中极具应用优势,可有效降低芯片温度,匹配5G基站的“大功率、全带宽”发展,可满足客户的“小型化”需求,对于5G通信发展具有重要性和潜在价值。

新型散热齿片的发展与应用受限于工艺实现与供应链生态,需要相关产业链各方的共同努力,一齐推动两相均温齿片的进一步研发和商业化应用。

中兴通讯股份有限公司和深圳市顺熵科技有限公司联合发布

 

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