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多维两相均温技术,助力5G基站轻量化、高集成---3D VC技术白皮书

日期: 2023-06-06
浏览次数: 1235

随着5G技术的快速发展,高效冷却和热管理成为5G基站设计的重要挑战。在这个背景下,3D VC技术(三维两相均温技术)作为一种创新的热管理技术,为5G基站提供了解决方案。本白皮书将介绍3D VC的定义、工作原理以及其在5G基站中的应用优势。同时,我们还将探讨未来3D VC的发展前景,以揭示其在5G通信领域中的潜在价值和广阔市场前景。

第一部分:引言

1.1 需求背景

随着运营商共建共享场景越来越多,对“大功率、全带宽”需求逐渐增强,分布式5G基站向多频合一方向不断发展,导致基站功耗持续上升,功率热密度持续增长,给基站热管理带来了巨大挑战。

1.2 问题陈述

如何高效地冷却5G基站并保持其工作温度在可控范围内,成为当前亟待解决的问题。

1.3 目标和意义

本白皮书旨在介绍3D VC技术及其在5G基站中的应用,展示其对于5G通信领域的重要意义和潜在影响。

第二部分:3D VC的概述

2.1 技术背景

两相传热依靠工质相变潜热传递热量,具有传热效率高、均温性好的优点,近几年被广泛应用于电子设备散热。由两相均温技术发展趋势可知,从一维热管的线式均温,到二维VC的平面均温,最终会发展到三维的一体式均温,即3D VC技术路径:


多维两相均温技术,助力5G基站轻量化、高集成---3D VC技术白皮书图1 两相均温技术发展趋势(公开资料整理)

2.2 定义与原理

3D VC,即通过焊接工艺将基板空腔与PCI齿片内腔相连,形成一体式腔体,腔体内充注工质并封口,工质在靠近芯片端的基板内腔侧蒸发,在远热源端的齿片内腔侧冷凝,通过重力驱动及回路设计形成两相循环,可以实现理想均温效果。

2.3 技术特点

3D VC可以显著提升均温范围及散热能力,具有“高热传导性能、均温效果好、紧凑结构”等技术特点;3D VC通过基板和散热齿的一体化设计,进一步降低了传热温差,增加了基板和散热齿的均温性,提升了对流换热效率,可显著降低高热流密度区域的芯片温度,是未来5G基站高热流密度场景的解热关键,为基站产品的小型化、轻量化设计提供了可能。


第三部分:3D VC在5G基站中的应用


3.1 散热问题分析

5G基站存在局部高热流密度芯片,造成局部解热困难。通过当前导热材料、壳体材料、二维均温(基板HP/齿片PCI)等技术,可降低散热器导热热阻,但针对高热流区域的散热改善十分有限。

3.2 3D VC的应用优势

在不引入外部运动部件强化散热的情况下,3D VC通过三维结构的热扩散,更高效地将芯片热量传递至齿片远端散热,具有“高效散热、均匀温度分布、减少热点”等解热优势,可满足大功率器件解热、高热流密度区域均温的瓶颈需求。

3.3 实际案例分析

飞荣达与中兴通讯共同研发打样了3D VC样机,实现了5G基站的首次应用实例。

经过中兴通讯热设计团队的实测验证,3D VC整机方案相比PCI整机方案,Tmax降低超10℃,基板均温性维持3℃以内,散热齿均温性维持3℃以内,说明了3D VC可凭借其高效三维均温能力以实现高热流密度芯片区的解热,为基站产品的进一步小型化、轻量化设计提供了可能。


第四部分:未来发展前景


4.1 技术改进与创新

尽管3D VC相比传统散热解决方案已有显著优势,但仍有进一步的散热挖潜空间。展望3D VC技术的未来发展趋势,包括材料改进、结构创新、制造工艺优化、两相强化等方面。

❉ 材料改进:轻质高导壳体材料、优良热物性冷媒工质;

❉ 结构创新:支撑结构创新、齿形架构创新、整机装配结构创新;

❉ 工艺优化:管路成型工艺、散热齿开口工艺、模组焊接工艺、毛细工艺、整机装配工艺;

❉ 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;

4.2 市场前景与商业化应用

1、3D VC通过相变均温突破材料导热限制,极大提升均温效果,布局灵活形态多样,是未来5G基站应对高密度、轻量化设计需求的关键技术方向;

2、铝3D VC行业目前处于起步阶段,在IT和光伏逆变有一定应用。随着5G基站持续增长的高功耗、轻量化极限需求,大尺度铝3D VC在通讯领域研究与应用正急速升温;

3、基站产品具有免维护需求,对3D VC的可靠性提出极高要求,对3D VC的工艺实现、工艺管控带来了巨大挑战;部分厂家在未批量前谨慎投入研发,但更多厂家已积极布局并推动相关供应链及技术发展,是未来向好的高新技术;


第五部分:结论


3D VC作为一种创新的热管理技术在5G基站中极具应用优势,可匹配5G基站的“大功率、全带宽”发展,可满足客户的“轻量化、高集成”需求,对于5G通信发展具有重要性和潜在价值。

3D VC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3D VC技术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飞荣达科技股份有限公司联合发布



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