5Gネットワークの熱チャレンジを成長させる

5G加速のグローバル展開により、ネットワーク事業者は、前例のない熱管理要求に直面しています。高周波ミリ波信号、大規模なMIMOアンテナ配列、および密な小細胞の展開により、以前の世代よりもはるかに熱量を発生させます。 左チェックされていない、過剰な熱劣化信号の完全性は、機器の寿命を削減し、運用コストを増加させます。 この記事では、熱が監視される方法を再定義している最も有望な傾向を調べ、5Gインフラストラクチャを監視し、5Gインフラストラクチャを監視します。

マテリアルテクノロジーの進歩

グラフェンとカーボンベースの導体

グラフェンは、六角形の格子で配置された炭素原子の単層で、銅の10倍以上超える熱伝導性を提供します。その軽量で柔軟な性質により、熱拡散器や熱インタフェース材料(TIM)に理想的で、スペースコントレインド5Gラジオユニット。メーカーは、半導体パッケージとヒートシンクの間で、最大40%の熱抵抗を削減するグラファイトフィルムを埋め込むようになりました。カーボンナノ(CNT)は、従来の高周波チップを高方向に供給し、高方向に高出力します。

セラミック マトリックスの合成物

窒化アルミニウム(AlN)およびホウ素窒化物(BN)の複合材料は、電力増幅器およびアンテナ モジュールの基質のための牽引を得ています。これらの材料は、優れた電気絶縁と高熱伝導(200〜300 W / m・K)を組み合わせ、設計者は直接印刷回路基板に熱放散を統合することができます。 最近の添加製造の進歩により、過剰な重量を加えることなく、対流冷却のための表面面積を最大化する複雑な幾何学が可能になります。

革新的な冷却技術

密集小細胞の液体冷却

従来の強制空冷は、ラジオユニットが都市のキャノピーや街路家具に密接に梱包されると非効率的になります。 液体冷却システム、マイクロチャネルの冷間板を介してポンプでポンプで送られた誘電液を使用して、空気よりも5〜10倍の熱を削減します。 nVentやBood Corporationなどの企業は、特に5Gノードエンクロージャ用に設計されたコンパクトな液体冷却ループを提供します。 アプローチは、無線機器とコンピュートサーバーの両方を収容するエッジデータセンターにとって特に重要です。

相変化材料(PCM)

パラフィンワックス、塩水、脂肪酸などのPCMは溶融時に熱を吸収し、凝固中に効果的に温度のスパイクを滑らかにし、高トラフィック期間中に放出します。 5Gリモートラジオヘッド(RRH)では、PCM充填ヒートシンクは、周囲の空気が50°Cを超える場合でも、85°C未満の接合温度を維持することができます。 進行中の研究は、マイクロカプセル化PCMに重点を置き、熱サイクルを防止し、安定したサイクルを向上させます。

直接チップマイクロ流体冷却

最先端の開発は、マイクロ流体チャネルを5Gビームフォーミングチップのシリコン基板に直接エッチングすることを含みます。これらのチャネルを冷却剤を循環させることにより、パッケージ表面に到達する前に、熱をソースで除去します。 IBMとパートナーは、1000 W / cm 2を超えるチップレベルの冷却密度を実証しました。 エア冷却5G ASICの典型的な200〜300 W / cm 2を超える。 それでも新興国では、この技術は次世代のプロセッサーバンドに標準になる可能性があります。

スマート熱管理の統合

IoT センサーネットワークと予測分析

現代の5Gサイトでは、リアルタイムデータをクラウドベースの管理プラットフォームに供給する温度、湿度、気流センサーの配列をデプロイします。 ユニットが熱限界に近づいていると予測される歴史ある熱プロファイルで訓練された機械学習モデルと、ファンの速度や液体流量を積極的に調整します。 例えば、晴れた砂漠の場所の基地局は、日没時の熱テスト時間前に自動的に冷却を増加させ、コンポーネントのピークエネルギーの描画と熱ストレスを低減します。

適応ファンとポンプ制御

ファンとポンプの可変周波数ドライブ(VFD)は、固定セットポイントではなく、実際の熱負荷に基づいて粒状調整を可能にします。 センサーのフィードバックと組み合わせて、これらのシステムは、一定速度動作と比較して30〜50%の冷却エネルギー消費を削減することができます。 一部の実装では、音響騒音、電力使用量、およびコンポーネント温度間のトレードオフを最適化するために補強学習を使用して、住宅エリアの5Gインストールのための重要な考慮事項。

設計最適化と小型化

初期設計における計算流体力学(CFD)

デザイナーは、物理的なプロトタイプを構築する前に、気流パターンと熱性能を評価するためにCFDシミュレーションに依存しています。 これらのツールは、5G小細胞エンクロージャのホットスポットを特定し、エンジニアがベント配置、ヒートシンクフィン密度、およびコンポーネントレイアウトを最適化できるようにします。 AnsysやSiemensなどの企業は、熱マージンが満たしている間、最大40%までの開発サイクルを削減するエレクトロニクス冷却に特化したモジュールを提供します。

3D熱交換器の印刷

添加剤の製造により、従来の機械加工不可能な内部複合チャネルでヒートシンクや冷板の生産が可能。ラティス構造は、同じボリューム内の200〜300%の面積を増加させ、自然対流と放射性冷却を飛躍的に改善します。GEとSandia National Laboratoriesは、各ミリメートルがカウントする統合された5Gアンテナの欠陥である、コンパクトな形状の高熱フラックスを処理するチタンとアルミニウム3Dプリント熱交換器を開発しました。

マルチチップモジュール(MCM)での熱管理

フットプリントを削減するために、5G機器は、スタックプロセッサ、メモリ、およびパワーマネジメントが単一のパッケージで死ぬマルチチップモジュールを使用しています。このような3Dスタックの熱を管理するには、埋め込まれた熱ビア、インターポサー冷却、および慎重なダイ配置が必要です。 最近の研究は、微小粒子冷却でスタックされたダイが5°C以下のダイ温度勾配を維持し、より高いデータレートで信頼性の高い動作を有効にすることができます。

信頼性と信頼性の確保と、現実的な条件下での試験

サーマルマネジメントソリューションは、15〜20年間屋外でしばしば動作する5Gインフラストラクチャのフルライフサイクルにわたって検証されなければなりません。 85°Cおよび85%の相対湿度(85 / 85のテスト)で加速された老化テストは、TIM、ガスケット、ファンベアリングの弱点を明らかにします。 そのような業界標準は、GR-487およびTelcordia NEBSは、5G機器の熱サイクル、振動、および塩霧テストを処方します。 新興傾向は、その温度変化を予測するジャンボイルムを使用して寿命シミュレーションを含みます(F)。

より深い洞察のための外部リソース

熱インターフェース材料とその特徴の包括的な見直しについては、[電子冷却雑誌]を参照してください。 IEEEの部品、パッケージングおよび製造技術[のトランザクションは、5G固有の熱管理に関する対レビューされた研究を公開しています。 さらに、 [。 エネルギーの部門電子的アプローチは、関連する5Gに関連したインフラを均等に適用するかどうかを強調表示します。

結論: 聖なる道の前進

5Gインフラの熱管理の風景は、サポートする規律からネットワーク性能のコア・ファンタブルなものへと進化しています。 インテリジェントな液体冷却と予測のデジタル・ツインと組み合わせたグラフェンや窒化物複合材などの高度な材料は、タイトな電力と空間予算内で可能なものの境界線を押しています。 5Gは6Gに進化し、さらに高い周波数とデナイザーの展開により、ここで説明したイノベーションは、再資源の土台を形成し、次世代のエネルギー効率性を向上させるであろう。