5G网络中日益增长的热挑战

随着5G全球推出的加速,网络操作人员面临前所未有的热管理需求。 高频毫米波信号、大型MIMO天线阵列和密集的小细胞部署产生的热量比前几代高得多。 左倾、超热会降低信号完整性、降低设备寿命和增加运行成本。 文章探讨了5G基础设施中重新定义热是如何消散、监测和控制的最有希望的趋势。

材料技术的进步

石墨和碳导体

石墨烯是六边形层层排列的碳原子,其热导率超过5000瓦/米-K-10倍以上,其轻度和柔性使其在空间受制的5G无线电装置中能理想地用于热传播器和热接口材料。制造商目前正在半导体包和热汇之间嵌入石墨烯膜,将热阻降低40%。碳纳米管阵列垂直生长在芯片表面,提供方向热路,在高功率基站中超过传统的以焊接器为基础的TIM。

陶瓷基质复合物

硝化铝(AlN)和硼(BN)复合材料正在动力放大器和天线模块中为底物获得牵引力。这些材料将高热导电率(200-300 W/m/K)与绝缘性极佳,使设计者能够将热散热直接融入印刷电路板。 添加剂制造的最新进步使得复杂的几何面能够最大限度地扩大对流冷却面积,同时又不增加过重的重量。

创新的冷却技术

用于小型小型小单元格的液体冷却

传统的强迫空气冷却在无线电装置被紧紧地装在城市的树冠或街上家具上时变得效率低下。 液冷系统使用通过微通道冷板抽取的二电流,去除热量比空气高五至十倍。 NVent和Boyd公司等公司现在提供专门为5G节点封存设计的紧凑液冷却环路。 这种方法对于同时容纳无线电设备和计算服务器的边缘数据中心尤为重要。

阶段改变材料(PCM)

聚氯乙烯在熔融过程中吸收热量并在固化过程中释放出盐水合物和脂肪酸等PCMs,在高通电期有效平滑温度峰值. 在5G远程无线电头(RRHs)中,聚氯乙烯充热汇即使在环境空气超过50°C时,仍能保持85°C以下的交汇温度. 正在进行的研究侧重于微封装PCMs以防止泄漏,提高数千个热循环的循环稳定性.

直对芯片微氟冷却

切削尖端开发涉及将微流管直接挖入5G束状芯片的硅底质。通过这些信道循环冷却剂,热量在到达包表面之前就被从源头清除。 IBM和合作伙伴已经证明了芯片的冷却密度超过1000瓦/立方厘米,远远超出了空气冷却5GASIC的典型的200-300瓦/立方厘米。尽管这一技术仍在出现,但有可能成为下一代碱带处理器的标准。

智能热管理一体化

IOT 传感器网络和预测分析

现代5G站点部署温度,湿度,气流传感器阵列,将实时数据反馈到云端管理平台. 历史热量剖面学的机器学习模型预测一个单位何时接近热限,主动调整风扇速度或液流速率. 例如,阳光沙漠位置的基站可能会在当天最热时前自动增加冷却,同时降低峰值能量抽取量和组件热应力.

适应性扇形和泵控

风扇和泵上的变频驱动器(VFD)允许根据实际热负荷而不是固定定点进行颗粒调整。 这些系统结合传感器反馈,可以比恒速运行降低30—50%的冷却能耗。 一些执行方案利用强化学习来优化声噪声、功耗和组件温度之间的权衡,这是住宅区5G设施的关键考虑。

设计优化和微型化

早期设计中的计算流体动力学( CFD)

设计者现在依靠CFD模拟来评价气流模式和热性能,然后才能建立物理原型。这些工具有助于识别5G小细胞封存中的热点,使工程师能够优化排气口布置、热槽鳍密度和组件布局。 安西和西门子等公司为电子冷却提供了专门的模块,在确保热边能达到的同时将开发周期降低40%。

3D 热交换器打印

添加制造使得热汇和冷板能够生产出内部复杂通道,而这种通道不能常规地机器化。 拉蒂斯结构在同一体积内将表面积增加200—300 % , 大大改善了自然对流和辐射冷却。 GE和Sandia国家实验室开发了钛和铝3D打印热交换器,这些交换器以紧凑的形式处理高热通量,对每毫米计的5G综合天线都具有完美性。

多芯片模块的热管理

为了减少足迹,5G设备越来越多地使用堆叠处理器,内存和电源管理在单个包中死亡的多芯片模块。 在这样的3D堆堆中管理热量需要嵌入热通道,内置冷却器,以及小心的死神放置。 IMEC研究中心最近的研究表明,与微焦壁冷却相交的死神堆叠可以使死神对死温度梯度保持在5°C以下,从而能够以更高的数据速率可靠运行。

可靠性和现实条件下的测试

热管理解决方案必须在5G基础设施的整个生命周期中验证,这些基础设施通常在室外运行15-20年。 加速85°C和85%相对湿度的老化测试(85/85测试)暴露了TIMs、垫片和风扇轴承中的薄弱点。 GR-487和Telcordia NEBS等工业标准规定了5G设备的热循环、振动和盐雾测试。 新出现的趋势包括使用物理故障模型进行寿命模拟,这些模型将相交温度与故障预测之间的平均时间联系起来。

用于更深入的透视的外部资源

关于热界面材料及其特性的全面审查,参见电子冷却杂志[. IEEE的组件、包装和制造技术交易[出版关于5G特定热管理同行评审研究,此外,美国能源部着重介绍了同样适用于5G基础设施的高功率电子的相关方法。

结论:一条一致的道路

5G基础设施的热管理环境正在从辅助学科演变为网络性能的核心增强器。 石墨和硼硝化复合材料等先进材料,加上智能液体冷却和预测数字双胞胎,正在推动在紧凑的动力和空间预算范围内可能实现的极限。 随着5G向6G发展,频率和密度都更高,本文描述的创新将构成具有弹性、节能网络的基础。 早期投资于下一代热解决方案的组织将在可靠性和所有权总成本方面获得竞争优势。