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PCI散热板新技术,助推5G基站散热能力提升之白皮书
网站编辑:浙江嘉熙科技股份有限公司 发布时间 : 2021-06-28 浏览次数 : 233


浙江嘉熙科技股份有限公司,中兴通讯股份有限公司

【摘要】


PCI技术在LED照明,高清显示等行业有成熟应用,节能环保。随着5G通讯技术发展,轻量化小型化设计给散热带来巨大挑战,PCI技术应用于5G基站成功解决这一难题,并取得了长足发展。

【关键字】PCI 5G基站 小型化 轻量化

相变抑制 (Phase Change Inhibited——简称PCI )传热技术,是在特殊设计的封闭槽道腔体内注入特配工质,在传热过程中利用传热工质在局部压力的变化来抑制其沸腾现象的发生,实现整个传热器件的高效热传导的新型散热技术。目前已广泛应用通讯,能源,电力电子等行业。

PCI散热板,是利用铝吹胀板工艺和PCI传热技术制成的一种平板型二维传热器件,具有高导热速率,高导热热流密度,高均温性能。

·高传热速率:

用以定性说明PCI传热器件高传热速率的一个典型实验是,用热功率高达千瓦级的电弧火炬喷烧到壁厚2mm PCI传热器件上表面1.0cm²或更小面积。一旦热源撤出,人手就可立即触摸器件背面,而位于距离热源远端的器件温度已高于近端。若火炬温度为500°C左右,在喷烧同时就可用裸手触摸器件背面。这个实验目前任何其他优秀传热器件都还做不到。由于测量手段的局限,虽然这个实验很直观,暂时还缺乏这方面的定量数据。估计的传热速率可达到毫秒级。实际上正是它的高传热速率使器件传热通道内壁不会出现干涸。

·高传热密度:

传热热流密度是指受热面上单位面积通过的热功率。随着各种新型电子设备功率越来越大,而尺寸越来越小,受热面的热功率越来越高,也即此处的热流密度会达到很高数值。受现有的传热技术能力的制约,这已成为高新技术开发成功的瓶颈。在上面同一个实验中也可估计其热流密度。利用薄膜加热器或大功率火炬喷烧PCI传热器件,估计传热密度可达到100-1000 W/cm2, 即有的文献建议的高传热流密度范畴。从而可为多种高新技术的散热难题提供解决方案。

PCI产热技术是嘉熙专有的新型传热技术,自2012年嘉熙成立以来,一直专注于PCI传热技术PCI传热器件及其应用的研发,目前已拥有200多项国内外发明和实用新型专利,在LED照明,高清显示,大功率元器件等电力电子行业已广泛应用。

PCI传热器件影响其传热性能的关键技术:特殊设计的相互连通的封闭管路结构腔体,特配的传热工质。

 

嘉熙科技与中兴通讯热设计团队紧密配合,利用嘉熙的PCI传热技术设计制造经验和条件,结合中兴通讯5G基站的芯片布局和散热要求,共同研究开发5G通讯基站用PCI散热板新技术,成功应用产品并持续优化提升,同时促进了PCI技术的再创新与再发展。

1.    PCI散热板作为5G基站AAU机壳散热器的散热翅片提效降重:将PCI散热板镶嵌在半固态压铸铝机壳上,提高翅片的散热效率,显著降低散热器的重量。这部分主要有:PCI新型管路结构的改进优化,PCI散热板厚度的薄型化。

1.1研发PCI散热板的管路新结构,改善PCI散热板在5G基站上的散热性能。在通用型的六边形蜂窝状管路结构的PCI散热板基础上,研发适用于5G基站的垂直安装自然散热场景和PCI散热板设置在机壳上,热量从机壳传到至PCI与机壳结合的一侧等特殊需求,特殊设计了3种PCI散热板的热传输管路结构,既能满足5G基站的散热需求,同时减少了工质量,降低了散热器重量及成本。

管路结构1 是通用性的六边形的蜂窝状相互连通的封闭管路结构PCI散热板,其结构稳定,使用场合广泛。

管路结构2是适用于垂直应用,热源设置在一侧的一种速降管路结构PCI散热板,其特点是定向设置传热路径,减少传热工质用量,降低成本。

管路结构3 是适用于垂直应用,热源设置在一侧的气液相局部分离的一种改进型速降管路,其特点是定向设置传热路径,减少传热工质用量,降低成本。

管路结构4 是适用于垂直应用,热源设置在一侧的气液相分离的一种混合型管路结构,其特点是下部设置蜂窝六边形结构,中部和上部定向设置传热路径,

                                 

     经过理论分析和实测验证,改进型管路性性能显著提升,成本也明显降低。

  1.2 研发新的制程工艺,减薄PCI散热板的厚度,减轻重量,降低成本。

PCI散热板最初的1.5mm厚度,为了满足5G基站对轻量化的要求,同时满足在130@30min不变性的工艺性耐温要求,经过双方的共同努力,陆续研制成功1.2mm厚度单面平PCI散热板, 0.8mm厚度的单面平PCI散热板,这两种厚度的PCI散热板在中兴5G基站上大规模批量应用,取得了很好的效果,在散热性能不变的前提下,大大降低了散热器的重量,更为方便在铁塔上安装和固定5G AAU设备,降低了成本,节省了费用。目前0.6mm厚度的PCI散热板已研发成功,完成了相关可靠性试验验证。

 

2.    PCI板作为5G基站散热器的基板,针对发热芯片位置的不同,采用分区设计方式,解决芯片热量集中的散热难题。提高5G散热器的散热能力。

针对5G基站AAU多个发热芯片热量集中,且分布在不同的高度位置,目前通用的解决方案是,在散热器机壳的发热芯片正下方,埋设有几只烧结铜热管或铜VC,将集中的芯片热量通过热管或VC快速传到至基板的其他位置,其确定是需要在散热机壳安装芯片的表面开槽,埋设热管或VC,在铣平与芯片结合的表面,其缺点是加工量较大,成本高,且解决高功率发热芯片的效果受限于热管与VC的传热能力与距离。嘉熙与中兴研发团队,根据5G基站AAU大功率发热芯片的功率与位置,设计了分区和导流结构的PCI散热器基板,采用铝型材散热器和PCI分区散热器基板相结合的,采用真空钎焊工艺制成的PCI基板5G基站AAU散热器,其优点是高功率发热芯片的热量快速扩散至整个散热器的基板,翅片与PCI基板是一体成型的铝挤翅片或焊接式铝翅片,消除了翅片与基板的结合热阻,大大提高了散热效率和成本。

3.    研发PCI散热板用新型工质,在提高散热性能的基础上,降低生产成本,提高可靠性和环境安全友好性。前后与中科院等科研院所、大专院校、大型企业等相互合作与配合,开发出环境友好,安全可靠,性能良好的适用于PCI散热技术的国产化新型工质,减小对国外企业的依赖,提高PCI散热板的性能,降低生产成本。在中兴通讯的推动下,基于原有工质陆续成功引进和开发了各种工质系列,实现技术自主可控,降低供应风险。

 随着工艺成型技术的不断突破,PCI技术的持续改进,完美支撑了5G基站轻量化小型化的设计需求,未来更会从2D向3D发展,助力产品性能进一步提升。