5G基站的散热挑战

到2025年，通信行业将消耗全球20%的电力，而在移动通信网络中，基站是耗电大户，大约80%的能耗来自广泛分布的基站。越加密集的基站意味着更高的能耗，这是5G网络面临的一大成本挑战[1]。

从能源结构上，耗电意味着成本更高，对环境污染的间接压力较大。从热设计角度看，则是基站发热量增加，温度控制的难度陡然上升。从上图的实测数据来看，5G基站功耗达到了4G基站的2.5~4倍。上图和下图分别是两家国内顶级通讯公司的实测结果（下图还提示了5G AAU基站的尺寸、重量）。

从事过通讯行业的工程师都知道，通讯基站通常安装在楼顶的铁架、野外的高处。体积、重量对设备的安装便捷性至关重要。“巧合”的是，功耗、体积、重量都是热设计中的核心设计边界条件。

基站安装示意图[2]

从以往的设计习惯看，基站是典型的封闭式自然散热设备（户外应用，需要严格的防水防尘），热量从元器件发出后，只有两个去处：

1、被内部器件吸收——热量被转化为内能，导致器件温度升高；

2、由于温差出现，热量从高温物体转移到低温物体——当温度稳定后，热量转移速率=热量产生速率

封闭式自然散热产品，当温度稳定后，所有热量都会先传到外壳，再由外壳传导到空气。热量传递路径如下：

降低产品体积和重量，对这类产品的热设计的需求就演变成在相同空间下尽可能提高换热效率、降低传热热阻。这里的传热热阻又分为内部热阻和外部热阻。内部热阻的降低，需要合理的芯片布局，让热源本身就更加靠近散热壳体。这属于硬件工程师和热设计工程师的协同工作。从材料角度看，芯片和壳体之间需要施加导热界面材料，5G基站可能会推动热界面材料的极大提升，表现在如下几个方面[3]:

1、尽可能低的热阻——需要更高导热系数，更好的界面润湿度；

2、可靠性——基站应用于户外复杂环境，遍布全球各地，温度范围达到-40C~55C，出故障后维护困难——极佳的热稳定性，抗垂流，抗裂化

3、使用性——5G基站的用量很大，多芯片共用机壳散热，对于材料装配自动化、装配过程中产生的应力等有要求

封闭式自然散热产品温度问题解决思路汇总[3]

从外壳上看，功耗提高，需要设计更合理的翅片形式，以便匹配基站的高功耗。材质层面，需要密度更低、导热更好、抗腐蚀性强的材料。吹胀板在基站中的应用就是基于其高导热、低密度特征。由于低密度和高导热属性，两相流产品在基站中的应用会越来越广。半固态压铸等工艺的兴起，也促进了压铸机壳材料导热系数的提升。

典型两相流传热部件[3]

自然散热的效率是受限的，随着功耗墙的逼近，基站的风冷、液冷也在研究中。温度控制良好时，不仅影响产品的可靠性，还会降低设备功耗。由漏电电流导致的静态功耗会随温度的上升快速上升，而随着芯片制程的演进，晶体管尺寸越来越小，漏电电流将越来越大。这意味着温度对芯片功耗的影响也会越来越显著。如果温度控制不当，那产品功耗会增加，从而进一步升温，造成产品热循环恶化。

参考资料：

[1]网优雇佣军.必须重视5G基站耗电问题.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1614035465392997155&wfr=spider&for=pc

[2]广厦网络.http://www.gonn.com.cn/article/139.html

[3]陈继良.从零开始学散热.第四版.第十六章.