隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，高效冷卻和熱管理成為5G基站設(shè)計(jì)的重要挑戰(zhàn)。在這個(gè)背景下，3D VC技術(shù)（三維兩相均溫技術(shù)）作為一種創(chuàng)新的熱管理技術(shù)，為5G基站提供了解決方案。本白皮書將介紹3D VC的定義、工作原理以及其在5G基站中的應(yīng)用優(yōu)勢。同時(shí)，我們還將探討未來3D VC的發(fā)展前景，以揭示其在5G通信領(lǐng)域中的潛在價(jià)值和廣闊市場前景。
隨著運(yùn)營商共建共享場景越來越多，對“大功率、全帶寬”需求逐漸增強(qiáng)，分布式5G基站向多頻合一方向不斷發(fā)展，導(dǎo)致基站功耗持續(xù)上升，功率熱密度持續(xù)增長，給基站熱管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。
如何高效地冷卻5G基站并保持其工作溫度在可控范圍內(nèi)，成為當(dāng)前亟待解決的問題。
本白皮書旨在介紹3D VC技術(shù)及其在5G基站中的應(yīng)用，展示其對于5G通信領(lǐng)域的重要意義和潛在影響。
兩相傳熱依靠工質(zhì)相變潛熱傳遞熱量，具有傳熱效率高、均溫性好的優(yōu)點(diǎn)，近幾年被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備散熱。由兩相均溫技術(shù)發(fā)展趨勢可知，從一維熱管的線式均溫，到二維VC的平面均溫，最終會(huì)發(fā)展到三維的一體式均溫，即3D VC技術(shù)路徑；
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圖1??兩相均溫技術(shù)發(fā)展趨勢?（公開資料整理）
3D VC，即通過焊接工藝將基板空腔與PCI齒片內(nèi)腔相連，形成一體式腔體，腔體內(nèi)充注工質(zhì)并封口，工質(zhì)在靠近芯片端的基板內(nèi)腔側(cè)蒸發(fā)，在遠(yuǎn)熱源端的齒片內(nèi)腔側(cè)冷凝，通過重力驅(qū)動(dòng)及回路設(shè)計(jì)形成兩相循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)理想均溫效果。
3D VC可以顯著提升均溫范圍及散熱能力，具有“高熱傳導(dǎo)性能、均溫效果好、緊湊結(jié)構(gòu)”等技術(shù)特點(diǎn)；3D VC通過基板和散熱齒的一體化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了傳熱溫差，增加了基板和散熱齒的均溫性，提升了對流換熱效率，可顯著降低高熱流密度區(qū)域的芯片溫度，是未來5G基站高熱流密度場景的解熱關(guān)鍵，為基站產(chǎn)品的小型化、輕量化設(shè)計(jì)提供了可能。
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5G基站存在局部高熱流密度芯片，造成局部解熱困難。通過當(dāng)前導(dǎo)熱材料、殼體材料、二維均溫（基板HP/齒片PCI）等技術(shù)，可降低散熱器導(dǎo)熱熱阻，但針對高熱流區(qū)域的散熱改善十分有限。
在不引入外部運(yùn)動(dòng)部件強(qiáng)化散熱的情況下，3D VC通過三維結(jié)構(gòu)的熱擴(kuò)散，更高效地將芯片熱量傳遞至齒片遠(yuǎn)端散熱，具有“高效散熱、均勻溫度分布、減少熱點(diǎn)”等解熱優(yōu)勢，可滿足大功率器件解熱、高熱流密度區(qū)域均溫的瓶頸需求。
下圖為飛榮達(dá)與中興通訊共同研發(fā)打樣的3D VC樣機(jī)，為5G基站的首次應(yīng)用實(shí)例。
經(jīng)過中興通訊熱設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的實(shí)測驗(yàn)證，3D VC整機(jī)方案相比PCI整機(jī)方案，Tmax降低超10℃，PA區(qū)均溫性維持3℃以內(nèi)，散熱齒均溫性維持3℃以內(nèi)，說明了3D VC可憑借其高效三維均溫能力以實(shí)現(xiàn)高熱流密度功放區(qū)的解熱，為基站產(chǎn)品的進(jìn)一步小型化、輕量化設(shè)計(jì)提供了可能。
圖2 ?基于5G基站的3D VC應(yīng)用實(shí)例（中興通訊提供）
盡管3D VC相比傳統(tǒng)散熱解決方案已有顯著優(yōu)勢，但仍有進(jìn)一步的散熱挖潛空間。展望3D VC技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，包括材料改進(jìn)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、制造工藝優(yōu)化、兩相強(qiáng)化等方面。
?※??材料改進(jìn)：輕質(zhì)高導(dǎo)殼體材料、優(yōu)良熱物性冷媒工質(zhì)；
?※??結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：支撐結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、齒形架構(gòu)創(chuàng)新、整機(jī)裝配結(jié)構(gòu)創(chuàng)新；
?※??工藝優(yōu)化：管路成型工藝、散熱齒開口工藝、模組焊接工藝、毛細(xì)工藝、整機(jī)裝配工藝；
?※??兩相強(qiáng)化：管路設(shè)計(jì)，局部沸騰強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、兩相循環(huán)架構(gòu)設(shè)計(jì)、逆重力補(bǔ)液設(shè)計(jì)。
1、3D VC通過相變均溫突破材料導(dǎo)熱限制，極大提升均溫效果，布局靈活形態(tài)多樣，是未來5G基站應(yīng)對高密度、輕量化設(shè)計(jì)需求的關(guān)鍵技術(shù)方向；
2、鋁3D VC行業(yè)目前處于起步階段，在IT和光伏逆變有一定應(yīng)用。隨著５G基站持續(xù)增長的高功耗、輕量化極限需求，大尺度鋁3D VC在通訊領(lǐng)域研究與應(yīng)用正急速升溫；
3、基站產(chǎn)品具有免維護(hù)需求，對3D VC的可靠性提出極高要求，對3D VC的工藝實(shí)現(xiàn)、工藝管控帶來了巨大挑戰(zhàn)；部分廠家在未批量前謹(jǐn)慎投入研發(fā)，但更多廠家已積極布局并推動(dòng)相關(guān)供應(yīng)鏈及技術(shù)發(fā)展，是未來向好的高新技術(shù)。
3D VC作為一種創(chuàng)新的熱管理技術(shù)在5G基站中極具應(yīng)用優(yōu)勢，可匹配5G基站的“大功率、全帶寬”發(fā)展，可滿足客戶的“輕量化、高集成”需求，對于5G通信發(fā)展具有重要性和潛在價(jià)值。
3D VC的發(fā)展與應(yīng)用受限于工藝實(shí)現(xiàn)與供應(yīng)鏈生態(tài)，需要相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈各方的共同努力，一齊推動(dòng)3D VC技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用。
原文始發(fā)于微信公眾號（飛榮達(dá)）：多維兩相均溫技術(shù)，助力5G基站輕量化、高集成---3D VC技術(shù)白皮書