5G基站散熱蓋板的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化*

段凱文，劉 欣，劉 帆

（1. 移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055；2. 中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518055）

引 言

隨著5G時(shí)代的到來，有源天線單元（Active Antenna Unit, AAU）等電子設(shè)備的功耗顯著上升。運(yùn)用高效自然散熱技術(shù)使芯片溫度保持在合適的工作溫度區(qū)間是保證電子設(shè)備可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。AAU的散熱路徑主要為芯片→導(dǎo)熱界面材料→殼體/基板→散熱齒→蓋板→涂層→外環(huán)境。通過對散熱路徑上各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)提升，降低各級傳熱熱阻，可以逐級累加散熱收益，顯著提升AAU的整體散熱性能。常見的散熱優(yōu)化手段包括運(yùn)用高導(dǎo)熱界面材料[1]、引入高導(dǎo)熱壓鑄鋁材料[2]、基板嵌熱管[3–4]、優(yōu)化齒形結(jié)構(gòu)[5]、提升散熱齒導(dǎo)熱系數(shù)[6]、散熱蓋板設(shè)計(jì)[7]等。一種利用制冷劑相變來提高均溫及散熱性能的相變抑制（Phase Changed Inhibited, PCI）齒片被廣泛應(yīng)用于自然散熱場景下的平板式散熱器[8–10]。由于齒厚較薄，PCI齒片在運(yùn)輸過程中容易受外力產(chǎn)生形變，導(dǎo)致散熱失效。因此，工業(yè)應(yīng)用時(shí)通常在PCI齒的頂部鉚接蓋板，以增加PCI齒片的強(qiáng)度，同時(shí)增加散熱面積。PCI齒頂?shù)你T接點(diǎn)與蓋板的鉚接孔呈過盈配合的裝配關(guān)系。

鉚接蓋板的PCI齒散熱器是最常見的熱設(shè)計(jì)方案，但它仍存在以下問題：1）為了應(yīng)對熱耗上升，增加齒高是常用措施，但與市場對散熱器的輕量化、小型化需求相違背，并會導(dǎo)致齒片肋效率降低[11]；2）PCI齒片與鉚接蓋板之間存在顯著的接觸熱阻，導(dǎo)致接觸面產(chǎn)生傳熱溫差，蓋板及散熱器的散熱效率降低[12]；3）鉚接蓋板時(shí)需要高精度定位的專用工裝模具，生產(chǎn)裝配效率低下，批量成本增加。

本文推薦一種L型PCI齒片，其齒頂具有L型折彎結(jié)構(gòu)。各齒片間的L型齒頂折彎結(jié)構(gòu)相互卡扣以形成互鎖。兩兩互鎖的齒頂折彎結(jié)構(gòu)最終形成L齒蓋板，取代原鉚接蓋板，消除了鉚接蓋板與PCI齒片之間的接觸熱阻，提升了整機(jī)散熱性能?；贚齒蓋板架構(gòu)，進(jìn)一步開展了開孔優(yōu)化研究，以提升L齒蓋板的散熱效率，獲得最優(yōu)開孔方案。

1 蓋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1為鉚接蓋板和L齒蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖。通過高精度定位配合壓鉚工藝使鉚接蓋板上的鉚接孔與PCI齒頂鉚接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩分體結(jié)構(gòu)（PCI齒、鉚接蓋板）的過盈配合連接。如圖2所示，蓋板與齒片間的鉚合部位存在空氣間隙，形成接觸熱阻，影響蓋板散熱效率。

圖1 鉚接蓋板和L齒蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 接觸熱阻與傳熱溫差示意圖

L齒蓋板通過PCI齒頂折彎，配合卡扣互鎖工藝，實(shí)現(xiàn)散熱齒與蓋板的一體成型，優(yōu)勢如下：1）無接觸熱阻，蓋板散熱效率提升；2）無需高精度定位，生產(chǎn)效率顯著提升；3）L齒蓋板替代鉚接蓋板，整機(jī)重量降低。

2 熱仿真分析

2.1 物理模型及仿真設(shè)置

本文所涉及的AAU采用平板式散熱器結(jié)構(gòu)，散熱器平面尺寸為700 mm（高）× 400 mm（寬）。發(fā)熱芯片布置于散熱器基板背面，通過導(dǎo)熱系數(shù)為6 W/(m·K)的導(dǎo)熱凝膠與散熱基板實(shí)現(xiàn)貼殼散熱。天線罩與散熱器基板對發(fā)熱芯片形成包覆結(jié)構(gòu)，使其免受外界環(huán)境的影響。在散熱基板正面設(shè)有22片PCI齒（齒高115 mm，齒間距17 mm）與外界冷空氣換熱?；鶞?zhǔn)樣機(jī)采用PCI齒頂鉚接蓋板方案，如圖3（a）所示；優(yōu)化樣機(jī)采用L齒蓋板方案，如圖3（b）所示。上述散熱基板與鉚接蓋板均為壓鑄件，導(dǎo)熱系數(shù)為145 W/(m·K)。

圖3 兩種蓋板散熱器

整機(jī)的散熱路徑為芯片→導(dǎo)熱界面材料→散熱器基板→散熱齒→散熱蓋板。發(fā)熱芯片采用不同的建模方式，關(guān)鍵芯片采用詳細(xì)模型，其他芯片則簡化為體熱源或面熱源。整機(jī)總熱耗超過1 000 W。

在基準(zhǔn)方案模型中，將PCI齒片簡化為等效導(dǎo)熱系數(shù)較高的平板進(jìn)行仿真。PCI齒頂鉚點(diǎn)與鉚接蓋板間的過盈配合關(guān)系按照如下方式進(jìn)行仿真：對鉚點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際建模，設(shè)置于PCI直齒頂面與蓋板底面之間，以不連續(xù)的間斷方式沿齒長方向布置，如圖4（a）所示；將鉚接帶來的接觸熱阻簡化為不連續(xù)鉚點(diǎn)產(chǎn)生的傳熱熱阻，如圖4（b）所示。PCI等效導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置法與過盈配合的不連續(xù)接觸鉚點(diǎn)設(shè)置法是業(yè)內(nèi)通用的仿真簡化手段，針對單變量已完成實(shí)測回歸修正，溫差精度可以控制在1°C以內(nèi)，因此本文直接應(yīng)用上述仿真方式。

圖4 鉚點(diǎn)仿真建模圖和鉚點(diǎn)不連續(xù)間斷布置圖

對于優(yōu)化方案，取消鉚接蓋板結(jié)構(gòu)，將各PCI齒的齒頂折彎為L型，由此組成L齒蓋板。L齒蓋板采用與鉚接蓋板相似的開孔設(shè)計(jì)，使外部空氣能夠通過蓋板開孔進(jìn)入散熱器通道，帶走散熱齒表面熱量。

針對L齒蓋板，進(jìn)一步開展開孔設(shè)計(jì)研究，以探索L齒蓋板的最優(yōu)開孔寬度及最優(yōu)開孔率，從而最大程度地提升L齒蓋板的散熱效率。這里的開孔率是指L齒蓋板上的孔隙面積與蓋板頂面總面積的比值。

2.2 數(shù)值仿真方法

基于三維穩(wěn)態(tài)流動傳熱問題，本文采用商業(yè)CFD軟件Flotherm XT-13.3進(jìn)行模型求解。利用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型進(jìn)行湍流模擬，利用Surface-to-Surface模型進(jìn)行輻射換熱模擬，并引入Boussinesq假設(shè)來處理由溫差引起的空氣熱浮升效應(yīng)。環(huán)境溫度設(shè)為45°C，表面發(fā)射率設(shè)為0.85。

該自然散熱系統(tǒng)的邊界條件設(shè)置如下：1）散熱器豎直放置時(shí)，沿重力方向形成從下至上的自然對流，熱氣流由上部排出，因此將計(jì)算域頂面設(shè)為壓力出口；2）將計(jì)算域其他邊界面設(shè)為壓力入口；3）在計(jì)算域邊界處，氣流處于充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，因此設(shè)置其表壓為0 Pa；4）將整機(jī)所有固體壁面設(shè)為無滑移邊界條件。

2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

分別采用5種加密程度的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性研究，當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)大于300萬時(shí)，各關(guān)鍵芯片的溫度幾乎不再隨網(wǎng)格數(shù)量增加而變化，溫度波動小于1%。因此，最終采用300萬網(wǎng)格對算例進(jìn)行求解。

2.4 仿真分析

2.4.1 L齒蓋板和鉚接蓋板對比

電子設(shè)備的關(guān)鍵芯片溫度是熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過對關(guān)鍵芯片溫度的監(jiān)測，可以評價(jià)不同熱設(shè)計(jì)方案下電子設(shè)備的散熱性能。針對兩種蓋板熱設(shè)計(jì)方案，將蓋板結(jié)構(gòu)作為唯一變量，開展數(shù)值仿真以及散熱性能對比研究。不同蓋板方案間的散熱差異見表1。

如表1所示，匹配單板架構(gòu)，將散熱基板沿高度方向從上到下劃分為3個(gè)均勻布置的面熱源區(qū)域，依次為面1、面2和面3。將位于散熱器基板頂部的面1區(qū)域再細(xì)分為3個(gè)子面熱源區(qū)域（面1.1—面1.3）。在面熱源區(qū)域范圍內(nèi)，針對關(guān)鍵芯片進(jìn)行詳細(xì)建模，芯片所屬區(qū)域編號與面熱源區(qū)域編號一致。面熱源及芯片體熱源的溫度均取對應(yīng)熱源區(qū)域內(nèi)的最高溫度。

表1 不同蓋板方案間的散熱差異 °C

對比Case1和Case2，用L齒蓋板替代鉚接蓋板，芯片3區(qū)域降溫0.6°C，芯片2區(qū)域降溫1.2°C，芯片1區(qū)域降溫1.1°C～1.6°C。由此可知，L齒蓋板有顯著的散熱優(yōu)勢，且芯片降溫收益沿逆重力方向逐漸提升。

在相同溫度標(biāo)尺下，對比圖5所示的兩種蓋板的溫度分布。L齒蓋板方案消除了PCI齒與蓋板間的接觸熱阻，具有更小的傳熱溫差，因此L齒蓋板整體溫度高于鉚接蓋板。從圖5中還可以觀察到L齒蓋板具有更大比例的中高溫區(qū)域面積。

圖5 兩種蓋板的溫度分布圖

綜上所述，相較于鉚接蓋板，L齒蓋板消除了蓋板與散熱齒間的接觸熱阻，使蓋板的平均溫度升高，則蓋板與外界冷源的換熱溫差變大，蓋板與外環(huán)境的對流換熱量提升，因此L齒蓋板的散熱效率顯著提升。

在L齒蓋板方案下，進(jìn)一步將齒高從基準(zhǔn)值逐漸減小，直至關(guān)鍵芯片溫度與鉚接蓋板方案保持基本一致。通過這樣的方式，可以將L齒蓋板替代鉚接蓋板的散熱收益等效為散熱齒齒高降低收益（見表2），從而在整機(jī)散熱性能持平的情況下，減小散熱器的體積和重量，以滿足市場的輕量小型化需求。

表2 L齒蓋板的等效齒高降低收益 °C

由表2可知，采用L齒蓋板替代鉚接蓋板，控制關(guān)鍵芯片溫度，使整機(jī)散熱性能持平，可等效降低齒高8 mm，降幅近7%，散熱器體積縮小2.24 L。全局PCI齒齒高降低8 mm可以減重0.27 kg，0.8 mm厚L齒蓋板替代1.5 mm厚鉚接蓋板可以減重0.18 kg，散熱器總體減重0.45 kg。

綜上所述，采用L齒蓋板替代原鉚接蓋板，散熱器整體可以獲得2.24 L的體積收益和0.45 kg的減重收益。與此同時(shí)，L齒蓋板互扣工藝避免了鉚接蓋板的高精度定位需求，提升了批量生產(chǎn)效率，并且無需壓鑄蓋板零件，生產(chǎn)成本顯著降低。

2.4.2 開孔寬度優(yōu)化

對于L齒蓋板的開孔優(yōu)化設(shè)計(jì)，先預(yù)設(shè)L齒蓋板的開孔率為30%，將開孔寬度逐漸由1.5 mm擴(kuò)大至4.5 mm，通過關(guān)鍵芯片溫度變化趨勢來篩選最優(yōu)開孔寬度。開孔寬度優(yōu)化分析見表3。

表3 開孔寬度優(yōu)化分析（開孔率為30%） °C

通過5個(gè)基板大面區(qū)域的溫度變化趨勢，得到了開孔寬度對整機(jī)散熱性能的影響，如圖6所示。以開孔寬度1.5 mm時(shí)的溫度為基準(zhǔn)，比較其他開孔寬度下的監(jiān)控面的溫度變化。

圖6 不同開孔寬度下的監(jiān)控面溫度變化趨勢

開孔寬度優(yōu)化研究結(jié)論如下：1）當(dāng)開孔寬度在1.5～2.5 mm之間時(shí)，全局溫度隨開孔寬度的增大而降低；2）開孔寬度為2.5 mm時(shí)，全局溫度最低，此寬度為最優(yōu)開孔寬度；3）當(dāng)開孔寬度在2.5～4.5 mm之間時(shí)，全局溫度隨開孔寬度的增大而緩慢升高；4）開孔寬度變化引起的監(jiān)控面溫差可達(dá)0.7°C。

上述變化趨勢和分析結(jié)論可作如下解釋：開孔寬度小于2.5 mm時(shí)，蓋板進(jìn)風(fēng)阻力隨開孔寬度增大而降低，全局散熱逐漸改善；開孔寬度大于2.5 mm時(shí)，開孔寬度的增大對進(jìn)風(fēng)阻力的影響較小，此時(shí)小開孔寬度可對應(yīng)更多的開孔數(shù)，增多的開孔數(shù)使進(jìn)風(fēng)量的分配更加均勻，此時(shí)小開孔寬度下的全局溫度更低。因此，2.5 mm為最優(yōu)開孔寬度。

考慮到生產(chǎn)工藝限制，開孔寬度不宜過小?？紤]到L齒蓋板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，開孔寬度不宜過大。綜合開孔寬度對整機(jī)散熱性能的影響，工業(yè)應(yīng)用時(shí)推薦選用的開孔寬度為(3±0.5)mm。

2.4.3 開孔率優(yōu)化

選用前文推薦的3 mm開孔寬度，將L齒蓋板的開孔率從15%逐漸增加至45%，通過關(guān)鍵芯片溫度變化趨勢來篩選最優(yōu)開孔率。開孔率優(yōu)化分析見表4。

表4 開孔率優(yōu)化分析（開孔寬度為3 mm） °C

通過5個(gè)基板大面區(qū)域的溫度變化趨勢，得到了開孔率對整機(jī)散熱性能的影響，如圖7所示。以15%開孔率時(shí)的溫度為基準(zhǔn)，比較其他開孔率下的監(jiān)控面的溫度變化。

圖7 不同開孔率下的監(jiān)控面溫度變化趨勢

開孔率優(yōu)化研究結(jié)論如下：1）當(dāng)開孔率在15%～25%之間時(shí)，全局溫度隨開孔率的增大而降低；2）開孔率為25%時(shí)，全局溫度最低，此開孔率為最優(yōu)開孔率；3）當(dāng)開孔率在25%～45%之間時(shí)，全局溫度隨開孔率的增大而升高；4）對于大面1.2和大面3，當(dāng)開孔率高于30%時(shí)，開孔率變化引起的溫升梯度驟增，因此，可以將30%開孔率視為最大開孔率閾值；5）開孔率變化引起的監(jiān)控面溫差可達(dá)1.5°C。

上述變化趨勢和分析結(jié)論可作如下解釋：開孔寬度一定，開孔率變化會影響L齒蓋板的散熱面積及進(jìn)風(fēng)量，二者呈對立關(guān)系；當(dāng)開孔率較小時(shí)，蓋板進(jìn)風(fēng)阻力變化梯度較大，此時(shí)進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)速度對散熱的影響程度大于散熱面積；當(dāng)開孔率大于25%時(shí)，開孔率的增加對進(jìn)風(fēng)阻力的影響較小，體現(xiàn)為進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)速度變化較小，此時(shí)散熱面積對散熱的影響程度更大。

綜合全局溫度隨開孔率的變化趨勢及開孔率對L齒蓋板重量的影響，工業(yè)應(yīng)用時(shí)推薦選用的開孔率為25%～30%。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

由于AAU及天線的實(shí)際熱環(huán)境難以仿真，在數(shù)值模擬過程中引入了一些必要的假設(shè)和簡化，導(dǎo)致數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)環(huán)境之間的工作條件不完全一致。在這種情況下，無法直接對比關(guān)鍵芯片的仿真溫度與實(shí)測溫度，這也不是本文的研究目標(biāo)。

在本文的數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究中，對不同蓋板方案下的整機(jī)散熱性能進(jìn)行了橫向比較，通過控制變量法比較關(guān)鍵芯片區(qū)域的溫度收益，對比仿真研究和實(shí)測研究中的技術(shù)點(diǎn)收益一致性，從而最終確認(rèn)L齒蓋板技術(shù)點(diǎn)的散熱收益。

3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

針對兩種蓋板方案下的AAU整機(jī)，在不同的整機(jī)熱耗工況下開展測試，記錄關(guān)鍵芯片溫度。針對相同整機(jī)熱耗工況，對比不同蓋板方案下的關(guān)鍵芯片溫度差異。通過不同工況下的關(guān)鍵芯片溫度差異分析，確定L齒蓋板替代鉚接蓋板時(shí)，各關(guān)鍵芯片的平均溫度收益。整機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)對比見圖8。不同蓋板方案下的實(shí)測芯片溫度分析見表5。

圖8 整機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)對比圖

實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論如下：1）用L齒蓋板代替鉚接蓋板，芯片1區(qū)域降溫0.4°C，芯片2區(qū)域降溫1.0°C，芯片3區(qū)域降溫0.5°C；2）如圖8所示，在不同熱耗工況下，監(jiān)控各芯片測點(diǎn)溫度，L齒蓋板方案的溫度趨勢線始終位于鉚接蓋板方案的溫度趨勢線下方，說明L齒蓋板方案的整機(jī)散熱性能更優(yōu)；3）綜合表1和表5數(shù)據(jù)，對比仿真收益和實(shí)測收益，L齒蓋板技術(shù)在不同芯片區(qū)域的降溫收益基本趨于一致。

表5 不同蓋板方案下的實(shí)測芯片溫度分析（環(huán)境溫度為24 °C） °C

針對基板頂部芯片1區(qū)域，實(shí)測收益低于仿真收益，分析如下：該對比實(shí)驗(yàn)僅涉及單變量（蓋板形式），因此通過不同蓋板方案下芯片溫度的相對變化量，即可判斷L齒蓋板的散熱收益。然而，實(shí)測配置與仿真設(shè)置間具有一定差異，基板頂部芯片的實(shí)測功耗遠(yuǎn)低于仿真設(shè)置，仿真設(shè)置條件更為惡劣，因此表1中芯片1的絕對溫度更高，此時(shí)散熱改善對應(yīng)的芯片收益更為明顯。實(shí)際工作條件難以仿真復(fù)現(xiàn)，且芯片容易因高溫老化而功耗驟增，因此僅以高功耗惡劣工況進(jìn)行簡化仿真，并以此評估L齒蓋板收益。

受打樣資源和試驗(yàn)資源限制，本文只針對L齒蓋板相對鉚接蓋板的散熱收益進(jìn)行仿真與實(shí)測的對比分析。針對L齒蓋板的最優(yōu)開孔寬度和最優(yōu)開孔率的研究暫未開展實(shí)測分析。開孔優(yōu)化的仿真分析手段在強(qiáng)化散熱領(lǐng)域已經(jīng)較為成熟，如文獻(xiàn)[14–16]。因此，通過數(shù)值模擬方式對L齒蓋板的開孔寬度和開孔率進(jìn)行優(yōu)化，可以得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果，并用于指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

通過蓋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本文提出了一種L齒蓋板，用于替代傳統(tǒng)鉚接蓋板，以消除蓋板與PCI齒間的接觸熱阻，提升蓋板及整機(jī)的散熱效率。

通過散熱路徑分析、仿真分析及實(shí)測對比，得出如下主要結(jié)論：1）將鉚接蓋板改進(jìn)為L齒蓋板后，關(guān)鍵芯片可降溫0.4°C～1°C，仿真與實(shí)測收益趨于一致；2）在散熱性能相當(dāng)?shù)那闆r下，應(yīng)用L齒蓋板可等效降低齒高8 mm，總體減重0.45 kg；3）工業(yè)應(yīng)用時(shí)的推薦開孔寬度為(3±0.5)mm，推薦開孔率為25%～30%；4）L齒蓋板方案可提升批量生產(chǎn)效率，并且無需壓鑄蓋板零件，生產(chǎn)成本顯著降低。

目前，業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用鉚接蓋板對基站進(jìn)行防護(hù)，鮮有針對蓋板的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文提出的L齒蓋板方案，相對鉚接蓋板，在整機(jī)散熱性能、降體積、減重、降成本等方面均有顯著收益，工藝方案成熟可行，適宜推廣。

在未來的研究中，基于L齒蓋板架構(gòu)，可進(jìn)一步考慮擴(kuò)大PCI管路覆蓋面積，使兩相管路從散熱齒面延伸至蓋板面，從而增加兩相均溫面積，可進(jìn)一步提升散熱器的自然散熱效率。