基于有源天线单元的3种散热方法分析.pdf

制造与工艺 Manufacturing and Process64 今日制造与升级 2023.8在 有 源 天 线 单 元（ActiveAntennaUnit，AAU）的散 热 设 计 中，中 射 频 芯 片 需 要 处 理 16TR/32TR 的100M/200MNR 信号，负荷高，基带芯片需要处理64TR的100M/200M 信号，热耗大，因此芯片的单点散热已经成为 AAU 的散热瓶颈。文章分析比较 TEC（半导体制冷）、热管和 VC 板（均温板）等3种技术的冷却效果。参照华为 AAU5619，提出满足 AAU 散热、小型和轻量化需求的最佳方案，对促进AAU 的广泛应用具有一定的实际意义。1 芯片散热的理论基础TEC 要在直流的条件下产生热量转移。因为电子在 P型半导体中的能量低于铜电极，而在 N 型半导体中的能量高于铜电极，所以热端散热、冷端吸热。热管由管壳、吸液芯和蒸汽腔组成。在蒸发段中，热源通过管壳和吸液芯的导热，使得易于蒸发的液体工质吸热气化，此时热量以潜热的方式传递给工质。蒸汽在压力差的作用下，从蒸发段流入冷凝段。在冷凝段中，蒸汽受冷，释放热量，凝结成液体，并且液态工质依靠吸液芯的毛细作用重新回到蒸发段，继续循环。VC 板的工作原理与热管相似，只是将一维导热扩展至二维导热，增加了接触面积，改善了热流密度的均匀性。2 单点热源散热2.1 散热模型的建立华为 AAU5619的相关设备参数见表1。模型将 PCB板的产热源大致分为了4个部分，即主要产热部分（射频单元产热部分）、芯片产热部分、PCB 板剩余产热部分和外壳传热部分。表1 华为AAU5619的相关参数参数名称数值型号AAU5619频段2.6G收发通道数64T64R尺寸（高 宽 深，mm）965470195重量（kg）40典型功耗（W）970散热方式自然散热2.2 边界条件的建立文章做出以下假设：因为 AAU 的射频需求，PCB板靠射频表面的一侧不参与传热，即绝热。环境温度设定为40。芯片的一面与散热部件直接接触，其传热可简化为与室温的对流换热，对流换热系数为130W/（m2 K）。PCB 板没有直接与散热部件接触，因此其表面与机内剩余空气进行自然对流换热，机内空气温度为50，对流换热系数为10W/（m2 K）。其他条件的设置参数见表2（以PCB 的中心为原点，X 轴代表宽，Y 轴代表高，Z 轴代表深）。2.3 TEC散热半导体制冷是一种主动制冷方式。由半导体制冷器的工作原理可知，在实际应用中，并不是电流越大，制冷片的冷却效果越好，而是存在一个最佳电流。因此为了使制冷片的冷却效果最佳，模型通过对电流数值进行参数化扫描，分析了0.1A、1.1A、2.1A、3.1A、4.1A、5.1A和6.1A 共7种情况下的芯片的散热效果，旨在找到最佳的电流参数。该模型通过 COMSOL 多物理场中的热电效应和电磁热将固体传热和电流模块双向耦合起来，得到了7种不同电流值下 PCB 板的表面温度，并获得了芯片的平摘要有源天线单元（AAU）是5G 技术的关键设备。它通过 Massive MIMO 技术，实现了多输入多输出，使得AAU 的功耗增加至 RRU（射频拉远单元）的3倍，但为了满足射频需求，AAU 的散热面积减少为一面。功耗增加，散热面积减小，使得 AAU 的散热面临极大的挑战。文章参照华为 AAU5619，通过 COMSOL 仿真分析了基于 TEC 制冷、均温版及热管的单点热源散热，研究表明在单点热源散热中，TEC、热管和 VC 板都能有效地冷却芯片，使得 PCB 板的表面温度更均匀，3个芯片的平均温度分别下降了8.209、8.066和11.612，其中 VC 板的降温效果最佳。关键词5G 基站；AAU；均温板；TEC 制冷；热管中图分类号TK172.4 文献标志码A基于有源天线单元的3种散热方法分析李开兵（深圳市明喆电梯工程有限公司，广东深圳518000）制造与工艺 Manufacturing and Process2023.8 今日制造与升级 65均温度随电流变化的曲线。结果表明，该条件下 TEC1-12706T125制冷片的最佳电流为4.1A。与单芯片的仿真结果相比，TEC 制冷有效地促进了芯片散热，使得 PCB 板的最高温度更低、表面温度更均匀。2.4 热管散热文章将热管简化为高导热率的纯导热元件，当热管的当量导热系数大于103数量级时，实验与仿真的结果十分吻合，因此将热管的导热系数设置为12000W/（mK）。为了提高芯片的散热效果和 PCB 板的均温性，通过2根直径为6mm、长度为200mm 的热管对单个芯片进行强化散热，且在芯片和管壳之间、AAU 上板和管壳之间添加了导热性能优良的铜板。考虑到制造工艺的复杂性，在铜板中开设与热管形状相吻合的凹槽，让热管嵌入凹槽中，并且热管的蒸发段与冷凝段的长度比为1 0.6。芯片通过热管进行强化散热情况下，热管使得 PCB板的表面最大温度从103降为92.2，温差从51.6减为37.1，降低和均匀了 PCB 板的表面温度。此时，芯片1的平均温度为90.997，芯片2的平均温度为90.429，芯片3的平均温度为90.433，芯片4的平均温度为87.442。与 TEC 制冷相比，热管对于芯片的散热效果稍弱，但对 PCB 板表面温度的均匀性促进更强。2.5 VC板散热为了简化 VC 板的传热机理，本研究计算出下壳吸液芯与工质的等效导热系数、四壁吸液芯与工质的等效导热系数和上壳吸液芯与工质的等效导热系数，计算公式如下：（1）（2）（3）式中，ewl为下壳板吸液芯与工质的等效导热系数，pw为四壁吸液芯与工质的等效导热系数，cwl为上壳板吸液芯与工质的等效导热系数，eew为下壳板吸液芯厚度，Rew为下壳板吸液芯导热热阻，Lq为热源尺寸，ev为蒸汽腔厚度，Rp为均温板壳体导热热阻，evp为蒸汽腔壳体厚度，Lsp为均温板尺寸，ecw为上壳板吸液芯厚度，Rcw为上壳板吸液芯导热热阻。其中，Rew的值为2.8513810-3K/W，Rp的值为0.0449K/W，Rcw的值为8.329310-4K/W，且蒸汽腔的等效导热系数为12000W/（MK）。芯片通过 VC 板进行强化散热情况下，VC 板使得PCB 板的表面最大温度从103降为88，温差从51.6减为34.3，这对于 PCB 板表面温度的降低和均匀化具有促进作用。此时，芯片的温度达到了3种单点散热方式中的最小值。芯片1的平均温度为82.767，芯片2的平均温度为81.584，芯片3的平均温度为81.584，芯片4的平均温度为76.879。3 3种不同散热方式对比芯片温度的仿真结果见表3，由表3可知，VC 板散热的效果最佳，热管散热与 TEC 散热相近。为了进一步探讨 AAU 的整机散热优化方案，将芯片的散热方案选为VC 板，并进一步简化了 VC 板模型。表3 芯片在各种单点散热方式中的平均温度散热方式芯片 1 度芯片 2 度芯片 3 度芯片 4 度平均值基础芯片97.84599.08699.08693.24897.316TEC 制冷（最佳电流）90.70690.53190.52784.66289.107热管90.99790.42990.43387.44289.825VC 板82.76781.58481.58476.87985.7044 结论文章参照华为 AAU5619，得到了单芯片散热、TEC散热、热管散热和 VC 板散热过程中 PCB 板的表面温度云图，获得如下结论。（1）TEC、热管和 VC 板都能有效地冷却芯片，使得PCB 板的表面温度更均匀。采用3种散热方法散热，4个芯片的平均温度分别下降了8.209、8.066和11.612，其中 VC 板的降温效果最佳。（2）TEC 属于主动制冷方式，需要功耗，热管是单向均温部件，只能在单方向上提供均温传热，而VC板无功耗，表2 模型的相关参数参数数值PCB 尺寸（H1L1D1，mm）9254305PCB 板主要产热部分（射频单元）尺寸（L2H2D2，mm）1803505芯片尺寸（L3h3D3，mm）40405主要产热部分中心的坐标（x，y，z，mm）（0，320，0）芯片 1 中心的坐标（x，y，z，mm）（0，140，0）芯片 2 中心的坐标（x，y，z，mm）（-130，50，0）芯片 3 中心的坐标（x，y，z，mm）（130，50，0）芯片 4 中心的坐标（x，y，z，mm）（0，-150，0）主要产热部分的热通量（W/m2）2100PCB 板剩余部分的热通量（W/m2）183芯片 1 的热通量（W/m2）15000芯片 2、3 和 4 的热通量（W/m2）30000外壳与空气的传热系数 W/（m2K）10制造与工艺 Manufacturing and Process66 今日制造与升级 2023.8且在平面内 X 和 Y 两个方向上等效传热，因此能够获得更佳的散热效果。（3）TEC 和热管散热的效果相差较小，在后续的研究中可以考虑将这两种散热方法应用在其他芯片散热模型中，以评估 TEC 散热和热管散热的效果。参考文献1 毕晓宇.5G移动通信系统的安全研究J.信息安全研究，2020，6（1）：52-61.2 李鑫维.5G移动通信基站基带处理板卡数字硬件设计与实现D.北京：中国科学院大学，2020.3 张任平，陈晨，王一帆.基于热管相变传热技术的芯片散热数值研究J.低温与超导，2016，44（10）：88-92.作者简介李开兵（1990），男，甘肃古浪人，本科，工程师，主要研究方向为热交换设备的换热效率。塔机作为建筑施工过程中重要的特种设备，其加工质量影响着设备使用性能。设备生产厂家应在加工制造方面给予严格把关，良好的制造工艺不仅可以提高生产效率，而且能在设备使用过程中增加一份安全保障。1 标准节1.1 备料对于管材，可利用锯床锯至图纸要求尺寸并保留余量，以便进行后续切削。在此过程中应确保锯切断面无飞边、毛刺。对于板材，可利用火焰切割的方式进行批量下料。在此过程中应注意，铁水飞溅至板材表面会影响后序喷涂质量，所以应控制切割速度、调整火焰大小，并及时去渣。1.2 结构焊接主弦杆与标准节的组焊应借助专用工装完成，可利用CO2气体保护焊，电流极性为直流反接。若采用焊条焊接，焊条应经过350烘干1h，烘干后放保温箱备用。焊缝需要进行探伤检测，焊缝表面打磨平整，焊高应符合工艺要求。在标准节踏步位置应在主弦杆内焊加强板，以提高该区域主弦杆的强度，避免在爬升过程中发生局部受力变形。1.3 机加工以公称起重力矩为800kNm 自升式塔式起重机（以下简称“QTZ80”1）为例，机加工工序如下。（1）钻孔。以连接套 70mm 的外圆定位，通过三爪卡盘将连接套夹紧于车床上，粗车端面至长度172mm，钻mm 中心孔，保证 mm 孔轴线与连接套端面满足垂直度要求。（2）车端面。主弦杆组焊完成后，以主弦杆两侧封板中心 28mm 孔为基准，夹紧主弦杆外表面。粗车端面保证长度 mm，精车至 mm。精车连接套背端，至主弦杆环面内侧 190mm 处，且保证连接套精车后长度为170mm。（3）将主弦杆掉头以同样方式车主弦杆另一端面及其连接套背端，最终保证主弦杆精车后长度 mm。以上工序是为了保证标准节联接端面的平整，且在一定程度上减小标准节安装过程中的累积误差，保证连接套长度是为了双螺母拧紧后螺栓端部有足够的露牙距离。QTZ80标准节的主弦杆如图1所示。摘要塔机的制造工艺主要包括下料、焊接、机加工和装配4个方面。其中下料也称备料，即准备所需钢材、管材等；借助专用工装进行结构件的焊接；部分构件有装配要求或精度要求较高的，应借助机械加工设备（车、铣、线割等）完成；装配的基准选择与安装的先后顺序也有不同要求。关键词焊接；机加工；装配；安全中图分类号TU621 文献标志码A塔机主要部件制造工艺分析黄金锦（福建省轻工机械设备有限公司，福建福州350101）