01
砍掉“风扇”的NEC基站
就在刚刚过去的三月份，号称全球通信行业“广交会”的世界移动通信大会 MWC2022在西班牙的旅游胜地巴塞罗那热热闹闹地落下了帷幕。
可能是过去两年都被疫情憋坏了吧，这次通信大厂们参与的热情都是异常高涨，争相晒出了这段时间鼓捣出来的各种新产品和新技术。
在巴塞罗那举办的世界移动通信大会MWC2022
不过对于我等吃瓜群众来说，诺爱中华这组通信行业的“四大头牌”已经着实让人有些审美疲劳了。反倒是那些平常没啥存在感的“小众”厂商让人眼前一亮！
比如这次参展的日系大厂NEC，他们就一直在5G技术路线上有一些不一样的“想法”，特别是在基站的“热管理”这个在旁人看来已经是老生常谈的问题上。
具体我们可以先看一下他们19和20年在MWC大会上展出的5G基站——最为吸睛的想必就是机箱上面那一排“电风扇”了。
NEC初代的5G基站（信息来源:https://www.nec.com/en/global/solutions/5g/O-RAN_Compliant_5G_Radio_Unit.html ）
如果单纯站在“热管理”的角度来看，这种在机箱上加了几个风扇的设计倒也没什么毛病。
毕竟5G时代到来之后，基站内置的天线振子从之前的10至40个陡然增加到了现在的128至256个，功放、射频、数字芯片要处理的数据量以及随之产生的“废热”也跟着出现了十余倍的飙升！
要想快速排放掉这些暴增的热量，风扇这种“主动式”的热管理确实是一个便宜又好用的方案。
但是问题在于，基站的工作环境往往都比较恶劣，风扇之类的机械装置又需要频繁维护，像现在这样直接就把它安到了AAU上真的不会出状况吗？
果然，很快就有日本网友晒出了这样一张照片——一台位于东京地铁口的AAU，刚刚架上天没几个月，它的风扇口就已经被一层厚厚的灰尘糊住了……
被灰尘堵住风扇口的5G基站(信息来源:https://inf.news/en/tech/a11f9e297e544828daca08c5472a1b4a.html)
想必此类事件也让NEC在后续的产品研发中有所觉悟吧，于是到了今年的MWC2022大会，一款名为MB5460-m的全新AAU基站就被他们做为年度产品很隆重地推了出来。
这款基站不光是将sub 6GHz频段的天线数增加到了64T64R；更重要的是它“砍掉”了风扇，全面转向了“被动式”热管理方案！
而且从日媒的报导来看，这个“无风扇”设计还是一个颇为重要的升级，用新闻稿中的原话说就是：“引发了广泛的关注”！
《日经XTECH》关于“无风扇”的报导(信息来源:https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/01958/00020/)
不过问题又来了——
既然这款基站的天线从之前的32T32R增加到了现在的64T64R，也就意味着发射功率和发热量也会跟着多出来一大截。但是偏偏在这种情况之下，NEC又很头铁地“砍掉”了风扇！
那么现在仅凭散热鳍片这种“被动式”热管理方案，基站的温升又是如何被控制住的呢？
基站电路板上的“导热凝胶”（信息来源：henkel.com）
这个问题可真是说来话长，不过站在材料人的角度来看，一个很关键的举措就是：
大幅提高散热片上“导热凝胶”的导热率！
02
“导热率” vs “被动式”热管理
之前就有“热管理”方面的研究人员做过这样一个实验——
他们先给两台发热设备分别装配上导热率为3.2W/m.K和0.2W/m.K的导热胶，然后再用一高一低两种风速去吹设备的散热鳍片，在这个过程中观察哪台设备的温升控制得比较好。
结果发现，只要导热胶的“导热率”足够高，哪怕“散热方案”没那么给力，最终的温升也依然能够控制在一个比较理想的程度！
风冷流速、导热率 对设备温升的影响（参考文献：基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究_饶中浩）
如此看来，这次NEC敢于直接“砍掉”风扇，只靠着“被动式”的热管理方案来控制基站的温升也是有底气的。
毕竟只要大幅提升导热凝胶的“导热率”，就能在一定程度上弥补“散热”效率方面的短板！
导热vs散热（信息来源：henkel.com）
不过该说不说，至少是在这个问题上，还是要数人家通信行业的“四大头牌”们更有先见之明——
他们应该是早就预见到了“风扇”会出幺蛾子，所以在研发之初就给5G基站定下了“被动式”热管理的基调。
不过当时面临的瓶颈是，市面上所谓的“超高导热率”凝胶也就3～4W/m.K的水平，对付4G基站倒是足够了，但要想用来压制5G基站的温升就还差得比较远！
最后还是以汉高为代表的材料厂商们率先取得突破，终于赶在5G大规模商用前，成功将导热凝胶的“导热率”大幅提升了100%！
经此一役，导热凝胶这个品类的“导热率”也一下跃上了6～8W/m.K的全新高度！
汉高公司导热凝胶类产品分布（信息来源：henkel.com）
照理说取得了这样大的进展，材料厂商们也该停下来“躺平”一段时间了吧。
但是万万没想到“树欲静而风不止”，在产品升级和技术迭代的问题上，“四大头牌”们却丝毫没有停止“内卷”的意思……
就以基站的“发射功率”这个和热管理密切相关的参数为例，在2021年初的时候貌似各家的产品还没有高于320W的。（信息来源：UE最大发射功率介绍_知乎@前沿通信）
但是到了今年春天的MWC2022大会上，爱立信发布的新机型AIR6428就将这个参数提升到了340W！
https://www.ericsson.com/en/ran/massive-mimo
而“卷王”华为就做得就更加彻底了。在这次MWC2022展出的新机MetaAAU，不仅最大发射功率一下子提升到了400W，天线振子的数量也从192个暴增到了碾压同行的384个！
凡此种种都不免让人担心，导热凝胶那好不容易才提上来的“导热率”，是不是很快又要不够用了？！
（https://www.mobileworldlive.com/infographic-metaaau-a-breakthrough-in-innovation-for-m-mimo-coverage-energy-efficiency）
说来也巧，就在MWC2022刚刚结束一个多月后，一款突破了10.0W/m.K的“真·超高导热凝胶”就正式发布了！
而这次的主角又是材料巨头汉高公司，以及他们开发的全新热界面方案——
LIQUI FORM TLF10000！
（信息来源：henkel.com）
这个TLF10000是汉高为5G应用开发的第二代“预固化”体系的导热凝胶。
和上一代6.0W/m.K的产品TLF6000相比，它的“导热率”又进一步提升了多达80%，一举将整个品类推向了新的高度！
汉高公司导热凝胶类产品分布（信息来源：henkel.com）
不过按照“四大头牌”们一贯的作风来看，光是“导热率”OK了肯定还是不够的。在此基础之上必须“胶体流速”和“可靠性”也同时过关才行！
而他们之所以要“纠结”这两项性能，就还要追溯到当年“导热凝胶”的身世了……
03
胶体流速 vs 可靠性
其实“导热凝胶”的历史非常短，说它是导热材料里面的“00后”都不过分！
想当年在“导热凝胶”出来之前，通信基站的“热管理”基本还是靠“导热垫片”撑场子。
但是随着通信厂商们的生产线开始逐步实现自动化，“导热垫片”这种需要工人用手一片一片贴上去的工艺就显得越来越不合时宜了。
通信基站发热元件上的“导热垫片”
于是到了2008年，美国的科学家们就针对这个需求开发出来了“导热凝胶”这个全新的物种！
如果单从外观上看，“导热凝胶”就是牙膏一样的触变性流体，只要搭配上一台点胶机就能“全自动”地替换掉产线上的导热垫片。所以人们就给它取了一个很形象的昵称——“液态导热垫片”。
基站电路板上的“导热凝胶”（信息来源：henkel.com）
但其实如果再从微观层面观察，就能发现它和“导热垫片”也的确能攀得上“亲戚”！
具体来说，这二位的成分同样都是“硅树脂+导热填料”；不同之处就是“导热垫片”的硅树脂是三维网状的立体交联，类似于馒头蒸熟之后的那种感觉，所以宏观上就呈现为弹性的固体形态；
而“导热凝胶”的硅树脂则主要是线性交联的中长链分子。这些分子链条纠缠在一起就像一坨泡面——盘根错节却也根根独立，彼此之间可以相对滑动。而正是这个特点让导热凝胶具备了液体的“流动性”。
所以从这个角度来说，“导热凝胶”还真就是一种“液态”的导热垫片！
“导热垫片”与“导热凝胶”的微观差异
只不过凡事有利就有弊，这种看起来很美的“线性交联”其实也有一个很大的Bug——
容易引发“导热凝胶”的开裂或垂流！
毕竟基站的工作环境是冬冷夏热，“导热凝胶”也要跟着经历一番比较极端的高低温冲击。
在这种情况之下，“导热凝胶”那一根根原本缠在一起的分子链就很容易被热失配产生的“应力”给扯开了……
通信基站冬冷夏热的工作环境（信息来源：henkel.com）
有研究人员做过实验，他们先将密闭空间中的硅凝胶从25℃慢慢加热到125℃，再在这个过程中测量胶体内部因为热膨胀而产生的“应力”。
结果发现，当温度升高100℃，硅凝胶内部“应力”的涨幅竟然高达10000%！
（参考文献：Silicone Pressure Testing: Thermal Expansion and Solvent Swelling_Kent Larson）
当然了，由于硅凝胶本身非常柔软，虽然这个10000%的涨幅有点惊人，实际上“应力”的绝对数值也不会大到哪里去；
但是问题在于，这些硅树脂的分子链们平常只是简单地“缠绕”在一起，彼此之间并没有“化学键”来捆绑或固定。
所以只要假以时日，它们一样会被“应力”给缓慢地扯开……
被应力扯开的硅树脂分子链
而这个过程体现在宏观层面，就是经历多轮高低温循环之后，“导热凝胶”的表面开始出现各种大大小小的“裂纹”；
情况再严重一点的，甚至整坨“导热凝胶”都会从发热元器件上面“滑落”下来！
无论是哪种情况，发热元器件的界面热阻会急剧飙升，此时即便“导热率”做得再高都没什么鸟用了……
-40～125℃的冷热冲击中导热凝胶容易出现的问题
原理就是如此，不过看起来所谓“开裂”和“滑落”似乎也不难解决啊——只要选用分子链更长的硅树脂不就行了？
因为“熵增定律”告诉我们，分子链越长，他们就能越凌乱地缠绕在一起，凝胶的内聚力也就随之增大。当这些分子长链最终都缠绕成了一团解不开的“乱麻”，导热凝胶自然也就没那么容易被热失配的“应力”给搞裂了啊！
道理是没错了，只是这样一来又会按下葫芦起了瓢——太长的分子链的确能帮助“导热凝胶”抵抗热失配的“应力”，但是同时也会让导热凝胶的“流速”降低——
毕竟分子长链们都紧紧地缠在一起了，当然也就很难再愉快地相对滑动。从宏观上看，就是即便施加了剪切力，也没办法让胶体快速流动起来。
不同“流速”胶水的差异
如果想把这样的导热凝胶用到自动化产线上，就要求点胶设备必能打出非常大的“压力”才行。
如此一来，就是一方面设备成本降不下来，另一方面整条产线的生产效率也提不上去了！
不同“流速”胶水的差异
所以说，“导热凝胶”这个品类光是“导热率”高还不够，要想胜任5G基站的热管理，就必须做到多项指标“全面发展”！
而现在汉高的这款TLF10000已经在“导热率”上创了新高，那么在“流速”和“可靠性”这两个方面又是一个什么状态呢？
04
TLF10000——进击的“导热凝胶”
有研究人员专门针对TLF10000做过长达2700小时的高低温循环实验，结果表明——
在-40～125℃的环境中，TLF10000的胶体没有任何“开裂”或“下滑”的迹象，呈现出非常不错的持久“可靠性”！
而在“流速”方面，180cc胶管包装的TLF10000却又具备了高达80g/min的挤出率！
（信息来源：henkel内部资料）
如此看来，这还真就属于那种很对5G基站胃口的“导热凝胶”。
所以汉高也准备在本周四（28日）给这款集齐了“高导热”、“大流速”、“持久可靠性” 三大要素的TLF10000专门开一场正式的线上直播发布会！
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