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        天孚通信:5G光器件之散熱解析

        光纖在線編輯部  2019-04-04 07:48:29  文章來源:綜合整理  版權所有,未經許可嚴禁轉載.

        導讀:速率越來越高,體積越來越小,這是光器件發展的必然趨勢,同時也給光器件內部熱管理帶來較高要求,如何快速有效的進行散熱問題?天孚通信針對光器件散熱問題進行全面解析。

        4/4/2019,目前5G已經成為全球關注的一個熱題焦點,咱也蹭蹭熱度,大家都知道,5G 相比于4G 下載速率要提升至少9~10倍,在5G網絡時代,不管什么樣的5G承載方案都離不開5G通信器件,而5G 對于光器件的要求也越來越高 ,體積小,集成度高,速率高,功耗低,針對5G前傳、中傳和回傳主要常用的器件速率有25G、50G、100G、200G以及400G光器件,其中25G和100G光器件是應用最為廣泛的5G通信器件。



        速率越來越高,體積越來越小,這是光器件發展的必然趨勢,同時也給光器件內部熱管理帶來較高要求,如何快速有效的進行散熱是個必須嚴肅對待的問題。

        一、散熱
        為什么要考慮熱設計?
            眾所周知,我們的光電芯片在工作時,并不會將注入電流100%轉換成輸出光電子,一部分將會以熱量的方式作為能量損耗,如果大量的熱不斷積累,無法及時排除,將會對元器件性能產生諸多不利影響,一般而言,溫度升高電阻阻值下降,降低器件的使用壽命,性能變差,材料老化,元器件損壞;另外高溫還會對材料產生應力變形,可靠性降低,器件功能失常等。
            我曾見識過某公司QSFP-DD 200G模塊,對器件進行耦合封裝時,模塊燙得手無法觸碰,溫度最起碼有80℃,只能一邊耦合,一邊使用散熱風扇,才能穩住器件功率,所以在考慮器件封裝結構時,熱設計是其中很重要的考慮因數之一。

        二、熱設計的基礎知識
        我們先普及下熱量傳遞的三種基本方式:熱傳導、熱對流、熱輻射

        熱傳導:物體各部分之間不發生相對位移時,依靠分子、原子及自由電子 等微觀例子的熱運動而產生的熱量稱為導熱。比如,芯片通過底下的熱沉進行散熱,光器件通過散熱硅脂接觸外殼散熱等,都屬于熱傳導。


        熱傳導過程中傳遞的熱量按照Fourier導熱定律計算:
        Q=λA(Th-Tc)/δ
        其中: A 為與熱量傳遞方向垂直的面積,單位為m²;
               Th 與Tc 分別為高溫與低溫面的溫度;
               δ為兩個面之間的距離,單位為m;
               λ為材料的導熱系數,單位為W/(m*℃)
        從公式可以看出,熱傳導過程跟散熱面積、材料的厚度、導熱系數,還有接觸面與散熱面的溫度差等有關系,面積越大,材料越薄、導熱系數越大,熱傳導傳遞熱量越強。

        一般說,固體的導熱系數大于液體,液體的大于氣體。例如常溫下純銅的導熱系數高達400 W/(m*℃) ,純鋁的導熱系數為210W/(m*℃),水的導熱系數為0.6 W/(m*℃),而空氣僅0.025W/(m*℃)左右。鋁的導熱系數高且密度低,所以散熱器基本都采用鋁合金加工,但在一些大功率芯片散熱中,為了提升散熱性能,常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。

        舉幾個生活中的熱傳導例子:
        ①鍋炒菜,鐵鍋導熱很快將菜炒熟;
        ②小時候,門口賣冰棒用棉被裹住,冰棒長時間不會融化,棉被導熱差;

        下圖匯總了一些常用材料作為熱沉的性能對比:

          
        我們針對熱沉材料的選用規則:
        (1)熱導率要高;
        (2)與芯片的熱膨脹系數相匹配;
        從以上表格看出,熱導率較高,熱膨脹系數與芯片材質相匹配的有:鎢銅合金、金剛石、氧化鈹、氮化鋁,經濟成本考慮目前應用最為廣泛的:銅、鎢銅、氮化鋁等。

        對流換熱:是指運動著的流體流經溫度與之不同的固體表面時,與固體表面之間發生的熱量交換過程,這是通信設備散熱中應用最廣的一種換熱方式。
        對流換熱主要分為自然對流換熱和強制對流換熱兩類:
        自然對流:主要利用高低溫流體密度差異造成的浮升力做動力交換熱量,是一種被動散熱方式,適用于發熱量較小的環境。而在手機、光模塊等終端產品中主要是自然對流換熱為主。
        強制對流換熱:通過泵、風機等外部動力源加快流體換熱速度所造成的一種高效散熱方式,需要額外的經濟投入,適用于發熱量較大、散熱環境較差的情況;在機柜或交換機中工作的光模塊通常采用的風扇冷卻散熱就是典型的強制對流換熱。

        生活中的示例:
        1、電茶壺燒水時,打開蓋子時,可看到熱水和冷水的對流;
        2、打開剛用熱水泡的茶,可以看到空氣對流。


        熱輻射:指通過電磁波來傳遞能量的過程,熱輻射是由于物體的溫度高于絕對零度時發出電磁波的過程,兩個物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。物體的輻射力計算公式為:
        E=5.67e-8εT4
        物體表面之間的熱輻射計算是極為復雜的,其中最簡單的兩個面積相同且
        正對著的表面間的輻射換熱量計算公式為:
        Q=A*5.67e-8/(1/εh +1/εc -1)*(Th4-Tc4)
        公式中:T指的是物體的絕對溫度值=攝氏溫度值+273.15;
        ε是表面的黑度或發射率。
         
            發射率取決于物質種類,表面溫度和表面狀況,與外界條件無關,也與顏色無關。將印制電路板表面涂敷綠油,其表面黑度可以達到 0.8,這有利于輻射散熱.對于金屬外殼,可以進行一些表面處理來提高黑度,強化散熱。但是需要注意的是,將外殼涂黑并不能一定強化熱輻射,因為在物體溫度低于 1800℃時,熱輻射波長主要集中于 0.76~20μm 紅外波段范圍內,可見光波段內的熱輻射能量比重并不大。所以將模塊外殼或內部涂黑只能增強可見光輻射吸收,與帶來熱量的紅外輻射無關   。
        生活中示例:
        1、當你在火爐邊上時,會有灼熱感; 2、太陽的照射產生熱量。

        三、光器件熱分析
        器件整體散熱路徑:
           光器件工作時的熱環境如下圖所示。可插拔光收發模塊插入面板之后,內部產生的熱量一小部分由周圍空氣的自然對流散熱,大部分則是通過傳導的方式散熱,熱量總是由溫度高的一端傳遞到溫度低的一端,模塊熱量向上傳遞至封裝外殼,向下傳遞至主板。下圖光模塊的封裝結構整體示意圖,分析模塊的主要散熱路徑。


        光器件內部散熱路徑:
            內部主要發熱組件包括TOSA發射組件、ROSA接收組件、PCB板上器件及IC控制芯片。芯片產生的熱量主要通過頂部①和底部③以及側面②散熱,而經過引線框架從兩側面傳導到外界的熱量②,實際上由于①、②太小可忽略不計,為提高模塊整體散熱效率,需盡可能提高③的散熱能力,減小各路徑中熱阻的大小和提高其導熱系數。


        光器件散熱的重要影響因素:
          通過對光器件的內外部分析,可知影響光器件散熱重要影響因素如下:
        (1)做功器件的熱量及時導出:對于熱流密度較大的器件如芯片和激光下方的PCB板進行過孔塞銅或嵌銅塊處理,提高熱沉的導熱系數。
        (2)殼體導熱系數:在相同散熱條件下,提高殼體導熱系數有利于降低器件殼溫,同時有利于降低模塊殼體和散熱器之間的溫差
        (3)器件布局:縮短散熱片基板與發熱組件之間的距離,有利于降低器件殼溫及器件殼體和散熱器之間溫差。
        (4)接觸熱阻:器件殼體與散熱器之間的接觸熱阻是器件散熱的重要影響因素。降低接觸熱阻有利于提高器件的散熱性能,進而降低器件殼溫及器件殼體與散熱器之間的溫差。
        (5)散熱器與器件殼體的接觸面積:通過增加散熱器接觸面長度,器件殼溫及器件殼體與散熱器之間的溫差可以降低約1-2 ℃。

        四、熱仿真示例
        1. 以TOSA為例,通過不同Receptacle的結構設計可以看出溫度隨時間變化曲線,如下圖所示,通過熱仿真得知兩種結構溫度差異達到5℃左右。


        最后我們針對目前光通信散熱基材應用最為廣泛的莫屬 氮化鋁陶瓷基板,我們下一章將重點講解氮化鋁陶瓷基板的性能特點、制成工藝、陶瓷基板金屬化工藝以及應用實例等等,請小伙伴們敬請期待奧!


        作者:天孚通信
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