技術(shù)探討 | 天孚通信：5G光器件之散熱分析

  ICCSZ訊 目前5G已經(jīng)成為全球關(guān)注的一個(gè)熱題焦點(diǎn)，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(wǎng)絡(luò)時(shí)代，不管什么樣的5G承載方案都離不開(kāi)5G通信器件，而5G 對(duì)于光器件的要求也越來(lái)越高 ，體積小，集成度高，速率高，功耗低，針對(duì)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(yīng)用最為廣泛的5G通信器件。

  速率越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，這是光器件發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)也給光器件內(nèi)部熱管理帶來(lái)較高要求，如何快速有效的進(jìn)行散熱是個(gè)必須嚴(yán)肅對(duì)待的問(wèn)題。

  一、散熱

  為什么要考慮熱設(shè)計(jì)？

  眾所周知，我們的光電芯片在工作時(shí)，并不會(huì)將注入電流100%轉(zhuǎn)換成輸出光電子，一部分將會(huì)以熱量的方式作為能量損耗，如果大量的熱不斷積累，無(wú)法及時(shí)排除，將會(huì)對(duì)元器件性能產(chǎn)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(huì)對(duì)材料產(chǎn)生應(yīng)力變形，可靠性降低，器件功能失常等。

  我曾見(jiàn)識(shí)過(guò)某公司QSFP-DD 200G模塊，對(duì)器件進(jìn)行耦合封裝時(shí)，模塊燙得手無(wú)法觸碰，溫度最起碼有80℃，只能一邊耦合，一邊使用散熱風(fēng)扇，才能穩(wěn)住器件功率，所以在考慮器件封裝結(jié)構(gòu)時(shí)，熱設(shè)計(jì)是其中很重要的考慮因數(shù)之一。

  我們先普及下熱量傳遞的三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射

  熱傳導(dǎo):物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子 等微觀例子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量稱(chēng)為導(dǎo)熱。比如，芯片通過(guò)底下的熱沉進(jìn)行散熱，光器件通過(guò)散熱硅脂接觸外殼散熱等，都屬于熱傳導(dǎo)。

  二、熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)

  熱傳導(dǎo)過(guò)程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計(jì)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(gè)面之間的距離，單位為m；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*℃)

  從公式可以看出，熱傳導(dǎo)過(guò)程跟散熱面積、材料的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)，還有接觸面與散熱面的溫度差等有關(guān)系，面積越大，材料越薄、導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱傳導(dǎo)傳遞熱量越強(qiáng)。

  一般說(shuō)，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的大于氣體。例如常溫下純銅的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400 W/(m*℃)，純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為210W/(m*℃)，水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 W/(m*℃)，而空氣僅0.025W/(m*℃)左右。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)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(gè)生活中的熱傳導(dǎo)例子：

  ①鍋炒菜，鐵鍋導(dǎo)熱很快將菜炒熟；

  ②小時(shí)候，門(mén)口賣(mài)冰棒用棉被裹住，冰棒長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)融化，棉被導(dǎo)熱差；

  下圖匯總了一些常用材料作為熱沉的性能對(duì)比：

  我們針對(duì)熱沉材料的選用規(guī)則：

  (1)熱導(dǎo)率要高；

  (2)與芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配；

  從以上表格看出，熱導(dǎo)率較高，熱膨脹系數(shù)與芯片材質(zhì)相匹配的有：鎢銅合金、金剛石、氧化鈹、氮化鋁，經(jīng)濟(jì)成本考慮目前應(yīng)用最為廣泛的：銅、鎢銅、氮化鋁等。

  對(duì)流換熱：是指運(yùn)動(dòng)著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時(shí)，與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過(guò)程，這是通信設(shè)備散熱中應(yīng)用最廣的一種換熱方式。

  對(duì)流換熱主要分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱兩類(lèi)：

  自然對(duì)流：主要利用高低溫流體密度差異造成的浮升力做動(dòng)力交換熱量，是一種被動(dòng)散熱方式，適用于發(fā)熱量較小的環(huán)境。而在手機(jī)、光模塊等終端產(chǎn)品中主要是自然對(duì)流換熱為主。

  強(qiáng)制對(duì)流換熱：通過(guò)泵、風(fēng)機(jī)等外部動(dòng)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(jīng)濟(jì)投入，適用于發(fā)熱量較大、散熱環(huán)境較差的情況;在機(jī)柜或交換機(jī)中工作的光模塊通常采用的風(fēng)扇冷卻散熱就是典型的強(qiáng)制對(duì)流換熱。

  生活中的示例：

  1、電茶壺?zé)畷r(shí)，打開(kāi)蓋子時(shí)，可看到熱水和冷水的對(duì)流；

  2、打開(kāi)剛用熱水泡的茶，可以看到空氣對(duì)流。

  熱輻射：指通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程，熱輻射是由于物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)發(fā)出電磁波的過(guò)程，兩個(gè)物體之間通過(guò)熱輻射傳遞熱量稱(chēng)為輻射換熱。物體的輻射力計(jì)算公式為：

E=5.67e-8εT4

  物體表面之間的熱輻射計(jì)算是極為復(fù)雜的，其中最簡(jiǎn)單的兩個(gè)面積相同且

  正對(duì)著的表面間的輻射換熱量計(jì)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(duì)溫度值=攝氏溫度值+273.15；

  ε是表面的黑度或發(fā)射率。

  發(fā)射率取決于物質(zhì)種類(lèi)，表面溫度和表面狀況，與外界條件無(wú)關(guān)，也與顏色無(wú)關(guān)。將印制電路板表面涂敷綠油，其表面黑度可以達(dá)到 0.8，這有利于輻射散熱.對(duì)于金屬外殼，可以進(jìn)行一些表面處理來(lái)提高黑度，強(qiáng)化散熱。但是需要注意的是，將外殼涂黑并不能一定強(qiáng)化熱輻射，因?yàn)樵谖矬w溫度低于 1800℃時(shí)，熱輻射波長(zhǎng)主要集中于 0.76~20μm 紅外波段范圍內(nèi)，可見(jiàn)光波段內(nèi)的熱輻射能量比重并不大。所以將模塊外殼或內(nèi)部涂黑只能增強(qiáng)可見(jiàn)光輻射吸收，與帶來(lái)熱量的紅外輻射無(wú)關(guān) 。

  生活中示例：

  1、當(dāng)你在火爐邊上時(shí)，會(huì)有灼熱感;

  2、太陽(yáng)的照射產(chǎn)生熱量。

  器件整體散熱路徑：

  光器件工作時(shí)的熱環(huán)境如下圖所示?？刹灏喂馐瞻l(fā)模塊插入面板之后，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量一小部分由周?chē)諝獾淖匀粚?duì)流散熱，大部分則是通過(guò)傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)整體示意圖，分析模塊的主要散熱路徑。

  光器件內(nèi)部散熱路徑：

  內(nèi)部主要發(fā)熱組件包括TOSA發(fā)射組件、ROSA接收組件、PCB板上器件及IC控制芯片。芯片產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)頂部①和底部③以及側(cè)面②散熱，而經(jīng)過(guò)引線框架從兩側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)到外界的熱量②，實(shí)際上由于①、②太小可忽略不計(jì)，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(dǎo)熱系數(shù)。

芯片散熱路徑

  光器件散熱的重要影響因素：

  通過(guò)對(duì)光器件的內(nèi)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(shí)導(dǎo)出：對(duì)于熱流密度較大的器件，如芯片和激光下方的PCB板進(jìn)行過(guò)孔塞銅或嵌銅塊處理，提高熱沉的導(dǎo)熱系數(shù)。

  (2)殼體導(dǎo)熱系數(shù)：在相同散熱條件下，提高殼體導(dǎo)熱系數(shù)有利于降低器件殼溫，同時(shí)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(fā)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(jìn)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(guò)增加散熱器接觸面長(zhǎng)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 ℃。

  1. 以TOSA為例，通過(guò)不同Receptacle的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看出溫度隨時(shí)間變化曲線，如下圖所示，通過(guò)熱仿真得知兩種結(jié)構(gòu)溫度差異達(dá)到5℃左右。

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

  來(lái)源：天孚通信研發(fā)部門(mén)供稿