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(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(fā)展的必然趨勢，同時也給光器件內(nèi)部熱管理帶來較高要求，如何快速有效的進(jìn)行散熱是個必須嚴(yán)肅對待的問題。

  一、散熱

  為什么要考慮熱設(shè)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(zhuǎn)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(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;另外高溫還會對材料產(chǎn)生應(yīng)力變形，可靠性降低，器件功能失常等。

  我曾見識過某公司QSFP-DD 200G模塊，對器件進(jìn)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(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，熱設(shè)計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)、熱對流、熱輻射

  熱傳導(dǎo):物體各部分之間不發(fā)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(yùn)動而產(chǎn)生的熱量稱為導(dǎo)熱。比如，芯片通過底下的熱沉進(jìn)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(dǎo)。

  二、熱設(shè)計的基礎(chǔ)知識

  熱傳導(dǎo)過程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*℃)

  從公式可以看出，熱傳導(dǎo)過程跟散熱面積、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，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小時候，門口賣冰棒用棉被裹住，冰棒長時間不會融化，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比：

  我們針對熱沉材料的選用規(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。

  對流換熱：是指運(yùn)動著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時，與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過程，這是通信設(shè)備散熱中應(yīng)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(qiáng)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(fā)熱量較小的環(huán)境。而在手機(jī)、光模塊等終端產(chǎn)品中主要是自然對流換熱為主。

  強(qiáng)制對流換熱：通過泵、風(fēng)機(jī)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(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)制對流換熱。

  生活中的示例：

  1、電茶壺?zé)畷r，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(fā)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(fù)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(fā)射率。

  發(fā)射率取決于物質(zhì)種類，表面溫度和表面狀況，與外界條件無關(guān)，也與顏色無關(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.對于金屬外殼，可以進(jìn)行一些表面處理來提高黑度，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(nèi)，可見光波段內(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)可見光輻射吸收，與帶來熱量的紅外輻射無關(guān) 。

  生活中示例：

  1、當(dāng)你在火爐邊上時，會有灼熱感;

  2、太陽的照射產(chǎn)生熱量。

  器件整體散熱路徑：

  光器件工作時的熱環(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圍空氣的自然對流散熱，大部分則是通過傳導(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)生的熱量主要通過頂部①和底部③以及側(cè)面②散熱，而經(jīng)過引線框架從兩側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)。

芯片散熱路徑

  光器件散熱的重要影響因素：

  通過對光器件的內(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導(dǎo)出：對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 ℃。

  1. 以TOSA為例，通過不同Receptacle的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)溫度差異達(dá)到5℃左右。

  最后我們針對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(yīng)用實例等等，請小伙伴們敬請期待奧！

  來源：天孚通信研發(fā)部門供稿