「科普」热设计基础知识：5G光器件之散热分析

编者注：本文转载自天孚通信，非常详细的介绍了热设计的一些基础知识。对于关注高速信号和电源完整性的工程师而言，本文非常值得学习。

99%的工程师忽略的问题：思考热与EMI损坏的设计考量

目前5G已经成为全球关注的一个热题焦点，咱也蹭蹭热度，大家都知道，5G 相比于4G 下载速率要提升至少9~10倍，在5G网络时代，不管什么样的5G承载方案都离不开5G通信器件，而5G 对于光器件的要求也越来越高 ，体积小，集成度高，速率高，功耗低，针对5G前传、中传和回传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光器件是应用最为广泛的5G通信器件。

  速率越来越高，体积越来越小，这是光器件发展的必然趋势，同时也给光器件内部热管理带来较高要求，如何快速有效的进行散热是个必须严肃对待的问题。

  一、散热

  为什么要考虑热设计？

  众所周知，我们的光电芯片在工作时，并不会将注入电流100%转换成输出光电子，一部分将会以热量的方式作为能量损耗，如果大量的热不断积累，无法及时排除，将会对元器件性能产生诸多不利影响，一般而言，温度升高电阻阻值下降，降低器件的使用寿命，性能变差，材料老化，元器件损坏;另外高温还会对材料产生应力变形，可靠性降低，器件功能失常等。

  我曾见识过某公司QSFP-DD 200G模块，对器件进行耦合封装时，模块烫得手无法触碰，温度最起码有80℃，只能一边耦合，一边使用散热风扇，才能稳住器件功率，所以在考虑器件封装结构时，热设计是其中很重要的考虑因数之一。

  我们先普及下热量传递的三种基本方式：热传导、热对流、热辐射

  热传导:物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子 等微观例子的热运动而产生的热量称为导热。比如，芯片通过底下的热沉进行散热，光器件通过散热硅脂接触外壳散热等，都属于热传导。

  二、热设计的基础知识

  热传导过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算：Q=λA(Th-Tc)/δ

  其中：A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2；Th 与Tc 分别为高温与低温面的温度；δ为两个面之间的距离，单位为m；λ为材料的导热系数，单位为W/(m*℃)

  从公式可以看出，热传导过程跟散热面积、材料的厚度、导热系数，还有接触面与散热面的温度差等有关系，面积越大，材料越薄、导热系数越大，热传导传递热量越强。

  一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。例如常温下纯铜的导热系数高达400 W/(m*℃)，纯铝的导热系数为210W/(m*℃)，水的导热系数为0.6 W/(m*℃)，而空气仅0.025W/(m*℃)左右。铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能，常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。

  举几个生活中的热传导例子：

  ①锅炒菜，铁锅导热很快将菜炒熟；

  ②小时候，门口卖冰棒用棉被裹住，冰棒长时间不会融化，棉被导热差；

  下图汇总了一些常用材料作为热沉的性能对比：

  我们针对热沉材料的选用规则：

  (1)热导率要高；

  (2)与芯片的热膨胀系数相匹配；

  从以上表格看出，热导率较高，热膨胀系数与芯片材质相匹配的有：钨铜合金、金刚石、氧化铍、氮化铝，经济成本考虑目前应用最为广泛的：铜、钨铜、氮化铝等。

  对流换热： 是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时，与固体表面之间发生的热量交换过程，这是通信设备散热中应用最广的一种换热方式。

  对流换热主要分为自然对流换热和强制对流换热两类：

  自然对流： 主要利用高低温流体密度差异造成的浮升力做动力交换热量，是一种被动散热方式，适用于发热量较小的环境。而在手机、光模块等终端产品中主要是自然对流换热为主。

  强制对流换热：通过泵、风机等外部动力源加快流体换热速度所造成的一种高效散热方式，需要额外的经济投入，适用于发热量较大、散热环境较差的情况;在机柜或交换机中工作的光模块通常采用的风扇冷却散热就是典型的强制对流换热。

  生活中的示例：

  1、电茶壶烧水时，打开盖子时，可看到热水和冷水的对流；

  2、打开刚用热水泡的茶，可以看到空气对流。

  热辐射： 指通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。物体的辐射力计算公式为：

E=5.67e-8εT4

  物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的，其中最简单的两个面积相同且

  正对着的表面间的辐射换热量计算公式为：

Q=A*5.67e-8/(1/εh +1/εc -1)*(Th4-Tc4)

  公式中：T指的是物体的绝对温度值=摄氏温度值+273.15；

  ε是表面的黑度或发射率。

  发射率取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关。将印制电路板表面涂敷绿油，其表面黑度可以达到 0.8，这有利于辐射散热.对于金属外壳，可以进行一些表面处理来提高黑度，强化散热。但是需要注意的是，将外壳涂黑并不能一定强化热辐射，因为在物体温度低于 1800℃时，热辐射波长主要集中于 0.76~20μm 红外波段范围内，可见光波段内的热辐射能量比重并不大。所以将模块外壳或内部涂黑只能增强可见光辐射吸收，与带来热量的红外辐射无关 。

  生活中示例：

  1、当你在火炉边上时，会有灼热感;

  2、太阳的照射产生热量。

  三、光器件热分析

  器件整体散热路径：

  光器件工作时的热环境如下图所示。可插拔光收发模块插入面板之后，内部产生的热量一小部分由周围空气的自然对流散热，大部分则是通过传导的方式散热，热量总是由温度高的一端传递到温度低的一端，模块热量向上传递至封装外壳，向下传递至主板。下图光模块的封装结构整体示意图，分析模块的主要散热路径。

  光器件内部散热路径：

  内部主要发热组件包括TOSA发射组件、ROSA接收组件、PCB板上器件及IC控制芯片。芯片产生的热量主要通过顶部①和底部③以及侧面②散热，而经过引线框架从两侧面传导到外界的热量②，实际上由于①、②太小可忽略不计，为提高模块整体散热效率，需尽可能提高③的散热能力，减小各路径中热阻的大小和提高其导热系数。

芯片散热路径

  光器件散热的重要影响因素：

  通过对光器件的内外部分析，可知影响光器件散热重要影响因素如下：

  (1)做功器件的热量及时导出： 对于热流密度较大的器件，如芯片和激光下方的PCB板进行过孔塞铜或嵌铜块处理，提高热沉的导热系数。

  (2)壳体导热系数： 在相同散热条件下，提高壳体导热系数有利于降低器件壳温，同时有利于降低模块壳体和散热器之间的温差

  (3)器件布局： 缩短散热片基板与发热组件之间的距离，有利于降低器件壳温及器件壳体和散热器之间温差。

  (4)接触热阻： 器件壳体与散热器之间的接触热阻是器件散热的重要影响因素。降低接触热阻有利于提高器件的散热性能，进而降低器件壳温及器件壳体与散热器之间的温差。

  (5)散热器与器件壳体的接触面积： 通过增加散热器接触面长度，器件壳温及器件壳体与散热器之间的温差可以降低约1-2 ℃。

  四、热仿真示例

  以TOSA为例，通过不同Receptacle的结构设计可以看出温度随时间变化曲线，如下图所示，通过热仿真得知两种结构温度差异达到5℃左右。

热设计基础（上）

热设计基础（中）

热设计基础（下）

光器件封装工艺有哪些？

光收发一体模块有三大部分组成，它们分别是光电器件（TOSA/ROSA）、贴有电子元器件的电路板（PCBA）和LC、SC、MPO等光接口（外壳）。

光收发一体模块介绍

光发射部分由光源、驱动电路、控制电路（如APC)三部分构成。主要测试光功率、消光比这两个参数。

光发射部分

接收部分以PIN为例，是由PINTIA(InGaAs PIN 和跨阻放大器)和限幅放大器组成。将输入的光信号通过PIN管转换成光电流。光电流又通过跨阻放大器转换成电压信号。电压信号经限幅放大，并通过整形滤波器与限幅放大器产生差分DATA与/DATA的数据信号交流输出。并具有无光告警功能，当光功率不足以维持模块正常工作时，SD端产生逻辑低信号，产生告警。

接收部分

光模块封装的基本结构为光发射侧模块(TOSA)和驱动电路，光接收侧模块(ROSA)和接收电路。TOSA、ROSA中的技术壁垒主要在于两方面：光芯片和封装技术，这也正是易飞扬的核心竞争力，易飞扬在封装技术工艺上拥有一整套完备的技术平台，可用于各封装工艺类型的研发、生产。

易飞扬在封装技术工艺上拥有一整套完备的技术平台

一般ROSA中封装有分光器、光电二极管(将光压装换成电压)和跨阻放大器(放大电压信号)，TOSA中封装有激光驱动器、激光器和复用器。TOSA、ROSA的封装工艺主要有以下四种：

1)TO-CAN同轴封装

TO-CAN同轴封装：壳体通常为圆柱形，因为其体积小，难以内置制冷，散热困难，难以用于大电流下的高功率输出，故而难以用于长距离传输。目前最主要的用途还在于2.5Gbit/s及10Gbit/s短距离传输。但成本低廉，工艺简单。

TO-CAN同轴封装

易飞扬采用TO-CAN同轴封装工艺制作的10G SFP+ AOC产品（爆炸图）：

易飞扬采用TO-CAN同轴封装工艺制作的10G SFP+ AOC产品（爆炸图）

2)蝶形封装

蝶形封装：壳体通常为长方体，结构及实现功能通常比较复杂，可以内置制冷器、热沉、陶瓷基块、芯片、热敏电阻、背光监控，并且可以支持所有以上部件的键合引线，壳体面积大，散热好，可以用于各种速率及80km长距离传输。

蝶形封装

3)COB(Chip On Board)封装

COB封装：即板上芯片封装，将激光芯片粘附在PCB基板上，可以做到小型化、轻型化、高可靠、低成本。

COB封装

传统的单路10Gb/s或25Gb/s速率的光模块采用SFP封装将电芯片和TO封装的光收发组件焊接到PCB板上组成光模块。而100Gb/s光模块，在采用25Gb/s芯片时，需要4组组件，若采用SFP封装，将需要4倍空间。COB封装可以将TIA/LA芯片、激光阵列和接收器阵列集成封装在一个小空间内，以实现小型化。技术难点在于对光芯片贴片的定位精度(影响光耦合效果)和打线质量(影响信号质量、误码率)。易飞扬拥有一整套COB工艺制程设备，在手动耦合满足定制化，而自动耦合则满足批量的一致性要求：

易飞扬拥有一整套COB工艺制程设备

易飞扬采用COB工艺制作的10G SFP+ AOC产品（爆炸图）：

易飞扬采用COB工艺制作的10G SFP+ AOC产品

4)BOX封装

BOX封装：属于蝶形封装，用于多通道并行封装。

BOX封装

易飞扬采用BOX封装工艺制作的100G QSFP28 LR4：

易飞扬采用BOX封装工艺制作的100G QSFP28 LR4

25G及以下速率光模块多采用单通道TO或蝶形封装，有标准的制程和自动化设备，技术壁垒低。但对于40G及以上速率的高速光模块，受激光器速率限制(多为25G)，主要通过多通道并行实现，如40G由4*10G实现，而100G则由4*25G实现。高速光模块的封装对并行光学设计、高速率电磁干扰、体积缩小、功耗增加下的散热问题提出了更高的要求。

随着光模块速率越来越高，易飞扬在单通道的波特率提升上已成功量产400G（单通道56G），而采用并行光学设计的800G产品也正已研发，值得期待。

相关问答

什么是热沉材料

[回答]铜钼铜(CMC)材料是一种三明治结构的平板复合材料,它采用纯钼做芯材,双面再覆以纯铜或者弥散强化铜。这种材料的热膨胀系数可调,热导率高,耐高温性能...

人教版初三物理第十一章总结_作业帮

[回答]第十一章多彩的物质世界一、宇宙和微观世界1.宁宙是由物质组成的“物体”与“物质”的区别和联系:物体是指具有一定形状、占据一定空间,有体积和质...

SOS的三个字母分别代表什么SOS大家都知道是求救的意思但是知...

[回答]如SaveOurSouls(拯救我们的生命!),SaveOurShip(拯救我们的船只!),StopOtherSignals(停止发送任何其他信号!),SureOfSinking(船就...

B2轰炸机是如何隐身的?

从正上方看B-2就像一个大尺寸的飞去来器。B-2的平面图轮廓由12根互相平行的直线组成,机翼前缘与机翼后缘和另一侧的翼尖平行。飞机的中间部位隆起以容纳座...

关于求救信号CQD和sos的区别-Sissel_AU的回答-懂得

CDQ:comequick,danger遇险,请速来救(旧时使用的求救信号)SOS:(1)国际通用求救信号(2)求援的信息(国际通用的船舶,飞机等的)无线电紧急呼救信号,<口>...

通信工程是新工科吗?

当然不是,自从有了无线电,通讯工程就开始蓬勃发展,日新日益。沉在的通讯工程也是在以前的基础上发展起来的,更深刻和精细而己。当然不是,自从有了无线电,通讯...

注销抖音帐号后，警方能否查到个人信息?-找法网

这些信息都沉到历史数据里了,一般也没有分析的必要。从系统里用你的身份证号查,所有这些号码都能查出来。公民的通信自由和通信受法律保护,只能由公安机关依照法...

抖音注销报警能找到吗?-找法网

这些信息都沉到历史数据里了,一般也没有分析的必要。从系统里用你的身份证号查,所有这些号码都能查出来。公民的通信自由和通信受法律保护,只能由公安机关依照...

有没有通信工程专业的师兄给点建议，现在大一学的很迷茫?

谢邀。借用我老师的一句话,迷茫是因为你接触少,理解浅,没下功夫,先把你现在的课程学好,无论是人文学科还是专业学科,努力学才是打破迷茫的唯一途径。了解...可...

抖音注销报警可以查到吗?-找法网

只是如果销户很久,比如两年以上,这些信息都沉到历史数据里了,一般也没有分析的必要。从系统里用你的身份证号查,所有这些号码都能查出来。公民的通信自由和通...