明日之后测试服下载: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.

明日之后房子建造大全图 www.3020969.com 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???,對器件進行耦合封裝時,??樘痰檬治薹ùヅ?,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??櫚戎斬瞬分兄饕親勻歡粵骰蝗任?。
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??橥ǔ2捎玫姆縞壤淙瓷⑷染褪塹湫偷那恐貧粵骰蝗?。

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??橥飪腔蚰誆客亢謚荒茉鑾靠杉夥湮?,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??剎灝喂饈輾⒛?椴迦朊姘逯?,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,??槿攘肯蟶洗葜練庾巴飪?,向下傳遞至主板。下圖光??櫚姆庾敖峁拐迨疽饌?,分析??櫚鬧饕⑷嚷肪?。


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??檎逕⑷刃?,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??榭翹搴蛻⑷繞髦淶奈虜?
(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
光纖在線

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