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    光纤在线编辑部  2019-04-04 07:48:29  文章来源:综合整理  版权所有,未经许可严禁转载.

    时时彩亏钱 www.tradara.net 导读: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问题?天孚通信针对光器件散热问题进行全面解析。

    4/4/2019,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???,对器件进行耦合封装时,??樘痰檬治薹ùヅ?,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。

    二、热设计的基础知识
    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。


    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??榈戎斩瞬分兄饕亲匀欢粤骰蝗任?。
    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??橥ǔ2捎玫姆缟壤淙瓷⑷染褪堑湫偷那恐贫粤骰蝗?。

    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??橥饪腔蚰诓客亢谥荒茉銮靠杉夥湮?,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??刹灏喂馐辗⒛?椴迦朊姘逯?,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,??槿攘肯蛏洗葜练庾巴饪?,向下传递至主板。下图光??榈姆庾敖峁拐迨疽馔?,分析??榈闹饕⑷嚷肪?。


    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??檎迳⑷刃?,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。


    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??榭翘搴蜕⑷绕髦涞奈虏?
    (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
    1. 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。


    最后我们针对目前光通信散热基材应用最为广泛的莫属 氮化铝陶瓷基板,我们下一章将重点讲解氮化铝陶瓷基板的性能特点、制成工艺、陶瓷基板金属化工艺以及应用实例等等,请小伙伴们敬请期待奥!


    作者:天孚通信
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