5G光器件封装之散热研究(上)-企业新闻

5G光器件封装之散热研究(上)

宣布日期：2019-04-11 来源：xinwen 点击： 11094

目前5G已经成为全球关注的一个热题焦点，咱也蹭蹭热度，各人都知道，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。

5G光器件之散热分析

速率越来越高，体积越来越小，这是光器件生长的一定趋势，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看待的问题。

一、散热

为什么要考虑热设计？

众所周知，我们的光电芯片在事情时，并不会将注入电流100％转换成输出光电子，一部门将会以热量的方式作为能量损耗，如果大量的热不停积累，无法及时排除，将会对元器件性能发生诸多倒霉影响，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，质料老化，元器件损坏；另外高温还会对质料发生应力变形，可靠性降低，器件功效失常等。

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，才气稳住器件功率，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。

我们先普及下热量通报的三种基本方式：热传导、热对流、热辐射

热传导：物体各部门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发生的热量称为导热。好比，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。

5G光器件之散热分析

芯片通过热沉热传导

5G光器件之散热分析

器件通过散热硅脂热传导

二、热设计的基础知识

5G光器件之散热分析

热传导过程中通报的热量凭据Fourier导热定律计算：

Q＝λA（Th－Tc）／δ

其中：A为与热量通报偏向垂直的面积，单元为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，单元为m；

λ为质料的导热系数，单元为W／（m*℃）

从公式可以看出，热传导过程跟散热面积、质料的厚度、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，质料越薄、导热系数越大，热传导通报热量越强。

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，所以散热器基本都接纳铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能，常接纳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质料作为热沉的性能对比：

我们针对热沉质料的选用规则：

（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差异的固体外貌时，与固体外貌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：主要利用崎岖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，适用于发烧量较小的环境。而在手机、光�？�等终端产物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，需要特别的经济投入，适用于发烧量较大、散热环境较差的情况；在机柜或交换机中事情的光�？橥ǔ＝幽傻姆缟壤淙瓷⑷染褪堑湫偷那恐贫粤骰蝗�。

5G光器件之散热分析

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：指通过电磁波来通报能量的过程，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通报热量称为辐射换热。物体的辐射力计算公式为：

E＝5.67e－8εT4

物体外貌之间的热辐射计算是极为庞大的，其中最简单的两个面积相同且

正对着的外貌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是外貌的黑度或发射率。

发射率取决于物质种类，外貌温度和外貌状况，与外界条件无关，也与颜色无关。将印制电路板外貌涂敷绿油，其外貌黑度可以到达0.8，这有利于辐射散热。对于金属外壳，可以进行一些外貌处置来提高黑度，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、太阳的照射发生热量。

三、光器件热分析

器件整体散热路径：

光器件事情时的热环境如下图所示�？刹灏喂馐辗⒛？椴迦朊姘逯�，内部发生的热量一小部门由周围空气的自然对流散热，大部门则是通过传导的方式散热，热量总是由温度高的一端通报到温度低的一端，�？槿攘肯蛏贤ūㄖ练庾巴饪�，向下通报至主板。下图光�？榈姆庾敖峁拐迨疽馔�，分析�？榈闹饕⑷嚷肪�。

5G光器件之散热分析

光器件内部散热路径：

内部主要发烧组件包罗TOSA发射组件、ROSA接收组件、PCB板上器件及IC控制芯片。芯片发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巨细和提高其导热系数。

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