5G光器件之散热分析

 体验式培训     |      2021-05-18 23:48
本文摘要:目前5G早已沦为全球注目的一个热题焦点,咱也蹭蹭热度,大家都告诉,5G比起于4GiTunes速率要提高最少9~10倍,在5G网络时代,不管什么样的5G支撑方案都必不可少5G通信器件,而5G对于光器件的拒绝也更加低,体积小,集成度低,速率低,功耗较低,针对5G前传、中传和传送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光器件是应用于尤为普遍的5G通信器件。

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目前5G早已沦为全球注目的一个热题焦点,咱也蹭蹭热度,大家都告诉,5G比起于4GiTunes速率要提高最少9~10倍,在5G网络时代,不管什么样的5G支撑方案都必不可少5G通信器件,而5G对于光器件的拒绝也更加低,体积小,集成度低,速率低,功耗较低,针对5G前传、中传和传送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光器件是应用于尤为普遍的5G通信器件。速率更加低,体积更加小,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给较高拒绝,如何较慢有效地的展开风扇是个必需坦率对待的问题。

一、风扇为什么要考虑到热设计?众所周知,我们的光电芯片在工作时,并会将流经电流100%转换成输入光电子,一部分将不会以热量的方式作为能量损耗,如果大量的热大大累积,无法及时回避,将不会对元器件性能产生诸多有利影响,一般而言,温度增高电阻阻值上升,减少器件的使用寿命,性能变差,材料老化,元器件损毁;另外高温还不会对材料产生形变变形,可靠性减少,器件功能紊乱等。我曾胆识过某公司QSFP-DD200G模块,对器件展开耦合PCB时,模块毛巾出手无法触碰,温度最起码有80℃,不能一旁耦合,一旁用于风扇风扇,才能站稳器件功率,所以在考虑到器件PCB结构时,热设计是其中很最重要的考虑到因数之一。我们再行普及下热量传送的三种基本方式:热传导、热对流、热辐射热传导:物体各部分之间不再次发生比较偏移时,依赖分子、原子及自由电子等微观例子的热运动而产生的热量称作导电。

比如,芯片通过底下的热沉展开风扇,光器件通过风扇硅脂认识外壳风扇等,都归属于热传导。芯片通过热沉热传导器件通过风扇硅脂热传导二、热设计的基础知识热传导过程中传送的热量按照Fourier导电定律计算出来:Q=λA(Th-Tc)/δ其中:A为与热量传送方向横向的面积,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为材料的导电系数,单位为W/(m*℃)从公式可以显现出,热传导过程跟风扇面积、材料的厚度、导电系数,还有接触面与风扇面的温度差等有关系,面积越大,材料就越厚、导电系数越大,热传导传送热量就越强劲。

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一般说道,液体的导电系数小于液体,液体的小于气体。例如常温下纯铜的导电系数高达400W/(m*℃),显铝的导电系数为210W/(m*℃),水的导电系数为0.6W/(m*℃),而空气仅有0.025W/(m*℃)左右。铝的导电系数低且密度较低,所以散热器基本都使用铝合金加工,但在一些大功率芯片风扇中,为了提高风扇性能,经常使用铝散热器金字铜块或者铜散热器。荐几个生活中的热传导例子:①锅炒菜,铁锅导电迅速将菜拌;②小时候,门口买冰棒用棉被裹住,冰棒长时间会融化,棉被导电劣;右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搭配规则:(1)热导率要低;(2)与芯片的热膨胀系数相匹配;从以上表格显现出,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,经济成本考虑到目前应用于尤为普遍的: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有所不同的液体表面时,与液体表面之间再次发生的热量互相交换过程,这是通信设备风扇中应用于最广的一种换热方式。对流换热主要分成大自然对流换热和强迫对流换热两类:大自然对流:主要利用高低温流体密度差异导致的浮升力做到动力互相交换热量,是一种被动风扇方式,限于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大自然对流换热居多。

强迫对流换热:通过泵、风机等外部动力源减缓流体换热速度所导致的一种高效风扇方式,必须额外的经济投放,限于于发热量较小、风扇环境较好的情况;在机柜或交换机中工作的光模块一般来说使用的风扇加热风扇就是典型的强迫对流换热。生活中的示例:1、电茶壶烧水时,关上盖子时,可看见热水和冷水的对流;2、关上刚刚用热水泡的茶,可以看见空气对流。热辐射:指通过电磁波来传送能量的过程,热辐射是由于物体的温度低于绝对零度时收到电磁波的过程,两个物体之间通过热辐射传送热量称作电磁辐射换热。

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出来是十分简单的,其中最简单的两个面积完全相同且正对着的表面间的电磁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所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。发射率各不相同物质种类,表面温度和表面状况,与外界条件牵涉到,也与颜色牵涉到。将印制电路板表面涂敷绿油,其表面黑度可以超过0.8,这不利于电磁辐射风扇。对于金属外壳,可以展开一些表面处置来提升黑度,增强风扇。

但是必须留意的是,将外壳涂黑并无法一定增强热辐射,因为在物体温度高于1800℃时,热辐射波长主要集中于0.76~20μm红外波段范围内,红外线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不能强化红外线电磁辐射吸取,与带给热量的红外电磁辐射牵涉到。

生活中示例:1、当你在火炉边上时,不会有灼热感;2、太阳的太阳光产生热量。三、光器件热分析器件整体风扇路径:光器件工作时的热环境如下图右图。可插拔光发送模块放入面板之后,内部产生的热量一小部分由周围空气的大自然对流风扇,大部分则是通过传导的方式风扇,热量总是由温度低的一端传送到温度较低的一端,模块热量向下传送至PCB外壳,向上传送至主板。

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右图光模块的PCB结构整体示意图,分析模块的主要风扇路径。光器件内部风扇路径:内部主要痉挛组件还包括TOSA升空组件、ROSA接管组件、PCB板上器件及IC掌控芯片。芯片产生的热量主要通过顶部①和底部③以及侧面②风扇,而经过引线框架从两侧面传导到外界的热量②,实质上由于①、②太小可忽略不计,为提升模块整体风扇效率,须要尽量提升③的风扇能力,增大各路径中热阻的大小和提升其导电系数。

芯片风扇路径光器件风扇的最重要影响因素:通过对光器件的内外部分析,由此可知影响光器件风扇最重要影响因素如下:(1)作功器件的热量及时给定:对于热流密度较小的器件如芯片和激光下方的PCB板展开过孔塞铜或金字铜块处置,提升热沉的导电系数。(2)壳体导电系数:在完全相同风扇条件下,提升壳体导电系数不利于减少器件壳温,同时不利于减少模块壳体和散热器之间的温差(3)器件布局:延长散热片基板与痉挛组件之间的距离,不利于减少器件壳温及器件壳体和散热器之间温差。(4)认识热阻:器件壳体与散热器之间的认识热阻是器件风扇的最重要影响因素。

减少认识热阻不利于提升器件的风扇性能,进而减少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认识面积:通过减少散热器接触面长度,器件壳温及器件壳体与散热器之间的温差可以减少大约1-2℃。四、热建模示例1.以TOSA为事例,通过有所不同Receptacle的结构设计可以显现出温度随时间变化曲线,如下图右图,通过热建模获知两种结构温度差异超过5℃左右。

最后我们针对目前光通信风扇基材应用于尤为普遍的什科氮化铝陶瓷基板,我们下一章将重点介绍氮化铝陶瓷基板的性能特点、做成工艺、陶瓷基板金属化工艺以及应用于实例等等,请求小伙伴们敬请期待奥!。


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