【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。