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隨著電子器件性能的迅速攀升，其能效比雖然也在優(yōu)化，但是器件的發(fā)熱功率也隨之提高。熱量如果不能及時轉(zhuǎn)移，發(fā)熱量的增加將使得器件溫度極速惡化，造成產(chǎn)品失效。 電子設(shè)備市場上有55%的電子設(shè)備失效是由于溫度引起，并且溫度每上升10℃, 失效率將增加一倍。 熱設(shè)計在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)意義重大，其主要目的是用來保證產(chǎn)品在制定的環(huán)境規(guī)格條件下正常工作并達到產(chǎn)品可靠性目標，從而滿足對產(chǎn)品各部分溫升的限制性要求。 光模塊熱設(shè)計基本原則在光模塊的設(shè)計中，由于加工精度的影響，元器件接觸面并不是完全平整，實際上往往如下圖所示。 ◮接觸面的幾種狀況 接觸面不平整就意味著中間是空氣，而空氣導(dǎo)熱系數(shù)0.026, 比導(dǎo)熱墊片差了十倍以上。表1用數(shù)據(jù)說明了導(dǎo)熱墊片沒有貼合好對芯片的影響。 這種情況下模塊外殼溫度差別并不大，芯片溫度大多數(shù)時候沒辦法實測，這就導(dǎo)致了原本能夠滿足散熱要求的模塊最終因為導(dǎo)熱墊片沒有貼合好還要進行進一步優(yōu)化。 而這往往意味著要延長產(chǎn)品開發(fā)周期，甚至重新布局，從而增加成本。 ◮表1 如何才能進行有效的散熱呢？ 熱量傳遞主要有三種方式： • 傳導(dǎo) • 對流 • 輻射 熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)指物體本身或當物體與物體接觸時，分子間進行能量傳遞的現(xiàn)象 熱對流 熱對流指的是流動的流體（液體或氣體）與固體或者流體表面接觸，造成流體從固體表面（或流體）將熱量帶走的熱傳遞方式。比如我們常說的風(fēng)冷、冷水降溫。 熱輻射 熱輻射是一種可以在沒有任何介質(zhì)的情況下，不需要接觸就能夠發(fā)生熱交換的熱量傳遞方式。這主要是以電磁波的形式達到熱交換的目的。 了解了這三種相對教科書式的介紹之后，我們可以發(fā)現(xiàn)，所謂散熱就是一個減小熱阻的過程。熱阻就是阻礙熱量傳遞的因素。 表二列舉了實際情況下電子產(chǎn)品常用降低熱阻的方法： ◮表2 需要注意的是，對于安裝密度高的光模塊內(nèi)部而言，對流和輻射換熱都比較困難，且當元件間隔小于3mm時，自然對流幾乎停止，只能依靠傳導(dǎo)散熱。 熱設(shè)計的幾種常規(guī)思路一般的熱設(shè)計思路有三個措施： • 降耗 • 導(dǎo)熱 • 布局 降耗是不讓熱量產(chǎn)生；導(dǎo)熱是把熱量導(dǎo)走不產(chǎn)生影響；布局是熱也沒散掉但通過一些措施隔離熱敏感器件。 如果導(dǎo)熱方案行不通，那就只有通過降耗（選擇發(fā)熱低的芯片）或者重新布局。表三列舉幾種不同散熱方法對比： ◮表3 PCB散熱優(yōu)化對比 模塊外部主要優(yōu)化方向是減小接觸熱阻，如提高導(dǎo)熱系數(shù)、增加散熱面積等。提高導(dǎo)熱系數(shù)主要是通過選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的材料進行替換。 減小熱阻可以通過降低接觸面粗糙度、提高平整度、減小傳熱路徑的厚度等、增加導(dǎo)熱墊片的壓力、選擇熱阻小的導(dǎo)熱材料等。 在不考慮加工成本的情況下，簡單看下模塊外殼材料對芯片溫度的影響： 光模塊熱源主要在PCB芯片和TOSA和ROSA。下面介紹從內(nèi)部優(yōu)化這兩處散熱的方法： TOSA(ROSA) 通常TOSA有以下兩種封裝方式： • 同軸封裝 • Box封裝 以同軸封裝為例，表四說明了同軸封裝有散熱措施和無散熱措施的溫度分布情況： ◮表4 同軸封裝TOSA/ROSA常用優(yōu)化方式 PCB芯片 主板上芯片散熱主要難點在于子母板或單板時，發(fā)熱量大的元件在Bottom面，芯片熱量無法及時傳到主散熱面；想要解決光模塊散熱問題，導(dǎo)熱和散熱都必須要滿足條件。 目前比較難以解決的情況就是子母板時，發(fā)熱量大的芯片熱量不能直接導(dǎo)到主散熱面，這種情況下即使模塊外部散熱做得再好也很難解決問題。 還有一種就是內(nèi)部導(dǎo)熱做得很好，發(fā)熱量很大，而外部散熱差，對于發(fā)熱量大的模塊，也會存在熱量因為無法及時被帶走導(dǎo)致熱量積聚的問題。 目前用到的銅箔納米碳，跟石墨片類似，作為均熱材料是不錯的選擇，但是其厚度方向?qū)嵯禂?shù)很低，導(dǎo)致效率大打折扣。因此遇到類似的PCB布局時，優(yōu)先考慮對應(yīng)芯片主板開窗，采用嵌銅設(shè)計。其次是采用過孔提高主板厚度方向的導(dǎo)熱性能。 光模塊熱設(shè)計實例演示下面主要結(jié)合易飛揚(Gigalight)的兩款特色產(chǎn)品——100G QSFP28 PSM4和200G QSFP DD PSM8光模塊做一個實例說明。 ▶ 100G QSFP28 PSM4（硅光） 100G QSFP28 PSM4是當前應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的熱門產(chǎn)品，主要應(yīng)用于500m到2km距離范圍的Spine交換機和Leaf交換機之間的互連，與CWDM4產(chǎn)品不同, PSM4采用四路單模光纖并行的方式傳輸。尤其是在引入硅光芯片之后，高度集成了內(nèi)部的無源器件，降低了成本和功耗。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀如下圖所示。 100G PSM4在樣品測試時出現(xiàn)了激光器芯片溫度偏高，光功率偏低現(xiàn)象，經(jīng)分析原因就是導(dǎo)熱墊片未貼好，為進一步降低散熱風(fēng)險，我們通過改變內(nèi)部相關(guān)器件的材料、增加導(dǎo)熱面積等方式使芯片溫度大幅下降。 ▶ 200G QSFP-DD PSM8 200G QSFP-DD PSM8是易飛揚(Gigalight)面向200G數(shù)據(jù)中心解決方案推出的新產(chǎn)品。 該產(chǎn)品外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。 該產(chǎn)品的芯片散熱主要是兩個思路： • 將其面向底殼 • 引入銅箔納米碳的材料將溫度傳導(dǎo)至主散熱面進行散熱。 銅箔納米碳的散熱效果相比其他材料不是特別理想，但是在未來隨著散熱材料的優(yōu)化可以進一步改進。 正是得益于優(yōu)秀的散熱設(shè)計，該產(chǎn)品功耗低于6W。充分代表了未來數(shù)據(jù)中心高速率、低功耗的發(fā)展趨勢。 ◮易飛揚(Gigalight)200G數(shù)據(jù)中心并行解決方案 光模塊熱設(shè)計未來的幾點看法要想更好地理解光模塊的熱設(shè)計，手機、電腦行業(yè)是比較好的參照。手機的散熱極限由外殼的自然對流和輻射能力決定，內(nèi)部采用熱管、石墨片等均熱；而內(nèi)部散熱采用了均溫板、相變金屬材料和熱管等。 舉個比較現(xiàn)實的例子：華為Mate 20X首次運用了真空腔均熱板（即均溫板），可快速將SOC(CPU)芯片溫度快速傳導(dǎo)至冷端，再搭載石墨烯。 據(jù)悉, Mate 20X中的石墨烯膜由99%以上單層率的氧化石墨烯懸浮液做原材料加工而成，基本結(jié)構(gòu)單元就是石墨烯。這種新材料新工藝，不用膠粘直接燒結(jié)出高導(dǎo)熱石墨烯片，具有高熱通量，完全突破了傳統(tǒng)高導(dǎo)熱石墨片的厚度限制。 另一個現(xiàn)實例子就是華碩電競游戲手機ROG, 它也采用了均溫板和石墨片，但是其功耗最高可達8W，一般手機最多承受4W左右的發(fā)熱量。為了解決這個高功耗問題，華碩增加了外置風(fēng)扇作為附件，目的就是增加對流換熱量，降低溫度。 光模塊受限于狹小的內(nèi)部空間，只能靠自然對流和熱傳導(dǎo)來降溫，相對于手機、電腦行業(yè)來說，光模塊熱流密度更大，散熱面積更小。但大部分高功耗模塊工作環(huán)境都有強制對流存在，相對手機、電腦來說也算是一個優(yōu)勢。 未來我們可以考慮引入相變熱技術(shù)如均溫板、熱管技術(shù)等。均溫板可以用于模塊內(nèi)部，其主要作用是將局部發(fā)熱量高的芯片溫度均勻散開，而熱管可將發(fā)熱量大的芯片從熱端傳導(dǎo)到冷端，再借由模塊外部強制對流措施將冷端熱量迅速散掉。如下圖所示： ◮光模塊均溫板或熱管散熱技術(shù) 甚至我們還可以腦洞大開地配合廠商在散熱鰭片上做文章，比如散熱鰭片底部用嵌銅設(shè)計、用均溫板、熱管甚至于壓電風(fēng)扇等。受安裝條件、尺寸等限制，光模塊熱設(shè)計相對其他行業(yè)的熱設(shè)計存在很多挑戰(zhàn)，需要更先進的散熱材料以及散熱技術(shù)支持。此處略而不表。了解更多，請訪問https://www.gigalight.com/cn/bbs/technical/100g-200g-thermal-design.html |
