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如何为光模块选择合适的导热散热材料?

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光模块是光收发一体模块的简称,是光通信的核心器件,完成对光信号的光-电/电-光转换,主要由接收和发射两部分组成,接收部分实现光电转换,发射部分实现电光转换。随着光通信产品的发展,要求光模块的速度越来越高(从10GHz到100GHz),体积越来越小。这对光模块的散热提出了更为苛刻的需求,即在小封装和高功率的条件下实现良好的散热特性。20190626

上图是SFP封装光模块结构中需要加强散热的核心部件,从图中可以看出需要散热是发射部分。主要原理是输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后,驱动半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)发射出相应速率的调制光信号,其内部带有光功率自动控制电路(APC),使输出的光信号功率保持稳定。而半导体激光器或发光二极管功率较大,是光模块的主要热源。为了确保光模块的散热问题,除了整体的设计工艺外,导热材料的选取也是极其重要的因素。光模块对其使用的导热材料有如下要求:低热阻,质地柔软易于压缩,材料无硅油或硅油溢出率低。

20.jpg

       针对光模块以上的散热需求,B&C TCS4500和B&C TCS6000导热填隙材料以其良好的顺从性(即在50psi压力下,可获60%的压缩变形率,4.5-6W/mK热传导率范围,厚度从0.25mm到6.00mm),减少了器件上的压力,为产品设计的导热要求提供高可靠保障。


热设计的几种常规思路

一般的热设计思路有三个措施:


• 降耗


• 导热


• 布局


降耗是不让热量产生;导热是把热量导走不产生影响;布局是热也没散掉但通过一些措施隔离热敏感器件。


如果导热方案行不通,那就只有通过降耗(选择发热低的芯片)或者重新布局。


光模块热源主要在PCB芯片和TOSA和ROSA。下面介绍从内部优化这两处散热的方法:


TOSA(ROSA)


通常TOSA有以下两种封装方式:


• 同轴封装


• Box封装


20190626可以选择GEL3500,GEL5000导热凝胶,TCS4500,TCS5000,TCS6000高性能导热垫增强散热效果。

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PCB芯片


主板上芯片散热主要难点在于子母板或单板时,发热量大的元件在Bottom面,芯片热量无法及时传到主散热面;想要解决光模块散热问题,导热和散热都必须要满足条件。


目前比较难以解决的情况就是子母板时,发热量大的芯片热量不能直接导到主散热面,这种情况下即使模块外部散热做得再好也很难解决问题。


还有一种就是内部导热做得很好,发热量很大,而外部散热差,对于发热量大的模块,也会存在热量因为无法及时被带走导致热量积聚的问题。


目前用到的GTS025石墨片,作为均热材料是不错的选择,但是其厚度方向导热系数很低,导致效率大打折扣。因此遇到类似的PCB布局时,优先考虑对应芯片主板开窗,采用嵌铜设计。其次是采用过孔提高主板厚度方向的导热性能。


模块外部主要优化方向是减小接触热阻,如提高导热系数、增加散热面积等。提高导热系数主要是通过选择导热系数高的材料进行替换。


减小热阻可以通过降低接触面粗糙度、提高平整度、减小传热路径的厚度等、增加导热垫片的压力、选择热阻小的导热材料等。


  要想更好地理解光模块的热设计,手机、电脑行业是比较好的参照。手机的散热极限由外壳的自然对流和辐射能力决定,内部采用热管、石墨片等均热;而内部散热采用了均温板、相变金属材料和热管等。光模块热设计相对其他行业的热设计存在很多挑战,需要更先进的散热材料以及散热技术支持。