【科普】热设计基础知识：5G光器件之散热分析

编者按：本文转载自天府通信，详细介绍了热设计的一些基础知识。本文非常值得学习，因为工程师们关注高速信号和电源的完整性。

99%的工程师忽略了这个问题：思考热量EMI设计考虑损坏

目前5G已成为全球关注的热点，我们也蹭热度，大家都知道，5G 相比于4G 下载率至少提高9~10倍，在5G网络时代，无论什么样的5G承载方案离不开5G5.通信设备G 对光器件的要求也越来越高 ，体积小，集成度高，速度高，功耗低，针对5G前传、中传前传、中传、回传器件的速率为25G、50G、100G、200G以及400G其中25个光器件G和100G光器件是应用最为广泛的5G通信器件。

??速度越来越高，体积越来越小，这是光器件发展的必然趋势，也给光器件的内部热管理带来了更高的要求。如何快速有效地散热是一个必须认真对待的问题。

??一、散热

??为什么要考虑热设计？

??众所周知，当我们的光电芯片工作时，它不会将注入电流的100%转换为输出光电子，部分将以热量的形式作为能量损失。如果大量热量不断积累，不能及时排除，将对部件性能产生诸多不利影响。一般来说，温度升高，电阻值降低，降低了部件的使用寿命、性能差、材料老化和部件损坏；此外，高温还会对材料产生应力变形，可靠性降低，设备功能异常等。

??我见过一家公司QSFP-DD 200G模块，当装置耦合包装时，模块不能触摸，温度至少为80℃，只有在耦合和使用散热风扇时，才能稳定设备的功率。因此，在考虑设备包装结构时，热设计是最重要的考虑因素之一。

??先普及热传递的三种基本方式:热传导、热对流、热辐射

??热传导各部分之间没有相对位移时，依靠分子、原子和自由电子 等待微观例子的热运动产生的热量称为导热性。例如，芯片通过底部的热沉降散热，光器件通过冷却硅脂与外壳接触散热，属于热传导。

??二、热设计的基础知识

??根据传热过程中传递的热量Fourier导热定律计算：Q=λA(Th-Tc)/δ

??其中：A 该单位是垂直于传热方向的面积m2；Th 与Tc 温度分别为高温和低温表面；δ是两面之间的距离，单位是m；λ单位为材料的导热系数W/(m*℃)

??从公式可以看出，传热过程与散热面积、材料厚度、导热系数、接触面与散热面温差有关。面积越大，材料越薄，导热系数越大，传热传热越强。

??一般来说，固体的导热系数大于液体，液体大于气体。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。铝导热系数高，密度低，散热器基本采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提高散热性能，铝散热器通常嵌入铜块或铜散热器。

??在生活中举几个热传导的例子:

??①锅炒菜，铁锅导热快速炒菜；

??②当我还是个孩子的时候，我在门口卖冰棒，用被子包裹。冰棒不会长时间融化，棉被导热性差；

??下图总结了一些常用材料作为热沉性能对比:

??热沉材料的选择规则：

??(1)热导率要高；

??(2)匹配芯片的热膨胀系数；

??从上表可以看出，热导率高，热膨胀系数与芯片材料相匹配：钨铜合金、金刚石、氧化铍、氮化铝、铜、钨铜、氮化铝等。

??对流换热：是指运动流体流经不同温度的固体表面时与固体表面之间的热交换过程，是通信设备散热中应用最广泛的换热方式。

??对流换热主要分为自然对流换热和强制对流换热：

??自然对流：主要利用高低温流体密度差引起的浮升力进行动力交换热，是一种适用于热量较小的被动散热环境。在手机、光模块等终端产品中，主要是自然对流热交换。

??强制对流热交换：通过泵、风机等外部动力源加速流体热交换速度，需要额外的经济投资，适用于热量大、散热环境差；在机柜或开关中工作的风扇冷却是典型的强制对流热交换。

??生活示例：

??1.电茶壶烧水时，打开盖子时，可以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：它是指通过电磁波传递能量的过程。当物体温度高于绝对零度时，热辐射是发出电磁波的过程。两个物体之间的热辐射传递称为辐射热交换。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非常复杂，其中最简单的两个面积相同

??对面表面间的辐射换热计算公式为：

Q=A*5.67e-8/(1/εh 1/εc -1)*(Th4-Tc4)

??公式中：T指物体的绝对温度值=摄氏温度值 273.15；

??ε是表面的黑度或发射率。

??发射率取决于物质类型、表面温度和表面条件，与外部条件和颜色无关。在印刷电路板表面涂上绿油，其表面黑度可达到 0.8.这有利于辐射散热.对金属外壳，可进行一些表面处理，以提高黑度，加强散热。但需要注意的是，涂黑外壳并不一定能加强热辐射，因为物体温度低于 1800℃当时，热辐射波长主要集中在 0.76~20μm 在红外波段范围内，光波段内的热辐射能比例不大。因此，模块外壳或内部涂黑只能增强可见光辐射的吸收，与带来热量的红外辐射无关 。

??生活示例：

??1.当你在炉边时，会有灼热感；

??2.阳光照射产生热量。

??三、光器件热分析

??设备整体散热路径：

??光学设备工作时的热环境如下图所示。插入面板后，内部产生的一小部分热量由周围空气的自然对流散热，其中大部分通过传导散热。热量总是从高温的一端传递到低温的一端，模块的热量向上传递到包装外壳，向下传递到主板。下图光学模块的整体包装结构示意图分析了模块的主要散热路径。

??内部散热路径：

??主要内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组件包括内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内部发热组内发热组内发热组内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内发热组内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部内部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散热通过引线框架从两侧传递到外部热量②，实际上由于①、②为了提高模块的整体散热效率，需要尽可能提高③散热能力，降低各路径的热阻，提高导热系数。

芯片散热路径

??影响光器件散热的重要因素：

??对光器件件散热的重要因素如下：

??(1)及时导出做功器件的热量：对于热流密度较高的装置，如芯片和激光下PCB过孔塞铜或嵌铜块处理板，提高热沉导热系数。

??(2)壳体导热系数：在相同的散热条件下，提高壳体导热系数有利于降低模块壳体与散热器之间的温差

??(3)设备布局:缩短散热器基板与加热组件之间的距离，有利于降低装置外壳温度和装置外壳与散热器之间的温差。

??(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)散热器与设备外壳的接触面积:通过增加散热器接触面的长度，可以降低设备壳体与散热器之间的温差约1-2 ℃。

??四、热仿真示例

??以TOSA例如，通过不同Receptacle从结构设计中可以看出，温度随时间变化曲线，如下图所示，通过热仿真可以看出，两种结构的温差达到5℃左右。