資料介紹
目前5G已經(jīng)成為全球關(guān)注的一個(gè)熱題焦點(diǎn),咱也蹭蹭熱度,大家都知道,5G 相比于4G 下載速率要提升至少9~10倍,在5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代,不管什么樣的5G承載方案都離不開(kāi)5G通信器件,而5G 對(duì)于光器件的要求也越來(lái)越高,體積小,集成度高,速率高,功耗低,針對(duì)5G前傳、中傳和回傳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光器件是應(yīng)用最為廣泛的5G通信器件。
速率越來(lái)越高,體積越來(lái)越小,這是光器件發(fā)展的必然趨勢(shì),同時(shí)也給光器件內(nèi)部熱管理帶來(lái)較高要求,如何快速有效的進(jìn)行散熱是個(gè)必須嚴(yán)肅對(duì)待的問(wèn)題。
一、散熱
為什么要考慮熱設(shè)計(jì)?
眾所周知,我們的光電芯片在工作時(shí),并不會(huì)將注入電流100%轉(zhuǎn)換成輸出光電子,一部分將會(huì)以熱量的方式作為能量損耗,如果大量的熱不斷積累,無(wú)法及時(shí)排除,將會(huì)對(duì)元器件性能產(chǎn)生諸多不利影響,一般而言,溫度升高電阻阻值下降,降低器件的使用壽命,性能變差,材料老化,元器件損壞;另外高溫還會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生應(yīng)力變形,可靠性降低,器件功能失常等。
我曾見(jiàn)識(shí)過(guò)某公司QSFP-DD200G模塊,對(duì)器件進(jìn)行耦合封裝時(shí),模塊燙得手無(wú)法觸碰,溫度最起碼有80℃,只能一邊耦合,一邊使用散熱風(fēng)扇,才能穩(wěn)住器件功率,所以在考慮器件封裝結(jié)構(gòu)時(shí),熱設(shè)計(jì)是其中很重要的考慮因數(shù)之一。
我們先普及下熱量傳遞的三種基本方式:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射
熱傳導(dǎo):物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí),依靠分子、原子及自由電子 等微觀例子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量稱為導(dǎo)熱。比如,芯片通過(guò)底下的熱沉進(jìn)行散熱,光器件通過(guò)散熱硅脂接觸外殼散熱等,都屬于熱傳導(dǎo)。
二、熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)
熱傳導(dǎo)過(guò)程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計(jì)算:Q=λA(Th-Tc)/δ
其中:A 為與熱量傳遞方向垂直的面積,單位為m2;Th 與Tc 分別為高溫與低溫面的溫度;δ為兩個(gè)面之間的距離,單位為m;λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/(m*℃)
從公式可以看出,熱傳導(dǎo)過(guò)程跟散熱面積、材料的厚度、導(dǎo)熱系數(shù),還有接觸面與散熱面的溫度差等有關(guān)系,面積越大,材料越薄、導(dǎo)熱系數(shù)越大,熱傳導(dǎo)傳遞熱量越強(qiáng)。
一般說(shuō),固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體,液體的大于氣體。例如常溫下純銅的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400 W/(m*℃),純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為210W/(m*℃),水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 W/(m*℃),而空氣僅0.025W/(m*℃)左右。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高且密度低,所以散熱器基本都采用鋁合金加工,但在一些大功率芯片散熱中,為了提升散熱性能,常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。
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