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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化，但是器件的發熱功率也隨之提高。熱量如果不能及時轉移，發熱量的增加將使得器件溫度極速惡化，造成產品失效。 電子設備市場上有55%的電子設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。 熱設計在產品設計環節意義重大，其主要目的是用來保證產品在制定的環境規格條件下正常工作并達到產品可靠性目標，從而滿足對產品各部分溫升的限制性要求。 光模塊熱設計基本原則在光模塊的設計中，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，而空氣導熱系數0.026, 比導熱墊片差了十倍以上。表1用數據說明了導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，芯片溫度大多數時候沒辦法實測，這就導致了原本能夠滿足散熱要求的模塊最終因為導熱墊片沒有貼合好還要進行進一步優化。 而這往往意味著要延長產品開發周期，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 • 對流 • 輻射 熱傳導 熱傳導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。比如我們常說的風冷、冷水降溫。 熱輻射 熱輻射是一種可以在沒有任何介質的情況下，不需要接觸就能夠發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，我們可以發現，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，只能依靠傳導散熱。 熱設計的幾種常規思路一般的熱設計思路有三個措施： • 降耗 • 導熱 • 布局 降耗是不讓熱量產生；導熱是把熱量導走不產生影響；布局是熱也沒散掉但通過一些措施隔離熱敏感器件。 如果導熱方案行不通，那就只有通過降耗（選擇發熱低的芯片）或者重新布局。表三列舉幾種不同散熱方法對比： ◮表3 PCB散熱優化對比 模塊外部主要優化方向是減小接觸熱阻，如提高導熱系數、增加散熱面積等。提高導熱系數主要是通過選擇導熱系數高的材料進行替換。 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、增加導熱墊片的壓力、選擇熱阻小的導熱材料等。 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。下面介紹從內部優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，發熱量大的芯片熱量不能直接導到主散熱面，這種情況下即使模塊外部散熱做得再好也很難解決問題。 還有一種就是內部導熱做得很好，發熱量很大，而外部散熱差，對于發熱量大的模塊，也會存在熱量因為無法及時被帶走導致熱量積聚的問題。 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，但是其厚度方向導熱系數很低，導致效率大打折扣。因此遇到類似的PCB布局時，優先考慮對應芯片主板開窗，采用嵌銅設計。其次是采用過孔提高主板厚度方向的導熱性能。 光模塊熱設計實例演示下面主要結合易飛揚(Gigalight)的兩款特色產品——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是當前應用于數據中心的熱門產品，主要應用于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，高度集成了內部的無源器件，降低了成本和功耗。 其內部結構和外觀如下圖所示。 100G PSM4在樣品測試時出現了激光器芯片溫度偏高，光功率偏低現象，經分析原因就是導熱墊片未貼好，為進一步降低散熱風險，我們通過改變內部相關器件的材料、增加導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數據中心解決方案推出的新產品。 該產品外觀和內部結構如下圖所示。 該產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化可以進一步改進。 正是得益于優秀的散熱設計，該產品功耗低于6W。充分代表了未來數據中心高速率、低功耗的發展趨勢。 ◮易飛揚(Gigalight)200G數據中心并行解決方案 光模塊熱設計未來的幾點看法要想更好地理解光模塊的熱設計，手機、電腦行業是比較好的參照。手機的散熱極限由外殼的自然對流和輻射能力決定，內部采用熱管、石墨片等均熱；而內部散熱采用了均溫板、相變金屬材料和熱管等。 舉個比較現實的例子：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)芯片溫度快速傳導至冷端，再搭載石墨烯。 據悉, 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，基本結構單元就是石墨烯。這種新材料新工藝，不用膠粘直接燒結出高導熱石墨烯片，具有高熱通量，完全突破了傳統高導熱石墨片的厚度限制。 另一個現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左右的發熱量。為了解決這個高功耗問題，華碩增加了外置風扇作為附件，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部空間，只能靠自然對流和熱傳導來降溫，相對于手機、電腦行業來說，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境都有強制對流存在，相對手機、電腦來說也算是一個優勢。 未來我們可以考慮引入相變熱技術如均溫板、熱管技術等。均溫板可以用于模塊內部，其主要作用是將局部發熱量高的芯片溫度均勻散開，而熱管可將發熱量大的芯片從熱端傳導到冷端，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 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計、用均溫板、熱管甚至于壓電風扇等。受安裝條件、尺寸等限制，光模塊熱設計相對其他行業的熱設計存在很多挑戰，需要更先進的散熱材料以及散熱技術支持。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 |
