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5G都要商用了,你的光模块热设计拖后腿了吗?

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发表时间:2019-07-24 15:42

     5G、云计算、大数据等应用普及推动着网络流量不断攀升,导致了光通讯器件功耗和发热量急剧增加。为了保证网络数据能满足更快速度、更低延时等要求,作为光通信的核心器件--光模块,快速散热是其必须克服的第一个难题


光模块.png

图1 光模块

什么是光模块

  光模块(optical module,又叫光纤模块)的作用是光电转换,主要由接收和发射两部分组成,发送端把电信号转换成光信号,通过传送后,接收端再把光信号转换成电信号。


光模块为什么要考虑散热设计?

  众所周知,光电芯片在工作时,不会将电流100%转换成输出光电子,一部分将会以热量的方式作为能量损耗,如果这部分热量不能及时散出,将导致光模块的温度不断升高,一旦超过其工作温度(如商用光模块的温度限制在70℃以内将会对元器件性能产生不利影响(可靠性降低、器件功能失常、元器件损坏、使用寿命缩短等),加之光模块趋向小型化、集成化、快速化等方向发展,对有限空间内的散热设计带来了更大挑战,所以在考虑器件封装结构时,热设计是光模块重要的考虑因素。


光器件内部散热分析

  光模块插入面板后,其工作时的热环境如下图。从可看出,光模块的散热大部分是通过热传导的方式实现,小部分则是由空气的自然对流实现。


热传导.png

上图4种途径可以传导光模块的热量。


  路径(A)为主要路径,热量从光器件传递到热界面材料,再到光模块(上)壳体,再到散热器,然后通过散热器的气流带走热量。

  路径(B)是二次路径,热量通过光器件的PCB传递到下壳体,然后再到系统PCB。

  路径(C)是从光器件通过模块PCB传导到光模块连接器,然后再到系统板。

  路径(D)是从光器件沿模块PCB的侧面横向穿过到外壳的侧面,然后热量要么传导到系统PCB,要么按照惯例从鼠笼的侧壁耗散。


光器件内部热设计解决方案

  光模块内部主要发热组件包括TOSA发射组件、ROSA接收组件、PCB板上器件及IC控制芯片。

光模块内部.png

3 光模块内部


      TOSA、ROSA是实现光电转换的主要部件,处理光电信号产热多,需要热设计处理。它们常用同轴封装和Box封装,这两种封装方式均需要导热界面材料(导热凝胶、导热硅脂导热硅胶片等)填充金属散热块和外壳之间提高导热散热效果

同轴封装.png

4同轴封装TOSA/ROSA常用散热方案


  以同轴封装为例,表1说明了同轴封装时有散热措施和无散热措施的温度分布情况:


无散热措施:空气散热U型金属+导热凝胶+外壳

EML(电吸收调制激光器)74.6

外壳:29.1

EML(电吸收调制激光器):30.1℃

外壳26.8℃

1同轴封装TOSA/ROSA常用优化方式


      PCB板上器件及IC控制芯片的散热同样需要导热界面材料(导热硅胶片、导热硅脂等)将发热元件的热量传导至外壳散热器,从而能提高发热电子组件的效率和使用寿命。

PCB应用1.pngPCB应用2.png

5 导热界面材料在光模块PCB的应用


  为了确保光模块能长时间稳定工作,导热界面材料的选取极其重要。以下是光模块常用的导热界面材料部分性能要求金戈新材导热填料解决方案


导热界面材料

特点

导热填料解决方案

3.0W/m*K导热硅脂

低热阻、细腻、低挥发

GD-S307A

3.8W/m*K导热硅脂

低热阻、低挥发

GD-S403Z

1.2 W/m*K导热硅胶片

自带粘性,厚度0.3~10mm,硬度shore 00   40~80

GD-S076A

3.0 W/m*K导热硅胶片

自带粘性,厚度0.3~2.0mm,硬度shore 00   40~70

GD-S314A

6.0 W/m*K导热硅胶片

自带粘性,厚度0.3~2.0mm,硬度shore 00   45~70

GD-S600A

3.5W/m*K导热凝胶

垂直不滴落,应力小,厚度0.2~0.3mm

GD-S503A



以下是导热界面材料在光模块中的应用示意图。

单面布局.png

6 导热界面材料在光模块中(单面布局)的应用

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