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目前5G已经成为全球关注的一个热题焦点,咱也蹭蹭热度,大家都知道,5G相比于4G下载速率要提升至少9~10倍,在5G网络时代,不管什么样的5G承载方案都离不开5G通信器件,而5G对于光器件的要求也越来越高,体积小,集成度高,速率高,功耗低,针对5G前传、中传和回传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光器件是应用最为广泛的5G通信器件。速率越来越高,体积越来越小,这是光器件发展的必然趋势,同时也给光器件内部热管理带来较高要求,如何快速有效的进行散热是个必须严肃对待的问题。

一、散热

什么要考虑热设计?

众所周知,我们的光电芯片在工作时,并不会将注入电流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,如果大量的热不断积累,无法及时排除,将会对元器件性能产生诸多不利影响,一般而言,温度升高电阻阻值下降,降低器件的使用寿命,性能变差,材料老化,元器件损坏;另外高温还会对材料产生应力变形,可靠性降低,器件功能失常等。

我们先普及下热量传递的三种基本方式:热传导、热对流、热辐射

热传导:物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子等微观例子的热运动而产生的热量称为导热。比如,芯片通过底下的热沉进行散热,光器件通过散热硅脂接触外壳散热等,都属于热传导。
二、热设计的基础知识

热传导过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算:Q=λA(Th-Tc)/δ 其中:A为与热量传递方向垂直的面积,单位为m2;Th与Tc分别为高温与低温面的温度;δ为两个面之间的距离,单位为m;λ为材料的导热系数,单位为W/(m*℃)

从公式可以看出,热传导过程跟散热面积、材料的厚度、导热系数,还有接触面与散热面的温度差等有关系,面积越大,材料越薄、导热系数越大,热传导传递热量越强。

一般说,固体的导热系数大于液体,液体的大于气体。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。铝的导热系数高且密度低,所以散热器基本都采用铝合金加工,但在一些大功率芯片散热中,为了提升散热性能,常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。

我们针对热沉材料的选用规则:

(1)热导率要高;

(2)与芯片的热膨胀系数相匹配;

热导率较高,热膨胀系数与芯片材质相匹配的有:钨铜合金、金刚石、氧化铍、氮化铝,经济成本考虑目前应用最为广泛的:铜、钨铜、氮化铝等。

对流换热:是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时,与固体表面之间发生的热量交换过程,这是通信设备散热中应用最广的一种换热方式。

对流换热主要分为自然对流换热和强制对流换热两类:

自然对流:主要利用高低温流体密度差异造成的浮升力做动力交换热量,是一种被动散热方式,适用于发热量较小的环境。而在手机、光模块等终端产品中主要是自然对流换热为主。

强制对流换热:通过泵、风机等外部动力源加快流体换热速度所造成的一种高效散热方式,需要额外的经济投入,适用于发热量较大、散热环境较差的情况;在机柜或交换机中工作的光模块通常采用的风扇冷却散热就是典型的强制对流换热。

热辐射:指通过电磁波来传递能量的过程,热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程,两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。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是极为复杂的,其中最简单的两个面积相同且正对着的表面间的辐射换热量计算公式为:Q=A*5.67e-8/(1/εh+1/εc-1)*(Th4-Tc4)

公式中:T指的是物体的绝对温度值=摄氏温度值+273.15;ε是表面的黑度或发射率。

发射率取决于物质种类,表面温度和表面状况,与外界条件无关,也与颜色无关。将印制电路板表面涂敷绿油,其表面黑度可以达到0.8,这有利于辐射散热。对于金属外壳,可以进行一些表面处理来提高黑度,强化散热。但是需要注意的是,将外壳涂黑并不能一定强化热辐射,因为在物体温度低于1800℃时,热辐射波长主要集中于0.76~20μm红外波段范围内,可见光波段内的热辐射能量比重并不大。所以将模块外壳或内部涂黑只能增强可见光辐射吸收,与带来热量的红外辐射无关。

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此文关键词:5G光器件之散热分析
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