随著(zhe)電子器件性能的(de)迅速攀升，其能效比雖然也(yě)在優化(huà)，但是器件的(de)發熱(rè)功率也(yě)随之提高(gāo)。熱(rè)量如果不能及時(shí)轉移，發熱(rè)量的(de)增加将使得(de)器件溫度極速惡化(huà)，造成産品失效。
電子設備市場(chǎng)上有55%的(de)電子設備失效是由于溫度引起，并且溫度每上升10℃, 失效率将增加一倍。
熱(rè)設計在産品設計環節意義重大(dà)，其主要目的(de)是用(yòng)來(lái)保證産品在制定的(de)環境規格條件下(xià)正常工作并達到産品可(kě)靠性目标，從而滿足對(duì)産品各部分(fēn)溫升的(de)限制性要求。
光(guāng)模塊熱(rè)設計基本原則
在光(guāng)模塊的(de)設計中，由于加工精度的(de)影(yǐng)響，元器件接觸面并不是完全平整，實際上往往如下(xià)圖所示。
?接觸面的(de)幾種狀況
接觸面不平整就意味著(zhe)中間是空氣，而空氣導熱(rè)系數0.026, 比導熱(rè)墊片差了(le)十倍以上。表1用(yòng)數據說明(míng)了(le)導熱(rè)墊片沒有貼合好對(duì)芯片的(de)影(yǐng)響。
這(zhè)種情況下(xià)模塊外殼溫度差别并不大(dà)，芯片溫度大(dà)多(duō)數時(shí)候沒辦法實測，這(zhè)就導緻了(le)原本能夠滿足散熱(rè)要求的(de)模塊最終因爲導熱(rè)墊片沒有貼合好還(hái)要進行進一步優化(huà)。
而這(zhè)往往意味著(zhe)要延長(cháng)産品開發周期，甚至重新布局，從而增加成本。
?表1
如何才能進行有效的(de)散熱(rè)呢(ne)？
熱(rè)量傳遞主要有三種方式：
? 傳導
? 對(duì)流
? 輻射
熱(rè)傳導
熱(rè)傳導指物(wù)體本身或當物(wù)體與物(wù)體接觸時(shí)，分(fēn)子間進行能量傳遞的(de)現象
熱(rè)對(duì)流
熱(rè)對(duì)流指的(de)是流動的(de)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）将熱(rè)量帶走的(de)熱(rè)傳遞方式。比如我們常說的(de)風冷(lěng)、冷(lěng)水(shuǐ)降溫。
熱(rè)輻射
熱(rè)輻射是一種可(kě)以在沒有任何介質的(de)情況下(xià)，不需要接觸就能夠發生熱(rè)交換的(de)熱(rè)量傳遞方式。這(zhè)主要是以電磁波的(de)形式達到熱(rè)交換的(de)目的(de)。
了(le)解了(le)這(zhè)三種相對(duì)教科書(shū)式的(de)介紹之後，我們可(kě)以發現，所謂散熱(rè)就是一個(gè)減小熱(rè)阻的(de)過程。熱(rè)阻就是阻礙熱(rè)量傳遞的(de)因素。
表二列舉了(le)實際情況下(xià)電子産品常用(yòng)降低熱(rè)阻的(de)方法：
?表2
需要注意的(de)是，對(duì)于安裝密度高(gāo)的(de)光(guāng)模塊内部而言，對(duì)流和(hé)輻射換熱(rè)都比較困難，且當元件間隔小于3mm時(shí)，自然對(duì)流幾乎停止，隻能依靠傳導散熱(rè)。
熱(rè)設計的(de)幾種常規思路
一般的(de)熱(rè)設計思路有三個(gè)措施：
? 降耗
? 導熱(rè)
? 布局
降耗是不讓熱(rè)量産生；導熱(rè)是把熱(rè)量導走不産生影(yǐng)響；布局是熱(rè)也(yě)沒散掉但通(tōng)過一些措施隔離熱(rè)敏感器件。
如果導熱(rè)方案行不通(tōng)，那就隻有通(tōng)過降耗（選擇發熱(rè)低的(de)芯片）或者重新布局。表三列舉幾種不同散熱(rè)方法對(duì)比：
?表3 PCB散熱(rè)優化(huà)對(duì)比
模塊外部主要優化(huà)方向是減小接觸熱(rè)阻，如提高(gāo)導熱(rè)系數、增加散熱(rè)面積等。提高(gāo)導熱(rè)系數主要是通(tōng)過選擇導熱(rè)系數高(gāo)的(de)材料進行替換。
減小熱(rè)阻可(kě)以通(tōng)過降低接觸面粗糙度、提高(gāo)平整度、減小傳熱(rè)路徑的(de)厚度等、增加導熱(rè)墊片的(de)壓力、選擇熱(rè)阻小的(de)導熱(rè)材料等。
在不考慮加工成本的(de)情況下(xià)，簡單看下(xià)模塊外殼材料對(duì)芯片溫度的(de)影(yǐng)響：
光(guāng)模塊熱(rè)源主要在PCB芯片和(hé)TOSA和(hé)ROSA。下(xià)面介紹從内部優化(huà)這(zhè)兩處散熱(rè)的(de)方法：
TOSA(ROSA)
通(tōng)常TOSA有以下(xià)兩種封裝方式：
? 同軸封裝
? Box封裝
以同軸封裝爲例，表四說明(míng)了(le)同軸封裝有散熱(rè)措施和(hé)無散熱(rè)措施的(de)溫度分(fēn)布情況：
?表4 同軸封裝TOSA/ROSA常用(yòng)優化(huà)方式
PCB芯片
主闆上芯片散熱(rè)主要難點在于子母闆或單闆時(shí)，發熱(rè)量大(dà)的(de)元件在Bottom面，芯片熱(rè)量無法及時(shí)傳到主散熱(rè)面；想要解決光(guāng)模塊散熱(rè)問題，導熱(rè)和(hé)散熱(rè)都必須要滿足條件。
目前比較難以解決的(de)情況就是子母闆時(shí)，發熱(rè)量大(dà)的(de)芯片熱(rè)量不能直接導到主散熱(rè)面，這(zhè)種情況下(xià)即使模塊外部散熱(rè)做(zuò)得(de)再好也(yě)很難解決問題。
還(hái)有一種就是内部導熱(rè)做(zuò)得(de)很好，發熱(rè)量很大(dà)，而外部散熱(rè)差，對(duì)于發熱(rè)量大(dà)的(de)模塊，也(yě)會存在熱(rè)量因爲無法及時(shí)被帶走導緻熱(rè)量積聚的(de)問題。
目前用(yòng)到的(de)銅箔納米碳，跟石墨片類似，作爲均熱(rè)材料是不錯的(de)選擇，但是其厚度方向導熱(rè)系數很低，導緻效率大(dà)打折扣。因此遇到類似的(de)PCB布局時(shí)，優先考慮對(duì)應芯片主闆開窗(chuāng)，采用(yòng)嵌銅設計。其次是采用(yòng)過孔提高(gāo)主闆厚度方向的(de)導熱(rè)性能。
光(guāng)模塊熱(rè)設計實例演示
下(xià)面主要結合易飛(fēi)揚(Gigalight)的(de)兩款特色産品——100G QSFP28 PSM4和(hé)200G QSFP DD PSM8光(guāng)模塊做(zuò)一個(gè)實例說明(míng)。
? 100G QSFP28 PSM4（矽光(guāng)）
100G QSFP28 PSM4是當前應用(yòng)于數據中心的(de)熱(rè)門産品，主要應用(yòng)于500m到2km距離範圍的(de)Spine交換機和(hé)Leaf交換機之間的(de)互連，與CWDM4産品不同, PSM4采用(yòng)四路單模光(guāng)纖并行的(de)方式傳輸。尤其是在引入矽光(guāng)芯片之後，高(gāo)度集成了(le)内部的(de)無源器件，降低了(le)成本和(hé)功耗。
其内部結構和(hé)外觀如下(xià)圖所示。
100G PSM4在樣品測試時(shí)出現了(le)激光(guāng)器芯片溫度偏高(gāo)，光(guāng)功率偏低現象，經分(fēn)析原因就是導熱(rè)墊片未貼好，爲進一步降低散熱(rè)風險，我們通(tōng)過改變内部相關器件的(de)材料、增加導熱(rè)面積等方式使芯片溫度大(dà)幅下(xià)降。
? 200G QSFP-DD PSM8
200G QSFP-DD PSM8是易飛(fēi)揚(Gigalight)面向200G數據中心解決方案推出的(de)新産品。
該産品外觀和(hé)内部結構如下(xià)圖所示。
該産品的(de)芯片散熱(rè)主要是兩個(gè)思路：
? 将其面向底殼
? 引入銅箔納米碳的(de)材料将溫度傳導至主散熱(rè)面進行散熱(rè)。
銅箔納米碳的(de)散熱(rè)效果相比其他(tā)材料不是特别理(lǐ)想，但是在未來(lái)随著(zhe)散熱(rè)材料的(de)優化(huà)可(kě)以進一步改進。
正是得(de)益于優秀的(de)散熱(rè)設計，該産品功耗低于6W。充分(fēn)代表了(le)未來(lái)數據中心高(gāo)速率、低功耗的(de)發展趨勢。
?易飛(fēi)揚(Gigalight)200G數據中心并行解決方案
光(guāng)模塊熱(rè)設計未來(lái)的(de)幾點看法
要想更好地理(lǐ)解光(guāng)模塊的(de)熱(rè)設計，手機、電腦(nǎo)行業是比較好的(de)參照(zhào)。手機的(de)散熱(rè)極限由外殼的(de)自然對(duì)流和(hé)輻射能力決定，内部采用(yòng)熱(rè)管、石墨片等均熱(rè)；而内部散熱(rè)采用(yòng)了(le)均溫闆、相變金屬材料和(hé)熱(rè)管等。
舉個(gè)比較現實的(de)例子：華爲Mate 20X首次運用(yòng)了(le)真空腔均熱(rè)闆（即均溫闆），可(kě)快(kuài)速将SOC(CPU)芯片溫度快(kuài)速傳導至冷(lěng)端，再搭載石墨烯。
據悉, Mate 20X中的(de)石墨烯膜由99%以上單層率的(de)氧化(huà)石墨烯懸浮液做(zuò)原材料加工而成，基本結構單元就是石墨烯。這(zhè)種新材料新工藝，不用(yòng)膠粘直接燒結出高(gāo)導熱(rè)石墨烯片，具有高(gāo)熱(rè)通(tōng)量，完全突破了(le)傳統高(gāo)導熱(rè)石墨片的(de)厚度限制。
另一個(gè)現實例子就是華碩電競遊戲手機ROG, 它也(yě)采用(yòng)了(le)均溫闆和(hé)石墨片，但是其功耗最高(gāo)可(kě)達8W，一般手機最多(duō)承受4W左右的(de)發熱(rè)量。爲了(le)解決這(zhè)個(gè)高(gāo)功耗問題，華碩增加了(le)外置風扇作爲附件，目的(de)就是增加對(duì)流換熱(rè)量，降低溫度。
光(guāng)模塊受限于狹小的(de)内部空間，隻能靠自然對(duì)流和(hé)熱(rè)傳導來(lái)降溫，相對(duì)于手機、電腦(nǎo)行業來(lái)說，光(guāng)模塊熱(rè)流密度更大(dà)，散熱(rè)面積更小。但大(dà)部分(fēn)高(gāo)功耗模塊工作環境都有強制對(duì)流存在，相對(duì)手機、電腦(nǎo)來(lái)說也(yě)算(suàn)是一個(gè)優勢。
未來(lái)我們可(kě)以考慮引入相變熱(rè)技術如均溫闆、熱(rè)管技術等。均溫闆可(kě)以用(yòng)于模塊内部，其主要作用(yòng)是将局部發熱(rè)量高(gāo)的(de)芯片溫度均勻散開，而熱(rè)管可(kě)将發熱(rè)量大(dà)的(de)芯片從熱(rè)端傳導到冷(lěng)端，再借由模塊外部強制對(duì)流措施将冷(lěng)端熱(rè)量迅速散掉。如下(xià)圖所示：
?光(guāng)模塊均溫闆或熱(rè)管散熱(rè)技術
甚至我們還(hái)可(kě)以腦(nǎo)洞大(dà)開地配合廠商在散熱(rè)鳍片上做(zuò)文章(zhāng)，比如散熱(rè)鳍片底部用(yòng)嵌銅設計、用(yòng)均溫闆、熱(rè)管甚至于壓電風扇等。受安裝條件、尺寸等限制，光(guāng)模塊熱(rè)設計相對(duì)其他(tā)行業的(de)熱(rè)設計存在很多(duō)挑戰，需要更先進的(de)散熱(rè)材料以及散熱(rè)技術支持。此處略而不表。了(le)解更多(duō)，請訪問https://www.gigalight.com/cn/bbs/technical/100g-200g-thermal-design.html
