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热设计基础知识:5G光器件之散热分析

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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。

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 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


  为什么要考虑热设计?

  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。

  我曾见识过某公司QSFP-DD 200G模块,对器件进行耦合封装时,模块烫得手无法触碰,温度最起码有80℃,只能一边耦合,一边使用散热风扇,才能稳住器件功率,所以在考虑器件封装结构时,热设计是其中很重要的考虑因数之一。

  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。

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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*℃)

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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。

举几个生活中的热传导例子:

①锅炒菜,铁锅导热很快将菜炒熟;

②小时候,门口卖冰棒用棉被裹住,冰棒长时间不会融化,棉被导热差;

下图汇总了一些常用材料作为热沉的性能对比:

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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;

从以上表格看出,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。

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生活中的示例:

①电茶壶烧水时,打开盖子时,可看到热水和冷水的对流;

②打开刚用热水泡的茶,可以看到空气对流。

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 。

生活中示例:

①当你在火炉边上时,会有灼热感;

②太阳的照射产生热量。


三、光器件热分析

器件整体散热路径:

光器件工作时的热环境如下图所示。可插拔光收发模块插入面板之后,内部产生的热量一小部分由周围空气的自然对流散热,大部分则是通过传导的方式散热,热量总是由温度高的一端传递到温度低的一端,模块热量向上传递至封装外壳,向下传递至主板。下图光模块的封装结构整体示意图,分析模块的主要散热路径。

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光器件内部散热路径:

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。芯片产生的热量主要通过顶部①和底部③以及侧面②散热,而经过引线框架从两侧面传导到外界的热量②,实际上由于①、②太小可忽略不计,为提高模块整体散热效率,需尽可能提高③的散热能力,减小各路径中热阻的大小和提高其导热系数。

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光器件散热的重要影响因素:

  通过对光器件的内外部分析,可知影响光器件散热重要影响因素如下:

  (1)做功器件的热量及时导出:对于热流密度较大的器件,如芯片和激光下方的PCB板进行过孔塞铜或嵌铜块处理,提高热沉的导热系数。

  (2)壳体导热系数:在相同散热条件下,提高壳体导热系数有利于降低器件壳温,同时有利于降低模块壳体和散热器之间的温差

  (3)器件布局:缩短散热片基板与发热组件之间的距离,有利于降低器件壳温及器件壳体和散热器之间温差。

  (4)接触热阻:器件壳体与散热器之间的接触热阻是器件散热的重要影响因素。降低接触热阻有利于提高器件的散热性能,进而降低器件壳温及器件壳体与散热器之间的温差。

  (5)散热器与器件壳体的接触面积:通过增加散热器接触面长度,器件壳温及器件壳体与散热器之间的温差可以降低约1-2 ℃。

四、热仿真示例


以TOSA为例,通过不同Receptacle的结构设计可以看出温度随时间变化曲线,如下图所示,通过热仿真得知两种结构温度差异达到5℃左右。

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5G光器件之

散热分析(下)



最后我们针对目前光通信散热基材应用最为广泛的莫属氮化铝陶瓷基板,讲解氮化


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接下来我们将讲述器件封装之氮化铝陶瓷,重点介绍在光通信行业被广泛应用的ALN陶瓷,从器件基板、薄膜电路、散热基板到陶瓷封装等等,我们都能随处可见。

我们将通过以下几方面全面了解ALN 的特点及制作工艺:

①ALN 的性能特点

②ALN的材料制备

③ALN的金属化工艺

④ALN 的应用

⑤ALN 的性能特点

氮化铝陶瓷有很高的热导率, 在陶瓷材料中仅次于SiC和BeO,目前国内平均水平为150W/m·K,国外为180~250/m·K,是氧化铝陶瓷热导率的7~8倍;其机械强度和介电强度都优于氧化铝陶瓷, 膨胀系数、介电性能分别与Si 和氧化铝陶瓷相近。

因而人们希望用高热导率的氮化铝陶瓷替代氧化铍或氧化铝陶瓷用于高密度、高性能电子封装的陶瓷基板材料。

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ALN陶瓷基板材料制备

陶瓷基板的成型主要有压模、干压和流延成型3种方法。

流延成型类似于摊鸡蛋饼,控制刮刀与基带的间隙就能控制厚度,可以薄至10um以下,厚至1mm以上我们的陶瓷电路基板都是采用的这种方法;

干压法类似于金属粉末冶金放入模具中压铸成型,适合大块件;

压模法就是注塑,可以做成形状稍复杂的一些结构,如陶瓷插芯采用注塑成型。

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下面介绍一些氮化铝粉末常用的提取方法

现在使用较多的制备氮化铝粉末的方法有铝粉直接氮化法、氧化铝碳热还原法、溶胶法、自蔓燃法、等离子合成法、化学气相沉积法、等等。

 1

铝粉直接氮化法

ALN+N2→2ALN 将铝粉放入通有氮气与氨气的反应的反应炉中加热到600℃开始反应。我们就能合成大量纯度较高的ALN粉,目前有这种方式的大规模生产。但是这种方法一般难以得到颗粒微细、粒度均匀的氮化铝粉末,通常需要后处理。还有AL颗粒表面氮化后形成ALN层会阻碍氮气向颗粒的中心的扩散,因此采用这种方法转化率是一个重要的问题。

 2

氧化铝的碳热还原法

Al203+3C+N2→2AlN+3CO 这种方法目前运用在工业生产中运用最为广泛,对其研究进行的比较深入。

在该法中制备氮化铝粉体中常加入氧化钙、氟化钙、氧化钇等作为催化剂,其中加氟化钙更有效的降低活化能,提高反应速率。这种制备的氮化铝粉末纯度高,成形和烧结性能好,但合成温度高反应时间长,粉末粒度较大。

这边需要说明下,如果有懂得金丝键合工艺的小伙伴就比较清楚,表面较为粗糙的有颗粒状明显的氮化铝,如果使用这类的氮化铝溅射薄膜金属,打线时是不太容易键合上的,特别是球焊工艺,很容易出现脱焊状况。

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ALN的金属化工艺


为了器件封装结构,元器件搭载及输入、输出端的连接等目的,氮化铝陶瓷基板表面常常作金属化处理。ALN 的陶瓷基片金属化方法很多,分为以下几种厚膜金属化、薄膜金属化、直接键合铜金属化、化学镀金属化等。

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在半导体器件行业,最常见应用陶瓷电路基板电极采用是薄膜工艺和厚膜工艺。这两种工艺方式是完全不一样的,薄膜工艺指真空蒸镀、和离子溅射这类能够精确控制膜的形状和厚度的成膜工艺,如我们光通信器件贴片载体Ti/Pt/Au 或者Ti/Ni/Au 电极和 AuSn焊料都是采用薄膜工艺制备;

而厚膜工艺指丝网印刷,这类比较粗略简便的成膜工艺,如泵浦源大功率激光器需要快速散热都是使用的厚膜渡铜工艺氮化铝。

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大家知道我们光通信器件贴片载体常常采用AuSn共晶焊料,但焊料可不是直接蒸镀在氮化铝上的,而是底下有一层电极,采用Ti/Pt/Au 或者Ti/Ni/Au 这几种金属组合而成的薄膜电极,而且这几种金属都是有蒸镀先后顺序的,这是为什么呢? Ti/Pt/Au跟Ti/Ni/Au的差异性在哪里?

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氮化铝是六方晶纤锌矿结构,密堆间隙中的Al离子半径小,价态高, 具有较强的极化作用,使氮化铝清洁表面的不饱和氮具有较高的化学活性。

通常氮因电负性大,电离势高而有很强的共价倾向, 即使与低电负性金属反应,也会因负离子负电荷高, 离子半径较大而水解。故一般状况下, 氮不易与金属反应。Ti,Ta,W 等金属因能与氮形成高晶格能化合物, 使其在氮化铝表面附着性能很好。

钛具有良好的耐蚀性, 较高的比强度和较小的质量密度,然而钛表面的耐磨性差,易氧化,接触电阻高,钎焊性差,在某些介质或高温下钛的耐蚀性也变差,使其应用受到一定的限制,在钛上镀铂或镀镍可以克服以上缺点,铂镍镀层硬度高,电阻小,可钎焊。

最后一层就是我们所熟悉的镀金层,金子可是个好东西,在空气中不易氧化,耐腐蚀,导电性能极佳,散热性能好,还能与其他金属如锡、铜做成焊料等等。

另外激光器的P面或N面常常都有镀金处理,与我们的半导体芯片为了形成较好的附着力,跟我们的金丝键合能够有效融合,所以氮化铝的电极最后一层都需要用镀金处理,镀金厚度一般控制在0.5~1um左右,太薄了不行,金丝键合的强度难以保证,厚了当然是好事,那成本当然也上去啦。

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一般厂家做电极镀层时都会建议金属化不能完全到边,会预留0.05mm的白边,因为一整片氮化铝切割小片的时候会导致卷金问题;

Ti的厚度完全取决于氮化铝抛光的表面粗糙度,目前我们国内也能做成镜面氮化铝,粗糙度能够达到<0.05um,所以Ti厚度一般控制在0.1~0.2um;

金锡焊料的厚度最小5um以上,我曾做过相应的贴片压入厚度试验,一般我们的贴片设备吸嘴压力参数范围3~500g左右,共晶焊15g的力道已经很大了,贴完片后将芯片推掉在电镜扫描下测得芯片陷入厚度为2~3um;

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下面我们再来解释下,电极镀层Ti/Pt /Au跟Ti/Ni /Au的性能差异

铂金属的抗腐蚀性极强,在高温下非常稳定,电性能亦很稳定,它在任何温度下都不会氧化。

镍金属亦有较好的抗腐蚀性,综合性能比铂金属略逊色,导热系数比铂金属稍高,镍导热系数90W, 铂金属70W,但是镍的成本要比铂低个几百倍,所以有很多厂家镀层工艺都是选用的钛镍金;如果要使用钛镍金镀层氮化铝的小伙伴们需要注意了,我曾经在这个工艺上栽过很大的跟头。

我曾经负责过一大功率半导体封装工艺,在做样品时没太过多关注氮化铝的镀层工艺参数,只是注意点都集中在选用高导热系数的ALN选用的200W,实验结果散热性能也是通过要求。

但是这个时候出现了一些问题,有个别样品半导体芯片出现了“漏电”现象,这里所谓的“漏电”并不是真的漏电,而是芯片N级与P级之间的阻值发生了变化,原本是有一定几十到一百Ω阻值的,可是“漏电”的芯片阻值只有几个Ω或是0,也就是芯片的有源层直接导通了。

当时对这个问题没有太过细想,以为是芯片切割解理时导致芯片有源层损伤导致。

后来在小批量生产时,大规模的爆发了这种“漏电”不良品,不良率有40%~50%,这下问题就严重了,矛头仍然指向芯片端工艺,丝毫没有注意到氮化铝。

大伙都知道,我们在做芯片失效分析时,如果找不到直接原因,那只有人机料法环一一排除了,最后排查到氮化铝这块,以为是镀层参数有问题,又更改了相应的钛镍金参数,还是不行,领导这时也发话三天内给出解决方案,大伙有体验过这种手足无措,毫无头绪的失效分析解决么,多少伟大的攻城师死在城墙门口,一旦城墙被攻破,那种成就感真是比娶了媳妇还美。

没辙儿,只能不停的各种实验,最后选用金属钛铂金作为蒸镀镀层,实验结果忽然让人柳暗花明,拨云见日,“漏电”现象消失得无影无踪;最后对比两种热沉发现,竟然是镍层捣的鬼;

分析得知,镍镀层有很多直径约1um圆锥状山峰,类似于金属的批锋毛刺,虽然被外面的金层有所覆盖,但是一但经过高温回流或者高温共晶焊时,这些晶须很容易攀附到半导体的有源层,再加上大功率半导体的有源层离氮化铝镀金面只有十几个um的高度,很容易形成短路;

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针对热沉COC类、BOX类器件封装工艺,目前天孚通信可做专业代工生产,推出高速率BOX有源器件封装等系列解决方案。TFC拥有高精度贴合,金丝键合技术能力,自动化贴片设备精度可达±0.5um,亦可提供稳定AWG/TFF 光学器件方案;

同时拥有高精度精密加工和Recptacle设计装配能力,TFC还拥有各种类型自由空间隔离器设计和隔离器芯片与插芯贴合以及拥有光学模拟分析能力,可以根据客户要求定制设计和加工各类型的组件带透镜产品。

本文来源:天孚通信

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