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高导热压铸铝合金在光模块中的应用

一. 光模块是光电转换的核心器件


1.光模块与光通信


光模块是光收发一体模块的简称,是光通信的核心器件。光通信系统以光纤作为传输介质,传输的信号是光信号,但在信息分析处理时必须转换成电信号。光模块是光通信系统中的核心器件,起着光电转化的作用,主要由接收和发射两部分组成,接收部分实现光电转换,发射部分实现电光转换。在信息流中对应着光信号的产生、调制与探测。


光模块是光通信设备中的核心器件


2. 光模块简介


光模块通常由光发射组件(含激光器)、光接收组件(含光探测器)、驱动电路和光、电接口等组成。在发送端,电信号经驱动芯片处理后驱动激光器(LD)发射出相应速率的调制光信号,通过光功率自动控制电路,输出功率稳定的光信号。在接收端,光信号输入模块后由光探测器(PD)转换为电信号,经前置放大器后输出相应速率的电信号。


光模块产品示意图



光模块结构示意图


为适应不同接入、转换和传输要求,光模块种类繁杂。按照封装方式、传输速率、传输波长、传输距离、调制格式、是否支持波分复用(WDM)应用、光接口工作模式、激光器类型、光探测器类型、使用性、工作温度范围等不同维度,光模块可分为多种类型。


根部不同维度,光模块可分为多种类型


分类方式

类别

封装形式

1×9、GBIC、SFF、SFP、X2、XFP、SFP+、CSFP、CFP、QSFP

传输速率

10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s、800Gb/s

传输波长

850nm、1310nm、1490nm、1550nm,还有  CWDM、DWDM 等

工作温度

商业级(0-70℃)、延展温度(-20-85℃)、工业级(-40-85℃)


二. 光模块的发展进入了新时代


光模块 1.0 时代,电信领域的应用驱动行业成长。1998-2015 年,是光模块行业的 1.0 时代,在该阶段,电信市场的需求是行业的主要驱动力。


1988-2006年,长途通信的需求驱动行业增长;
2007-2015年,光纤到户的需求驱动行业增长;
流量爆发驱动光模块行业进入“数通+电信”2.0 时代。

在该阶段,数通市场和电信市场需求共同驱动光模块行业成长。该阶段的逻辑为:数据流量的爆发式增长带来互联网业务的蓬勃发展,同时催生出更多的计算及传输要求。在该两项因素作用下,云厂商扩大资本开支进行数据中心建设,运营商扩大资本开支进行 5G 建设。由此驱动光模块行业进入 2.0 时代,并进一步推动流量的爆发式增长。



流量爆发驱动光模块行业进入 2.0 时代


三.  新时代下的光模块散热挑战


随着云计算、5G、大数据、AR/VR 超清视频等新业务的不断涌现,全球数据流量不断攀升,促使数据中心从100G向更高速率、更大带宽、更低延时发展,400G,800G以太网成为数据中心的必然趋势。其数据中心的建设离不开400G,800G光模块,为了满足数据中心对大带宽、低延时的需求,光模块将会朝着更高速率的方向发展。


光模块热源主要在PCB芯片和光器件(TOSA和ROSA)附近,下图中两个由导热垫片覆盖的部位分别为PCB芯片和光器件。


光模块的两个主要热源


目前光通信行业进入飞速发展阶段,光模块在光通信行业中起到中枢的作用,其不断发展也是必然。当前光模块的发展主要表现在速率上,从昔日的1.25G到后来的10G、25G、100G,再到现在的400G、800G,光模块从低端到高端,发展不可谓不迅速。


由于光模块速率越来越高,所需的光芯片不仅需要本身速率的提高,其数量也需要提高,当前比较高端的800G光模块就需要8通道的激光器来保证传输速率。而8通道的激光器,除了要保证其高速传输可靠性,更要保证良好的散热性能,其散热技术一直是行业中的难题。


四.  高导热压铸铝合金帮助光模块快速散热


目前高速率光模块主要存在两个散热问题。


第一,内部导热做得很好,而外部壳体散热差,存在热量因为无法及时被带走,导致内部热量快速积聚的问题;


第二,外部壳体散热良好,但热源与壳体间的热阻因内部结构布局等原因而变大,造成关键器件结温不在工作温度区间内。


对于第一个问题,提高外部壳体散热器的散热性能是最佳解决方案。采用高导热系数的材料和增加外部壳体的散热面积是提高散热性能的可靠途径。采用HC-1A07压铸铝合金材料,导热系数高达205W/m∙K,是常规压铸铝合金的2倍以上,同时也远高于锌合金的导热系数,可帮助降低壳体表面温度,快速将热量从内部转移到环境中。同时,利用压铸工艺的相对优势,将散热翅片集成在壳体上,显著增加散热面积,增大与空气的换热量。


对于第二个问题,光模块内部布局紧凑,热源分布位置会随着工程师的需要而变换位置,而采用非压铸工艺生产的壳体对内部结构布局的适应能力偏弱,会造成热源与外部壳体的距离较远,由此而增加导热界面材料的厚度,显而易见,导热界面材料越厚,热阻越大,这会严重影响整个光模块的散热效果。采用高导热压铸铝合金材料,可实现壳体与热源零距离,利用压铸工艺本身优势提高外部壳体的设计自由度,由此而解决散热难题。

       

下图即为采用高导热压铸铝合金材料制造而成的某品牌800G光模块,从外部结构可看出,该光模块表面分布大量散热翅片,散热面积较普通光模块显著增加。



某品牌800G光模块



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