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5G光器件热设计的基础知识资料下载
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2021-04-05
王杰
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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
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-DD200G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。
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。
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