目前5G已經(jīng)成為全球關(guān)注的一個(gè)熱題焦點(diǎn)，咱也蹭蹭熱度，大家都知道，5G 相比于4G 下載速率要提升至少9~10倍，在5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，不管什么樣的5G承載方案都離不開5G通信器件，而5G 對(duì)于光器件的要求也越來(lái)越高 ，體積小，集成度高，速率高，功耗低，針對(duì)5G前傳、中傳和回傳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光器件是應(yīng)用最為廣泛的5G通信器件。
?速率越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，這是光器件發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)也給光器件內(nèi)部熱管理帶來(lái)較高要求，如何快速有效的進(jìn)行散熱是個(gè)必須嚴(yán)肅對(duì)待的問題
??為什么要考慮熱設(shè)計(jì)？
??眾所周知，我們的光電芯片在工作時(shí)，并不會(huì)將注入電流100%轉(zhuǎn)換成輸出光電子，一部分將會(huì)以熱量的方式作為能量損耗，如果大量的熱不斷積累，無(wú)法及時(shí)排除，將會(huì)對(duì)元器件性能產(chǎn)生諸多不利影響，一般而言，溫度升高電阻阻值下降，降低器件的使用壽命，性能變差，材料老化，元器件損壞;另外高溫還會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生應(yīng)力變形，可靠性降低，器件功能失常等。
??我曾見識(shí)過某公司QSFP-DD 200G模塊，對(duì)器件進(jìn)行耦合封裝時(shí)，模塊燙得手無(wú)法觸碰，溫度最起碼有80℃，只能一邊耦合，一邊使用散熱風(fēng)扇，才能穩(wěn)住器件功率，所以在考慮器件封裝結(jié)構(gòu)時(shí)，熱設(shè)計(jì)是其中很重要的考慮因數(shù)之一。
??我們先普及下熱量傳遞的三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射
??熱傳導(dǎo):物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子 等微觀例子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量稱為導(dǎo)熱。比如，芯片通過底下的熱沉進(jìn)行散熱，光器件通過散熱硅脂接觸外殼散熱等，都屬于熱傳導(dǎo)。
熱傳導(dǎo)過程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計(jì)算：Q=λA(Th-Tc)/δ
其中：
A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2；
Th 與Tc 分別為高溫與低溫面的溫度；
δ為兩個(gè)面之間的距離，單位為m；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*℃)
從公式可以看出，熱傳導(dǎo)過程跟散熱面積、材料的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)，還有接觸面與散熱面的溫度差等有關(guān)系，面積越大，材料越薄、導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱傳導(dǎo)傳遞熱量越強(qiáng)。
一般說(shuō)，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的大于氣體。例如常溫下純銅的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400 W/(m*℃)，純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為210W/(m*℃)，水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 W/(m*℃)，而空氣僅0.025W/(m*℃)左右。
鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高且密度低，所以散熱器基本都采用鋁合金加工，但在一些大功率芯片散熱中，為了提升散熱性能，常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。
舉幾個(gè)生活中的熱傳導(dǎo)例子：
①鍋炒菜，鐵鍋導(dǎo)熱很快將菜炒熟；
②小時(shí)候，門口賣冰棒用棉被裹住，冰棒長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)融化，棉被導(dǎo)熱差；
下圖匯總了一些常用材料作為熱沉的性能對(duì)比：
我們針對(duì)熱沉材料的選用規(guī)則：
①熱導(dǎo)率要高；
②與芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配；
從以上表格看出，熱導(dǎo)率較高，熱膨脹系數(shù)與芯片材質(zhì)相匹配的有：鎢銅合金、金剛石、氧化鈹、氮化鋁，經(jīng)濟(jì)成本考慮目前應(yīng)用最為廣泛的：銅、鎢銅、氮化鋁等。
對(duì)流換熱：是指運(yùn)動(dòng)著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時(shí)，與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過程，這是通信設(shè)備散熱中應(yīng)用最廣的一種換熱方式。
對(duì)流換熱主要分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱兩類：
自然對(duì)流：主要利用高低溫流體密度差異造成的浮升力做動(dòng)力交換熱量，是一種被動(dòng)散熱方式，適用于發(fā)熱量較小的環(huán)境。而在手機(jī)、光模塊等終端產(chǎn)品中主要是自然對(duì)流換熱為主。
強(qiáng)制對(duì)流換熱：通過泵、風(fēng)機(jī)等外部動(dòng)力源加快流體換熱速度所造成的一種高效散熱方式，需要額外的經(jīng)濟(jì)投入，適用于發(fā)熱量較大、散熱環(huán)境較差的情況;在機(jī)柜或交換機(jī)中工作的光模塊通常采用的風(fēng)扇冷卻散熱就是典型的強(qiáng)制對(duì)流換熱。
生活中的示例：
①電茶壺?zé)畷r(shí)，打開蓋子時(shí)，可看到熱水和冷水的對(duì)流；
②打開剛用熱水泡的茶，可以看到空氣對(duì)流。
熱輻射：指通過電磁波來(lái)傳遞能量的過程，熱輻射是由于物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)發(fā)出電磁波的過程，兩個(gè)物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。物體的輻射力計(jì)算公式為：
E=5.67e-8εT4
物體表面之間的熱輻射計(jì)算是極為復(fù)雜的，其中最簡(jiǎn)單的兩個(gè)面積相同，且正對(duì)著的表面間的輻射換熱量計(jì)算公式為：
Q=A*5.67e-8/(1/εh +1/εc -1)*(Th4-Tc4)
公式中：T指的是物體的絕對(duì)溫度值=攝氏溫度值+273.15；
ε是表面的黑度或發(fā)射率。
發(fā)射率取決于物質(zhì)種類，表面溫度和表面狀況，與外界條件無(wú)關(guān)，也與顏色無(wú)關(guān)。將印制電路板表面涂敷綠油，其表面黑度可以達(dá)到 0.8，這有利于輻射散熱.對(duì)于金屬外殼，可以進(jìn)行一些表面處理來(lái)提高黑度，強(qiáng)化散熱。
但是需要注意的是，將外殼涂黑并不能一定強(qiáng)化熱輻射，因?yàn)樵谖矬w溫度低于 1800℃時(shí)，熱輻射波長(zhǎng)主要集中于 0.76~20μm 紅外波段范圍內(nèi)，可見光波段內(nèi)的熱輻射能量比重并不大。所以將模塊外殼或內(nèi)部涂黑只能增強(qiáng)可見光輻射吸收，與帶來(lái)熱量的紅外輻射無(wú)關(guān) 。
生活中示例：
①當(dāng)你在火爐邊上時(shí)，會(huì)有灼熱感;
②太陽(yáng)的照射產(chǎn)生熱量。
器件整體散熱路徑：
光器件工作時(shí)的熱環(huán)境如下圖所示。可插拔光收發(fā)模塊插入面板之后，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量一小部分由周圍空氣的自然對(duì)流散熱，大部分則是通過傳導(dǎo)的方式散熱，熱量總是由溫度高的一端傳遞到溫度低的一端，模塊熱量向上傳遞至封裝外殼，向下傳遞至主板。下圖光模塊的封裝結(jié)構(gòu)整體示意圖，分析模塊的主要散熱路徑。
光器件內(nèi)部散熱路徑：
內(nèi)部主要發(fā)熱組件包括TOSA發(fā)射組件、ROSA接收組件、PCB板上器件及IC控制芯片。芯片產(chǎn)生的熱量主要通過頂部①和底部③以及側(cè)面②散熱，而經(jīng)過引線框架從兩側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)到外界的熱量②，實(shí)際上由于①、②太小可忽略不計(jì)，為提高模塊整體散熱效率，需盡可能提高③的散熱能力，減小各路徑中熱阻的大小和提高其導(dǎo)熱系數(shù)。
光器件散熱的重要影響因素：
??通過對(duì)光器件的內(nèi)外部分析，可知影響光器件散熱重要影響因素如下：
??(1)做功器件的熱量及時(shí)導(dǎo)出：對(duì)于熱流密度較大的器件，如芯片和激光下方的PCB板進(jìn)行過孔塞銅或嵌銅塊處理，提高熱沉的導(dǎo)熱系數(shù)。
??(2)殼體導(dǎo)熱系數(shù)：在相同散熱條件下，提高殼體導(dǎo)熱系數(shù)有利于降低器件殼溫，同時(shí)有利于降低模塊殼體和散熱器之間的溫差
??(3)器件布局：縮短散熱片基板與發(fā)熱組件之間的距離，有利于降低器件殼溫及器件殼體和散熱器之間溫差。
??(4)接觸熱阻：器件殼體與散熱器之間的接觸熱阻是器件散熱的重要影響因素。降低接觸熱阻有利于提高器件的散熱性能，進(jìn)而降低器件殼溫及器件殼體與散熱器之間的溫差。
??(5)散熱器與器件殼體的接觸面積：通過增加散熱器接觸面長(zhǎng)度，器件殼溫及器件殼體與散熱器之間的溫差可以降低約1-2 ℃。
以TOSA為例，通過不同Receptacle的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看出溫度隨時(shí)間變化曲線，如下圖所示，通過熱仿真得知兩種結(jié)構(gòu)溫度差異達(dá)到5℃左右。
5G光器件之
散熱分析(下)
最后我們針對(duì)目前光通信散熱基材應(yīng)用最為廣泛的莫屬氮化鋁陶瓷基板，講解氮化
接下來(lái)我們將講述器件封裝之氮化鋁陶瓷，重點(diǎn)介紹在光通信行業(yè)被廣泛應(yīng)用的ALN陶瓷，從器件基板、薄膜電路、散熱基板到陶瓷封裝等等，我們都能隨處可見。
我們將通過以下幾方面全面了解ALN 的特點(diǎn)及制作工藝：
①ALN 的性能特點(diǎn)
②ALN的材料制備
③ALN的金屬化工藝
④ALN 的應(yīng)用
⑤ALN 的性能特點(diǎn)
氮化鋁陶瓷有很高的熱導(dǎo)率, 在陶瓷材料中僅次于SiC和BeO,目前國(guó)內(nèi)平均水平為150W/m·K,國(guó)外為180～250/m·K,是氧化鋁陶瓷熱導(dǎo)率的7～8倍;其機(jī)械強(qiáng)度和介電強(qiáng)度都優(yōu)于氧化鋁陶瓷, 膨脹系數(shù)、介電性能分別與Si 和氧化鋁陶瓷相近。
因而人們希望用高熱導(dǎo)率的氮化鋁陶瓷替代氧化鈹或氧化鋁陶瓷用于高密度、高性能電子封裝的陶瓷基板材料。
陶瓷基板的成型主要有壓模、干壓和流延成型3種方法。
流延成型類似于攤雞蛋餅，控制刮刀與基帶的間隙就能控制厚度，可以薄至10um以下，厚至1mm以上我們的陶瓷電路基板都是采用的這種方法;
干壓法類似于金屬粉末冶金放入模具中壓鑄成型，適合大塊件;
壓模法就是注塑，可以做成形狀稍復(fù)雜的一些結(jié)構(gòu)，如陶瓷插芯采用注塑成型。
下面介紹一些氮化鋁粉末常用的提取方法
現(xiàn)在使用較多的制備氮化鋁粉末的方法有鋁粉直接氮化法、氧化鋁碳熱還原法、溶膠法、自蔓燃法、等離子合成法、化學(xué)氣相沉積法、等等。
1
鋁粉直接氮化法
ALN+N2→2ALN 將鋁粉放入通有氮?dú)馀c氨氣的反應(yīng)的反應(yīng)爐中加熱到600℃開始反應(yīng)。我們就能合成大量純度較高的ALN粉，目前有這種方式的大規(guī)模生產(chǎn)。但是這種方法一般難以得到顆粒微細(xì)、粒度均勻的氮化鋁粉末，通常需要后處理。還有AL顆粒表面氮化后形成ALN層會(huì)阻礙氮?dú)庀蝾w粒的中心的擴(kuò)散，因此采用這種方法轉(zhuǎn)化率是一個(gè)重要的問題。
2
氧化鋁的碳熱還原法
Al203+3C+N2→2AlN+3CO 這種方法目前運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用最為廣泛，對(duì)其研究進(jìn)行的比較深入。
在該法中制備氮化鋁粉體中常加入氧化鈣、氟化鈣、氧化釔等作為催化劑，其中加氟化鈣更有效的降低活化能，提高反應(yīng)速率。這種制備的氮化鋁粉末純度高，成形和燒結(jié)性能好，但合成溫度高反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，粉末粒度較大。
這邊需要說(shuō)明下，如果有懂得金絲鍵合工藝的小伙伴就比較清楚，表面較為粗糙的有顆粒狀明顯的氮化鋁，如果使用這類的氮化鋁濺射薄膜金屬，打線時(shí)是不太容易鍵合上的，特別是球焊工藝，很容易出現(xiàn)脫焊狀況。
為了器件封裝結(jié)構(gòu)，元器件搭載及輸入、輸出端的連接等目的，氮化鋁陶瓷基板表面常常作金屬化處理。ALN 的陶瓷基片金屬化方法很多，分為以下幾種厚膜金屬化、薄膜金屬化、直接鍵合銅金屬化、化學(xué)鍍金屬化等。
在半導(dǎo)體器件行業(yè)，最常見應(yīng)用陶瓷電路基板電極采用是薄膜工藝和厚膜工藝。這兩種工藝方式是完全不一樣的，薄膜工藝指真空蒸鍍、和離子濺射這類能夠精確控制膜的形狀和厚度的成膜工藝，如我們光通信器件貼片載體Ti/Pt/Au 或者Ti/Ni/Au 電極和 AuSn焊料都是采用薄膜工藝制備；
而厚膜工藝指絲網(wǎng)印刷，這類比較粗略簡(jiǎn)便的成膜工藝，如泵浦源大功率激光器需要快速散熱都是使用的厚膜渡銅工藝氮化鋁。
大家知道我們光通信器件貼片載體常常采用AuSn共晶焊料，但焊料可不是直接蒸鍍?cè)诘X上的，而是底下有一層電極，采用Ti/Pt/Au 或者Ti/Ni/Au 這幾種金屬組合而成的薄膜電極，而且這幾種金屬都是有蒸鍍先后順序的，這是為什么呢？ Ti/Pt/Au跟Ti/Ni/Au的差異性在哪里？
氮化鋁是六方晶纖鋅礦結(jié)構(gòu)，密堆間隙中的Al離子半徑小，價(jià)態(tài)高, 具有較強(qiáng)的極化作用，使氮化鋁清潔表面的不飽和氮具有較高的化學(xué)活性。
通常氮因電負(fù)性大，電離勢(shì)高而有很強(qiáng)的共價(jià)傾向, 即使與低電負(fù)性金屬反應(yīng)，也會(huì)因負(fù)離子負(fù)電荷高, 離子半徑較大而水解。故一般狀況下, 氮不易與金屬反應(yīng)。Ti，Ta，W 等金屬因能與氮形成高晶格能化合物, 使其在氮化鋁表面附著性能很好。
鈦具有良好的耐蝕性, 較高的比強(qiáng)度和較小的質(zhì)量密度，然而鈦表面的耐磨性差，易氧化，接觸電阻高,釬焊性差，在某些介質(zhì)或高溫下鈦的耐蝕性也變差，使其應(yīng)用受到一定的限制，在鈦上鍍鉑或鍍鎳可以克服以上缺點(diǎn)，鉑鎳鍍層硬度高，電阻小，可釬焊。
最后一層就是我們所熟悉的鍍金層，金子可是個(gè)好東西，在空氣中不易氧化，耐腐蝕，導(dǎo)電性能極佳，散熱性能好，還能與其他金屬如錫、銅做成焊料等等。
另外激光器的P面或N面常常都有鍍金處理，與我們的半導(dǎo)體芯片為了形成較好的附著力，跟我們的金絲鍵合能夠有效融合，所以氮化鋁的電極最后一層都需要用鍍金處理，鍍金厚度一般控制在0.5~1um左右，太薄了不行，金絲鍵合的強(qiáng)度難以保證，厚了當(dāng)然是好事，那成本當(dāng)然也上去啦。
一般廠家做電極鍍層時(shí)都會(huì)建議金屬化不能完全到邊，會(huì)預(yù)留0.05mm的白邊，因?yàn)橐徽X切割小片的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致卷金問題;
Ti的厚度完全取決于氮化鋁拋光的表面粗糙度，目前我們國(guó)內(nèi)也能做成鏡面氮化鋁，粗糙度能夠達(dá)到<0.05um，所以Ti厚度一般控制在0.1~0.2um；
金錫焊料的厚度最小5um以上，我曾做過相應(yīng)的貼片壓入厚度試驗(yàn)，一般我們的貼片設(shè)備吸嘴壓力參數(shù)范圍3~500g左右，共晶焊15g的力道已經(jīng)很大了，貼完片后將芯片推掉在電鏡掃描下測(cè)得芯片陷入厚度為2~3um;
下面我們?cè)賮?lái)解釋下，電極鍍層Ti/Pt /Au跟Ti/Ni /Au的性能差異
鉑金屬的抗腐蝕性極強(qiáng),在高溫下非常穩(wěn)定,電性能亦很穩(wěn)定，它在任何溫度下都不會(huì)氧化。
鎳金屬亦有較好的抗腐蝕性，綜合性能比鉑金屬略遜色，導(dǎo)熱系數(shù)比鉑金屬稍高，鎳導(dǎo)熱系數(shù)90W, 鉑金屬70W，但是鎳的成本要比鉑低個(gè)幾百倍，所以有很多廠家鍍層工藝都是選用的鈦鎳金；如果要使用鈦鎳金鍍層氮化鋁的小伙伴們需要注意了，我曾經(jīng)在這個(gè)工藝上栽過很大的跟頭。
我曾經(jīng)負(fù)責(zé)過一大功率半導(dǎo)體封裝工藝，在做樣品時(shí)沒太過多關(guān)注氮化鋁的鍍層工藝參數(shù)，只是注意點(diǎn)都集中在選用高導(dǎo)熱系數(shù)的ALN選用的200W，實(shí)驗(yàn)結(jié)果散熱性能也是通過要求。
但是這個(gè)時(shí)候出現(xiàn)了一些問題，有個(gè)別樣品半導(dǎo)體芯片出現(xiàn)了“漏電”現(xiàn)象，這里所謂的“漏電”并不是真的漏電，而是芯片N級(jí)與P級(jí)之間的阻值發(fā)生了變化，原本是有一定幾十到一百Ω阻值的，可是“漏電”的芯片阻值只有幾個(gè)Ω或是0，也就是芯片的有源層直接導(dǎo)通了。
當(dāng)時(shí)對(duì)這個(gè)問題沒有太過細(xì)想，以為是芯片切割解理時(shí)導(dǎo)致芯片有源層損傷導(dǎo)致。
后來(lái)在小批量生產(chǎn)時(shí)，大規(guī)模的爆發(fā)了這種“漏電”不良品，不良率有40%~50%，這下問題就嚴(yán)重了，矛頭仍然指向芯片端工藝，絲毫沒有注意到氮化鋁。
大伙都知道，我們?cè)谧鲂酒Х治鰰r(shí)，如果找不到直接原因，那只有人機(jī)料法環(huán)一一排除了，最后排查到氮化鋁這塊，以為是鍍層參數(shù)有問題，又更改了相應(yīng)的鈦鎳金參數(shù)，還是不行，領(lǐng)導(dǎo)這時(shí)也發(fā)話三天內(nèi)給出解決方案，大伙有體驗(yàn)過這種手足無(wú)措，毫無(wú)頭緒的失效分析解決么，多少偉大的攻城師死在城墻門口，一旦城墻被攻破，那種成就感真是比娶了媳婦還美。
沒轍兒，只能不停的各種實(shí)驗(yàn)，最后選用金屬鈦鉑金作為蒸鍍鍍層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果忽然讓人柳暗花明，撥云見日，“漏電”現(xiàn)象消失得無(wú)影無(wú)蹤;最后對(duì)比兩種熱沉發(fā)現(xiàn)，竟然是鎳層搗的鬼；
分析得知，鎳鍍層有很多直徑約1um圓錐狀山峰，類似于金屬的批鋒毛刺，雖然被外面的金層有所覆蓋，但是一但經(jīng)過高溫回流或者高溫共晶焊時(shí)，這些晶須很容易攀附到半導(dǎo)體的有源層，再加上大功率半導(dǎo)體的有源層離氮化鋁鍍金面只有十幾個(gè)um的高度，很容易形成短路；
針對(duì)熱沉COC類、BOX類器件封裝工藝，目前天孚通信可做專業(yè)代工生產(chǎn)，推出高速率BOX有源器件封裝等系列解決方案。TFC擁有高精度貼合，金絲鍵合技術(shù)能力，自動(dòng)化貼片設(shè)備精度可達(dá)±0.5um，亦可提供穩(wěn)定AWG/TFF 光學(xué)器件方案；
同時(shí)擁有高精度精密加工和Recptacle設(shè)計(jì)裝配能力，TFC還擁有各種類型自由空間隔離器設(shè)計(jì)和隔離器芯片與插芯貼合以及擁有光學(xué)模擬分析能力，可以根據(jù)客戶要求定制設(shè)計(jì)和加工各類型的組件帶透鏡產(chǎn)品。
本文來(lái)源：天孚通信
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