有限元熱分析在光模塊監(jiān)控溫度的運用

文 莉

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

有限元原理介紹

有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)，采用數(shù)學(xué)近似的方法對真實的物理系統(tǒng)進行模擬，是用交簡單問題來代替復(fù)雜的問題然后求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。

有限元軟件介紹

本文用的有限元軟件是ANSYS，ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的通用有限元分析軟件。該軟件的應(yīng)用方面廣泛，能實現(xiàn)電子設(shè)備的互聯(lián)、簡化復(fù)雜流體動力學(xué)工程問題以及基于模型的系統(tǒng)和嵌入式軟件開發(fā)。ANSYS分析類型多樣，本文主要涉及熱分析，程序可處理熱傳遞的三種基本類型，包括傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可以進行穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析和非線性分析。

光模塊原理介紹

光模塊是進行光電和電光轉(zhuǎn)換的光電子器件，光模塊的發(fā)送端把電信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過光纖傳輸?shù)浇邮斩?，接收端把光信號轉(zhuǎn)為電信號。該光模塊指可插拔的小型封裝光模塊，主要運用在交換機或者路由器設(shè)備中，將設(shè)備中的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸出去，同時接收端可以接受外部一根光纖發(fā)射過來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸入到設(shè)備。

本文涉及是以SFP+結(jié)構(gòu)封裝、10G速率波長為1310nm的光模塊為主。光模塊里面有一個主要組成部分就是數(shù)字診斷功能(DDM,Digital Diagnostic Monitoring),數(shù)字診斷功能遵循SFF-8472多源協(xié)議。SFF-8472是一個光學(xué)器件數(shù)字監(jiān)控方面的多源協(xié)議，主要是為光模塊生產(chǎn)廠商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商定義種參考框架，因此不同的光模塊生廠商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品可以進行相互連接等操作。通過該功能，網(wǎng)絡(luò)管理單元可以實時監(jiān)控光模塊的各個參數(shù)，例如模塊工作電壓、溫度、接受光功率和發(fā)射光功率，激光器偏置電流。

DDM(DDM,Digital Diagnostic Monitoring)

數(shù)字診斷功能(DDM)讀取模塊電壓、溫度、接受光功率和發(fā)射光功率，激光器偏置電流這五個監(jiān)控量參數(shù)是經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，通過內(nèi)部校準(zhǔn)或者外部校準(zhǔn)將監(jiān)測得到的校準(zhǔn)值或者外部校準(zhǔn)系數(shù)寫入內(nèi)存中。在內(nèi)部校準(zhǔn)和外部校準(zhǔn)中時常會出現(xiàn)誤差較大的情況，這是需要通過熱分析來準(zhǔn)確了解模塊外部以及內(nèi)部溫度的具體變化。

熱分析原理介紹

一般而言,熱分析可分為穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析兩種。其中,溫度場隨時間而發(fā)生變化的傳熱過程稱為瞬態(tài)傳熱,反之則為穩(wěn)態(tài)傳熱。在進行瞬態(tài)熱分析以前,通常需要通過穩(wěn)態(tài)熱分析來確定初始溫度分布;而對于一個從瞬態(tài)逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)的傳熱問題,則將穩(wěn)態(tài)熱分析作為瞬態(tài)熱分析的最后一步工作,用以確定系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時所處的狀態(tài)。[1]

據(jù)能量守恒原理,上述兩種情況的熱平衡方程可以矩陣形式統(tǒng)一表達為

[C(T)]{T}+[K(T)]{T}=[Q(T)]

式中[K(T)]-傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù);[C(T)]——比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加;{T}——節(jié)點溫度向量；{T}——溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；[Q(T)]——節(jié)點熱流率向量,包含熱生成。

當(dāng)物體的材料參數(shù)K(T)，C(T)不隨著溫度的變化而變化，即二者分別為 K和 C時,上式即為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱分析表達式。

模塊的有限元熱分析模型

根據(jù)光模塊的封裝結(jié)構(gòu)，主要將光模塊外分為兩個部分：外殼和內(nèi)部PCB結(jié)構(gòu)。PCB位于殼體中，懸空于底座上，同時PCB上部分離上部分殼體距離1mm。各個芯片和元器件通過布局處于PCB上。為了校準(zhǔn)DDM中的溫度是否與真實溫度相近，將該光模塊的模型分別處于不同溫度下對發(fā)熱情況進行分析。.

假設(shè)芯片的發(fā)熱功率為1W，環(huán)境溫度設(shè)定為-5℃、25℃和70℃。用ansys軟件分析在這三種設(shè)定溫度下的殼體、PCB和芯片的溫度分布，再將這三部分的溫度與光模塊在-5℃、25℃和70℃三種環(huán)境溫度下正常工作時的DDM 反應(yīng)的溫度進行比較，觀察溫度是否出現(xiàn)較大的偏差。

表1為外殼、PCB及芯片的相關(guān)的特征參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)電系數(shù)以及柏松比等。

表1 不同材料的特征參數(shù)

表1為芯片的發(fā)熱功率為1W，環(huán)境溫度設(shè)定為25℃。不同材料的特征參數(shù)，同時也要計算和查找出三種材料屬性在-5℃和70℃情況下的參數(shù)特征列出相似表格。

結(jié)果分析

在Ansys中建模熱分析后，三種情況的溫度分布以及反映的情況會通過計算處理得出，將最后的圖片和數(shù)據(jù)給予響應(yīng)的整理，制作出圖形表格，尤其是芯片的溫度情況分布。光模塊的工作性能在高溫的要求是相對要高的，因為集成電路不斷地微型化和電子封裝密度的不斷提高，單位體積內(nèi)容易產(chǎn)生更大的熱量。電路板在使用中會發(fā)熱使溫度升高，當(dāng)溫度過高時，會引起自身或相關(guān)設(shè)備的損壞或惡化使用環(huán)境，失效率增加;發(fā)熱還可能引起電路板熱變形，如果封裝材料間熱膨脹系數(shù)不匹配，還會導(dǎo)致焊錫開裂導(dǎo)致電路失效。因此在設(shè)計階段需要了解其工作條件下溫度場分布及發(fā)熱變形情況，以便針對性地設(shè)置散熱條件，保證電路板正常工作。[3]

在正常的工作狀態(tài)下，將光模塊置于溫箱中，分別在-5℃、25℃和70℃溫度穩(wěn)定下，光模塊的工作穩(wěn)定的條件下，通過軟件觀察模塊DDM反映的溫度，同時注意工作電壓、接受光功率和發(fā)射光功率，激光器偏置電流是否處于正常的工作范圍內(nèi)，在這三種溫度下，這些參數(shù)變化是否過大。因為這些參數(shù)會直接反映模塊的工作狀態(tài)，可及時做出解決方案。將這三種溫度下溫度的具體數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與有限元熱分析的數(shù)據(jù)做出對比。

結(jié)論

在熱分析的理論基礎(chǔ)上和通過Ansys軟件來觀察光模塊中無論是殼體還是內(nèi)部PCB、芯片的溫度分布，了解到了光模塊的各個部分的發(fā)熱情況，溫度的具體分布，該實驗會給在具體布局和器件的材料選擇提供有用的幫助，該分析出來的數(shù)據(jù)和DDM中的數(shù)據(jù)直觀的對比，通常使用光模塊的廠家主要注重光模塊殼體的溫度與DDM中反映的數(shù)據(jù)做對比來進行校準(zhǔn)，從而會忽略芯片的真實溫度，這樣的情況就會導(dǎo)致校準(zhǔn)不夠準(zhǔn)確，誤差較大，本文做的有限元熱分析將芯片和PCB的溫度都考慮進去，將溫度的更細致的變化和分布有涉及到。但是本文涉及的實驗分析還不夠完善，電路中元器件相互影響的發(fā)熱情況沒能排除，將會在之后的項目中完成。