Forschung zur hochdichten integrierten Struktur paralleler optischer Mehrkanalmodule

Der kontinuierliche Fortschritt der Kommunikationstechnologie hat in den letzten Jahren zu einer starken Entwicklung von Big-Data-Anwendungen geführt. Die Nachfrage nach optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen in Kommunikationsbasisstationen und Rechenzentren wird immer dringender.

Aufgrund des technischen Niveaus des Chips, für optische Module mit 40G (Klicken Sie hier) oder höherer Geschwindigkeit kann die Geschwindigkeit eines einzelnen Laserchips die Anforderungen an die Gesamtkommunikationsrate nicht erfüllen. Um diesen Widerspruch zu lösen, hat die Industrie ein paralleles optisches Mehrkanalmodul entwickelt, d. h. mehrere Laserchips sind in einem optischen Modul integriert, und die Anforderungen an die Gesamtübertragungsrate werden durch parallele Mehrkanalübertragung erfüllt.

Mit der zunehmenden Anzahl parallel integrierter Kanäle im optischen Modul entsteht ein neues Problem – weil mehr optische Chips im optischen Mehrkanalmodul integriert werden, ist der Wärmeabfuhrdruck im Modul viel größer als im Low-Speed-Modul . Wenn eine gute Wärmeabfuhr nicht gewährleistet werden kann, kommt es zu einem großen Wärmestau im Inneren des Moduls. Die hohe Temperatur führt zu einer Reihe von Leistungsverschlechterungen, wie z. B. dem Anstieg des Schwellenstroms des Laserchips, der Abnahme der Effizienz und der Drift der Ansprechempfindlichkeit des Detektorchips. In schweren Fällen wird der Chip versagen, und die Leistung und Zuverlässigkeit des Moduls stehen vor großen Herausforderungen.

Die neue integrierte Architektur paralleler optischer Mehrkanalmodule

Um diese Probleme zu lösen, wird in diesem Artikel eine neue integrierte Struktur von optischen Mehrkanalmodulen mit hoher Wärmeableitung und hoher Integration untersucht. Diese Struktur hat eine effiziente interne Wärmeabgabefähigkeit und belegt nicht den Verdrahtungsraum zwischen dem Inneren und der Oberfläche der PCB. Zur Anpassung an die Integration optischer Module mit mehr Kanälen werden mehr elektrische Signalpins verwendet. Die Leistungsvorrichtung 300 ist auf dem Isolierblock 800 mit hoher Wärmeleitfähigkeit platziert. Der Isolierblock 800 mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet Keramikmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit – AlN-Keramik, SiC-Keramik oder BeO-Keramik. Der Installationsbereich der Leistungsvorrichtung 300 auf der Rückseite des isolierenden Blocks 800 mit hoher thermischer Leitfähigkeit ist mit einem metallisierten Pad bearbeitet. Die Leistungsvorrichtung 300 und der Isolierblock 800 mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden durch eutektisches AuSn-Schweißen oder Ag-Klebeverbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit aneinander befestigt.

Das optische Modulgehäuse 500 wird in eine Leiterform verarbeitet, und die PCB 200a wird auf der tieferen Hohlraumoberfläche des optischen Modulgehäuses 500 installiert. Ein Teil des isolierenden Blocks 800 mit hoher Wärmeleitfähigkeit wird auf der PCB 200 platziert und der andere Teil wird auf der flachen Hohlraumoberfläche des Gehäuses 500 des optischen Moduls platziert. Der Bereich, wo die Vorderfläche des isolierenden Blocks 800 mit hoher Wärmeleitfähigkeit das Gehäuse 500 des optischen Moduls überlappt, wird mit einem metallisierten Pad bearbeitet. Die Oberfläche des Gehäuses 500 des optischen Moduls wird einer schweißbaren Galvanisierungsbehandlung (wie z. B. einer Vernickelung) unterzogen. Der isolierende Block 800 mit hoher Wärmeleitfähigkeit und das optische Modulgehäuse 500 werden durch Hinzufügen von SnPb-Lötmittel hartgelötet. Der isolierende Block 800 mit hoher thermischer Leitfähigkeit und die PCB 200a werden mit einem hochfesten isolierenden Klebstoff verbunden und befestigt.

Auf der Rückseite der PCB 200b wird ein Punktmatrix-Pad-Array 2001 als externer elektrischer Signalstift des optischen Moduls verarbeitet. Das optische Modulgehäuse 100 muss ein Fenster an der entsprechenden Position des Punktmatrix-Pad-Arrays 2001 öffnen, so dass das Punktmatrix-Pad-Array 2001 freigelegt werden kann. Die Schaltungsverbindung zwischen der Leistungsvorrichtung 300 und der PCB 200a wird durch Bonden mit Golddraht 300a realisiert. Die flexible Verbindung zwischen PCB 200a und PCB 200b wird durch flexible PCB 200c realisiert.

Die optischen Elemente, die verwendet werden, um die optische Pfadverbindung zwischen dem optischen Chip (in der Leistungsvorrichtung enthalten) innerhalb des optischen Moduls und der optischen Faser zu realisieren, können die optische Linsengruppe 600 mit einem integrierten optischen Mehrkanalpfad oder dem optischen Mehrkanal anpassen Faserarray 900 . Wenn die optische Linsengruppe 600 verwendet wird, kann ihre Montagefläche in Leiterform entsprechend der Dicke des Isolierblocks 800 mit hoher Wärmeleitfähigkeit gestaltet werden. hochfester Kleber wird zum Bonden verwendet, und ein Teil davon wird auf dem Isolationsblock 800 mit hoher Wärmeleitfähigkeit installiert, und der andere Teil wird auf der PCB 200a installiert. Wenn ein Mehrkanal-Lichtleitfaser-Array 900 verwendet wird, kann das Mehrkanal-Lichtleitfaser-Array 900 direkt auf dem isolierenden Block 800 mit hoher Wärmeleitfähigkeit installiert werden, der mit einem hochfesten Kleber verklebt oder verschweißt werden kann.

Anwendungsbeispiele und Testergebnisse

In diesem Dokument wird ein paralleles optisches 24-Kanal-Transceiverprodukt mit der oben genannten neuen integrierten Struktur eines optischen Mehrkanalmoduls mit hoher Wärmeableitungsfähigkeit und hoher Integration entwickelt. Das Modul übernimmt das in Abbildung 2 gezeigte interne Strukturdesign, der optische Pfadkopplungsteil übernimmt die integrierte Mehrkanal-Linsengruppe und die elektrische Signalausgangsstruktur übernimmt den 200-poligen Metall-Reed-Steckverbinder. Die Modulgröße beträgt weniger als 25 mm × 21 mm × 8 mm, die Anzahlrate eines einzelnen Kanals beträgt 10.315 Gbps und die Gesamtleistungsaufnahme des Moduls beträgt 2.4 W.

Da der isolierende Block mit hoher Wärmeleitfähigkeit als Hauptwärmeableitungsmedium verwendet wird, kann die von der Leistungsvorrichtung erzeugte Wärme durch den isolierenden Block mit hoher Wärmeleitfähigkeit direkt auf die Hülle des optischen Moduls übertragen werden. Der isolierende Block mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat die Eigenschaften einer hohen Wärmeleitfähigkeit, mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit von mehr als 270 W/m·K (170–200 W/m·K für AlN-Keramik, 270 W/m·K für BeO-Keramik und 83 W/m • K für SiC-Keramik), was der Wärmeableitungskapazität der dichten Kupferdurchkontaktierungen in der Leiterplatte im herkömmlichen COB-Schema weit überlegen ist und die von den Leistungsgeräten innerhalb der Optik erzeugte Wärme effizient ableiten kann Modul. Da die Wärmeableitungskapazität des optischen Moduls stark verbessert ist, eignet es sich besonders für die Integration von optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen mit mehr Kanälen. Eine bessere Wärmeableitungsfähigkeit kann die Arbeitstemperatur der Chips innerhalb des optischen Moduls (insbesondere des Laserchips) verringern, wodurch die Lebensdauer des optischen Moduls verlängert wird, und kann den Gebrauchstemperaturbereich des optischen Moduls erweitern.

Das Modul wird in einer Hochtemperaturumgebung auf Wärmeableitungsdruck getestet. Wenn die Gehäusetemperatur des Moduls 70 °C beträgt, sind die Loopback-Testergebnisse in Abbildung 6 dargestellt. Aus den Testergebnissen ist ersichtlich, dass für den Codetyp PRBS 31 die Geschwindigkeit des Moduls bei hoher Temperatur 10.312 5 Gbit/s beträgt. und die Empfindlichkeit ist besser als – 11 dBm, wenn die Fehlerrate des Loopback-Tests besser als 10-12 ist. Dies zeigt an, dass die Wärmeableitungskapazität des Moduls gut ist und sich der Leistungsindex unter den Hochtemperatur-Arbeitsbedingungen von 70 ° C Gehäusetemperatur nicht verschlechtert hat.

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