近年来，通信技术的不断进步带来了大数据应用的蓬勃发展。 通信基站和数据中心对高速光模块的需求日益迫切。
由于芯片的技术水平，对于40G（点击此处) 或更高的速度，单个激光芯片的速度无法满足整体通信速率的要求。 为了解决这一矛盾，业界开发了并行多通道光模块，即将多个激光芯片集成到一个光模块中，通过多通道并行传输来满足整体传输速率要求。
随着光模块中并行集成通道数量的增加，出现了一个新问题——由于多通道光模块中集成了更多的光芯片，模块中的散热压力远大于低速模块中的散热压力。 . 如果不能保证良好的散热，模块内部会大量积聚热量。 高温会导致一系列性能劣化，如激光器芯片的阈值电流上升、效率下降、探测器芯片响应性漂移等。 严重时，芯片会失效，模块性能和可靠性将面临巨大挑战。
并行多路光模块的新型集成架构
针对这些问题，本文研究了一种高散热、高集成度的多通道光模块新型集成结构。 这种结构具有高效的内部散热能力，不占用PCB内部和表面之间的布线空间。 更多的电信号引脚用于适应更多通道光模块的集成。 功率器件300放置在绝缘高导热块800上。绝缘高导热块800使用高导热陶瓷材料——AlN陶瓷、SiC陶瓷或BeO陶瓷。 绝缘高导热块300背面的功率器件800的安装区域采用金属化焊盘处理。 功率器件300和绝缘高导热块800通过AuSn共晶焊接或高导热Ag粘接固定在一起。
光模块外壳500加工成梯形，PCB 200a安装在光模块外壳500较深的腔面上。绝缘高导热块800的一部分放置在PCB 200上，另一部分放置在PCB 500上。部分放置在光学模块外壳800的浅腔表面上。绝缘高导热块500的正面与光学模块外壳500重叠的区域用金属化焊盘处理。 光学模块外壳800的表面经过可焊接的电镀处理(例如镀镍)。 通过添加SnPb焊料来钎焊绝缘高导热块500和光学模块外壳800。 绝缘高导热块200和PCB XNUMXa用高强度绝缘胶粘合固定。
在PCB 200b的背面，点阵焊盘阵列2001被处理为光模块的外部电信号引脚。 光模块外壳100需要在点阵焊盘阵列2001的对应位置开窗，以暴露点阵焊盘阵列2001。 功率器件300和PCB 200a之间的电路连接通过金线300a键合来实现。 PCB 200a和PCB 200b之间的柔性互连是通过柔性PCB 200c实现的。
用于实现光模块内部的光芯片（包含在功率器件中）与光纤之间的光路互连的光学元件可以适配集成多路光路或多路光路的光透镜组600。光纤阵列900。如果使用光学透镜组600，其安装面可根据绝缘高导热块800的厚度设计成梯形。安装时， 高强度胶水 用于粘接，一部分安装在绝缘高导热块800上，另一部分安装在PCB 200a上。 如果采用多通道光纤阵列900，可将多通道光纤阵列900直接安装在绝缘高导热块800上，用高强度胶粘合或焊接。
应用实例和测试结果
本文采用上述新型集成结构的高散热能力和高集成度的多通道光模块设计了一种并行24通道光模块产品。 模块采用图2所示的内部结构设计，光路耦合部分采用集成多路透镜组，电信号输出结构采用200pin金属簧片连接器。 模块尺寸小于25mm×21mm×8mm，单通道数率10.315Gbps，模块总功耗2.4W。
由于采用绝缘高导热块作为主要散热介质，功率器件产生的热量可以通过绝缘高导热块直接传递到光模块外壳。 绝缘高导热块具有高导热特性，最高导热系数超过270W/m•K（AlN陶瓷为170-200W/m•K，BeO陶瓷为270W/m•K ，而 SiC 陶瓷为 83 W/m•K），远优于传统 COB 方案中 PCB 中密集的铜通孔的散热能力，并且可以高效导出光学器件内部功率器件产生的热量模块。 由于光模块的散热能力大大提高，特别适合集成更多通道的高速光模块。 更好的散热能力可以降低光模块内部芯片（尤其是激光芯片）的工作温度，从而延长光模块的使用寿命，并且可以扩大光模块的使用温度范围。
模块在高温环境下进行散热压力测试。 当模块外壳温度为70℃时，环回测试结果如图6所示。从测试结果可以看出，对于PRBS 31码型，模块在高温下的速度为10.312 5 Gbps，当环回测试的误码率优于11-10时，灵敏度优于– 12 dBm。 说明模块散热能力良好，在70℃外壳温度的高温工况下性能指标没有劣化。