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光模塊PCB技術和熱管理探究

作者:handler    發布時間:2021-02-03 19:14    瀏覽量:1955

李清春 胡玉春 邱小華

(惠州中京電子科技有限公司 ,廣東 惠州 516029)

0 前言

基于光電信號轉換的光模塊,在現代高速通信系統占據著越來越重要的地位。作為其電氣聯通作用的PCB主板,由于大數據高速傳輸、散熱、表面貼裝以及熱插拔的要求,其設計工藝上與普通PCB存在一些區別。材料上要求使用高速材料,熱插拔需要鍍金,其他貼裝位置需要沉金或者鎳鈀金,而熱管理的需求,一般PCB散熱采用塞銅漿、埋銅塊、電鍍通孔,或者ELIC電鍍設計,光模塊封裝采用高導熱材料輔助散熱(見圖1)。

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1 光模塊PCB疊構設計和制作流程
光模塊發展至今,PCB基本采用HDI結構,無論是機械盲孔HDI,還是鐳射盲孔HDI,或者軟硬結合板+HDI。根據其標準尺寸接口的要求,光模塊PCB板厚基本為1.0±0.1 mm,大部分光模塊PCB基本≤12層。針對機械盲孔疊構和常規HDI結構有大致兩種不同的制作流程,分別如下。
(1)機械盲孔結構一般2+2、4+4、2+2+2、4+2+2,少數非對稱結構如2+4或2+6,流程如下(可參見圖2)。

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2+2:開料→埋鉆→電鍍→樹脂塞孔→線路→壓合→鉆孔→電鍍(部分有樹脂塞孔+cap電鍍)→線路→防焊→文字→表面處理→成型==》測試→FQC;
4+4:開料→內層→壓合→埋鉆→電鍍→樹脂塞孔→線路→壓合→鉆孔→電鍍→(部分有樹脂塞孔+CAP電鍍)→研磨拋光→線路→防焊→文字→表面處理→后流程。
(2)常規HDI,一般1到4階HDI,層數4-10層,基本流程如下。開料→埋鉆→電鍍→樹脂塞孔或銅漿塞孔→CAP電鍍→線路→壓合→鐳射→填孔→線路(壓合、鐳射、填孔、線路流程多次循環完成增層)→壓合→鐳射→機械鉆孔→填孔→研磨拋光→線路→防焊→文字→表面處理→后流程;
(3)另外,由于金手指設計和熱管理方式的不同,會造成光模塊PCB的制作流程差異。埋銅塊、塞銅漿和通孔填孔都是為了解決光模塊散熱問題,實現手段有所不同。光模塊目前主流有長短金手指和分級金手指兩類。印制插頭制作流程含5次圖形轉移:外層線路一次,防焊曝光一次,鍍印制插頭一次,蝕刻引線一次,選擇性化金或者鎳鈀金一次,其中還有很多細節流程此處不做詳細討論,各家公司制作方式大同小異。
2 光模塊金手指設計
光模塊多采用長短金手指和分級印制插頭,而很少用傳統等長印制插頭設計,主要是金手指作為高速信號的電接口,具有信號和供電兩種不同定義的針腳,供電針腳比數據針腳長,保證先通電再通數據,先斷數據再斷電。如果電源沒上電,IO先連接上了,同時有數據進來,有可能導致邏輯芯片損壞,或者把主板接口芯片搞壞。
100 G到400 G光模塊對應的PCB電接口均為長短印制插頭或者分級印制插頭。以早期的CFFP為例,CDFP的電氣部分PIN腳排列如下,上下兩層各有8組差分對,一共有16組差分對,每個差分對支持25 G的NRZ信號,最大可以傳輸400 G帶寬,較長的金手指均為電源和地層(見圖3)。

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實際的電接口定義中并沒有分級印制插頭,分級印制插頭作為電接口的可選項,對于機械插拔耐磨性有一定好處(見圖4)。

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另一方面,為了防止電容效應,尤其是高速電接口,無論對于高階顯卡、GPU加速卡,還是光模塊產品,印制插頭對應位置的所有內層基本削銅(手指下挖空),可以減小印制插頭和阻抗線之間的阻抗差值,同時對ESD也有好處。如下圖所示的光模塊產品,印制插頭的位置只有兩個外層有銅,內層沒有銅分布(見圖5)。

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3 表面處理
光模塊的表面處理有多種變化,針對不同的封裝方式,主流為鎳鈀金+印制插頭或沉金+印制插頭。針對印制插頭和鎳鈀金(或沉金)位置是否有防焊隔斷,將表面處理流程分為兩種。第一種金手指和鎳鈀金(或沉金)無分界,要求先做鎳鈀金(或者沉金),然后再在鎳鈀金(或者沉金)基地上直接鍍金,當然也可以根據實際情況將暴露的部分高速傳輸線覆蓋油墨。另一種鎳鈀金(或沉金)和金手指有分界,用阻焊隔斷,一般先做金手指,然后再做鎳鈀金(或沉金)。第一種制作方法可以有效縮短流程,降低流程復雜度,行業已有PCB廠商采用,但由于化金和鎳鈀金的金厚比較薄,對于過程管理要求比較嚴苛(見圖6)。

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也可以將所有開窗位置全部做鎳鈀金,縮短整體流程的復雜程度,提升外觀良率,降低成本。一般情況印制插頭鍍金主要為抗氧化和耐插拔。鍍金手金純度99.5%~99.7%,印制插頭硬度在150~200 HV,實際鍍金過程加入少量鈷鎳等高硬度耐磨性金屬提高印制插頭耐磨性(金屬硬度排行:鈷Co>鉻Cr>鎳Ni>銅Cu>鋅Zn>鋁Al>金Au)。
以下為鎳鈀金廠商提供的鍍層各組分的維氏硬度值,鎳鈀的硬度相比金的硬度高很多,作為耐插拔較多次數有一定作用,光模塊印制插頭可以采用整板鎳鈀金取代鍍金手指+鎳鈀金的表面處理,對于降低整體成本大有裨益(見表1)。


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4 根據光模塊設計延伸出相應的技術工藝
光模塊產品基本采用高速純壓或者混壓,材料基本為 M4、M6、M7以及對應級別材料,單純高Tg板材設計的光模塊比較低端,目前已經很少使用。Skip via可以將二階HDI采用一次盲孔電鍍制作完成,主要解決成本問題,缺點是盲孔縱橫比高,填孔難度大,孔型不好電鍍填孔容易產生蟹腳、氣泡等問題。當采用樹脂塞孔+表面電鍍技術來解決光模塊skip via表觀平整度問題時,增加的塞孔和電鍍流程反倒會增加成本。如果采用大盲孔(6~8mil)兩次填孔來達成盲孔平整度要求,填孔藥水能力要求比較高,成本也比較高,且會有少量氣泡存在,對信賴性有一定影響。故一般不建議采用skip via設計,而采用二階HDI(見圖7)。

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5 光模塊熱管理

光模塊器件塊非常高的熱管理水平,熱源主要在芯片和光器件(TOSA和ROSA)附近見圖8(白圈標示為散熱位置)。一般熱管理通過三個途徑解決:降耗、導熱、布局。降耗是減少熱量產生;導熱是把熱量導走,不產生影響;布局是熱沒散掉但通過一些措施隔離熱敏感器件。光模塊空間狹小,不能采用強對流方式降溫,主要采用導熱方式,分外部導熱和內部導熱,內部導熱是從光器件封裝材料和PCB材料上采取解決辦法。芯片的更新迭代整體功耗已有很大改善。光模塊散熱優化方向是提高導熱系數、增加散熱面積,降低接觸面粗糙度、提高平整度、減小傳熱路徑的厚度等。

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主板上芯片散熱的主要難點在于子母板或單板時,發熱量大的元件在底部,芯片熱量無法及時傳到主散熱面,想要解決光模塊散熱問題,導熱和散熱都必須要滿足條件。下表為不同散熱處理條件下芯片平衡狀態溫度測試結果(見圖9)。

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光模塊芯片部位散熱主要使用柔軟可壓縮的高導熱材料,如導熱硅膠片,以其高導熱系數,低壓力撓度,低接觸電阻適用于光模塊散熱解決方案。常見材料導熱系數如下,光模塊PCB大部分的散熱都是基于材料技術的散熱來完成,銅具有高導熱,相對低成本, 和PCB兼容性等優點,所以光模塊PCB散熱優先采用銅來散熱。紫銅導熱系數400 W/m.K,一般電鍍銅接近350 W/m.K左右,銅漿導熱系數在8-10 W/m.K(銅漿內含很多樹脂成分),以下為常見材料導熱系數(如圖10)。

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P C B 散熱技術基于銅本身特性,目前常用銅漿塞孔,埋銅塊,電鍍通孔或者將PCB設計成ELIC,通過每層填盲孔疊加成柱狀來散熱。
(1)對于埋銅塊設計的光模塊PCB,在對應層次將PP和基板開窗,壓合將銅塊埋入PCB,埋置在內層一般為規則圓形或者方形銅,埋置在外層一般為“T”型銅,一般銅塊位于TOSA和ROSA芯片底部位置,輔助芯片散熱。內埋銅塊PCB時,會在銅塊上密集鐳射盲孔并填孔,將熱量快速有效傳導出。由于光模塊本身尺寸很小,光電轉換芯片對應位置很小,使得需要埋置的光模塊尺寸更小,此類小尺寸銅塊壓合埋置過程容易晃動,壓合操作難度大,影響作業效率。同時銅塊相對位置歪斜,會影響壓合半固化片流動填充效果,最終表現為熱應力變差。另外,埋銅塊設計,對應外層均為基板,壓合時基板棕化面容易與半固化片粉塵粘合,壓合后銅面半固化片殘留,最終影響光模塊外觀良率(見圖11)。

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(2)銅漿塞孔也是解決散熱問題的一大手段,銅漿材料發展很多年,目前相對埋銅塊的成本更低、可加工性和信賴性更優,導熱系數相對埋銅塊低很多,但是對于PCB散熱主要瓶頸在樹脂,采用塞孔銅漿導熱系數達到8 W/m.K以上。一般建議采納銅漿塞孔,流程類似于真空樹脂塞孔,且采用銅漿對壓合的產能無影響,比埋銅塊更利于產業化(見圖12)。

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(3)根據設計的經濟性,光模塊本身設計為ELIC,則可以在PCB芯片位置鋪設大片銅,并將每層通過盲孔接續,ELIC結構在空間上等效于純銅的銅柱,大銅面通過銅柱從上到下形成散熱通道,類似于圖13。這種設計成本高,制作周期長,除非布線密度非常高,使得該PCB必須采用ELIC設計時,散熱區域可以采用相似ELIC結構來解決散熱問題,一般不建議采用。

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(4)通孔填孔散熱:此技術誕生于半導體電鍍行業,后經改良,將此技術運用于高散熱高信賴性要求的PCB上,相對于半導體行業鐳射微盲孔或者鐳射X-通孔電鍍。X-通孔如下,一般縱橫比在2:1左右,由于X-孔在孔中心位置 有一個比較小的漏斗狀孔,電鍍銅在添加劑的輔助下容易在此位置沉積,并閉合形成上下兩部分盲孔。形成盲孔以后的電鍍,填孔就跟盲孔填孔相同(見圖14)。

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通孔填孔與盲孔填孔的機理大致相同,即抑制表面層(高電位部)的鍍層析出,促進低電位的鍍層析出,從而完成填充。所謂通孔的低電位部相當于通孔內部的中心位置。一般通孔填充鍍銅液中的抑制劑多于促進劑。由于基板表面層的添加劑濃度高于通孔內部,利用這種原理就會從通孔內的中央部(低電位部)優先析出鍍層。如果貫通孔內的中央部優先析出鍍層,那么從孔中心的的鍍層表面就會相碰延伸接觸,在通孔上下面上形成2個盲孔。即所謂的電鍍電鍍搭橋,然后在高電流高Cu2SO4密度下填盲孔。通孔填孔最大的弊端是參數條件苛刻,效率太低,一般需要6~8小時或者更長時間完成。PCB通孔填孔各步驟圖片如下(見圖15)。

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安美特通孔填孔電鍍搭橋條件如下,經測試小孔≤0.25 mm,縱橫比2~4比較容易實現通孔填孔。大孔低縱橫比反而由于藥水的交換效率高,在孔口位置不能形成完美的平坦度,凹陷較深,嚴重者甚至不能形成搭橋效果。通孔填孔效果跟縱橫比、添加劑的搭配和藥水交換率有很大關系。最佳藥水條件(見圖16)。

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6 總結

隨著光模塊向小型化、低成本、低功耗、高速率、長距離,熱插拔方向發展,對應PCB的成度更高,由于光模塊PCB是基于銅材質的信號傳輸,最大速率受到限制,所以在大數據轉換上對應多個通道,每個通道對應光模塊PCB的一個差分信號對。越高的傳輸速率對應于越多的差分信號對,即在光模塊小型化前提下,盲孔和線路的分布密度更高。如此高的布線密度和傳輸速率,意味著光模塊在工作過程產生更多的熱量,而光模塊激光器的光譜熱漂移效應,直接決定其是否有效工作,散熱問題直接關系到光模塊核心部件的工作狀態,解決方向:
(1)提升芯片制造技術,從芯片上節約耗能;
(2)PCB采用高導熱材料和設計高效的散熱路徑;
(3)從光模塊封裝技術上解決散熱問題,例如散熱膏,散熱通道,殼體散熱設計等。PCB作為光模塊構件,其散熱技術,在100 G以上光模塊的應用會越來越多。




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