光模塊印制電路板特性及關(guān)鍵技術(shù)介紹

張軍杰 陳 波 張 峰 楊東強(qiáng)

（江西志浩電子科技有限公司，江西 贛州 341000）

1 光模塊產(chǎn)品概述

1.1 光模塊應(yīng)用

光模塊是用于交換機(jī)與設(shè)備之間傳輸?shù)妮d體，是光纖通信系統(tǒng)中的核心器件。光模塊的主要功能是在光通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，主要包括光信號(hào)發(fā)射端和接收端兩大部分。光端機(jī)，光纖收發(fā)器，交換機(jī)，光網(wǎng)卡，光纖路由器，光纖高速球 機(jī)，基站，直放站等。一般傳輸設(shè)備的光口板都配置對(duì)應(yīng)的光模塊。部分光模塊產(chǎn)品如圖1。

圖1 光模塊產(chǎn)品例

1.2 光模塊主要參數(shù)

1.2.1 傳輸速率

（1）每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)（bit），單位為bps。

（2）常用的有7種： 155 Mbps、1.25 Gbps、2.5 Gbps、10 Gbps、25 Gbps、40 Gbps、100 Gbps等。

1.2.2 傳輸距離

（1）光信號(hào)無(wú)須中繼放大可以直接傳輸?shù)木嚯x，單位千米（km）。

（2）光模塊一般有以下幾種規(guī)格：多模550 m，單模20 km、40 km、80 km和120 km等等

（3）光波長(zhǎng)主要有3種：

①850 nm（MM，多模，成本低但傳輸距離短，一般只能傳輸500 m）；

②1310 nm（SM，單模，傳輸過(guò)程中損耗大但色散小，一般用于40 km以內(nèi)的傳輸）；

③1550 nm（SM，單模，傳輸過(guò)程中損耗小但色散大，一般用于40 km以上的長(zhǎng)距離傳輸。最遠(yuǎn)可以無(wú)中繼直接傳輸120 km）

1.3 光模塊封裝種類介紹

（1）SFP封裝：一種小型可插拔光模塊，目前最高數(shù)率可達(dá)155 M至10 G，通常與LC跳線連接。SFP光模塊又包含了百兆SFP、千兆SFP、BIDI SFP、CWDM SFP和DWDMSFP，每一款光模塊都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的兼容性

（2）SFP＋封裝：SFP＋光模塊的外形和SFP光模塊是一樣的，只是支持的速率可以達(dá)到10 G，常用于中短距離的傳輸。和XFP光模塊相比，SFP＋內(nèi)部沒(méi)有CDR模塊，所以SFP＋的體積和功耗都比XFP小。

（3）CFP封裝：CFP應(yīng)該是光模塊中最常見(jiàn)的封裝形式了。CFP主要針對(duì)的是100 G（也包括40 G）及以上速率的應(yīng)用。CFP家族主要包括CFP/CFP2/CFP4/CFP8。最初提出CFP封裝形式的時(shí)候，單路25 Gb/s的速率在技術(shù)上還比較難實(shí)現(xiàn)，所以CFP 每路電接口速率定義為10 Gb/s 等級(jí)，通過(guò)4×10 Gb/s和10×10 Gb/s 電接口實(shí)現(xiàn)40G 和100G 的模塊速率。

（4）QSFP+封裝：QSFP＋光模塊是一種四通道小型可熱插拔光模塊，支持與MPO和LC光纖跳線連接，相比SFP＋光模塊尺寸更大。

（5）X2、XENPAK封裝:X2、XENPAK光模塊多應(yīng)用與萬(wàn)兆以太網(wǎng)，通常與SC跳線連接，X2光模塊由XENPAK光模塊的標(biāo)準(zhǔn)演變而來(lái)，由于XENPAK 光模塊安裝到電路板上時(shí)需要在電路板上開(kāi)槽，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高密度應(yīng)用，X2光模塊經(jīng)過(guò)改進(jìn)后體積只有XENPAK的一半左右，可以直接放到電路板上，因此適用于高密度的機(jī)架系統(tǒng)和PCI網(wǎng)卡應(yīng)用。

2 光模塊產(chǎn)品特性及技術(shù)需求

2.1 光模塊PCB加工特殊要求

光模塊產(chǎn)品按照加工特性來(lái)分一般具有如下特性，結(jié)構(gòu)中含有混壓（高頻＋FR-4或高速＋FR-4）、控深銑、高精密阻抗線路、連接盤小間距、埋銅塊或埋陶瓷、精細(xì)線路、長(zhǎng)短或分級(jí)板邊插頭、多種背鉆孔孔、精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)度、精密鍵合盤、鎳鈀金等特殊特性，如圖2所示。

圖2 光模塊產(chǎn)品加工特性圖

2.2 光模塊5G時(shí)代對(duì)板材的要求

5G AAU架構(gòu)下，天線的功分、校準(zhǔn)網(wǎng)格、TRX、PA均需使用到高頻低損的板材；傳輸、光模塊、路由器、服務(wù)器均需使用到高速率、低延時(shí)的板材，如圖3所示。

圖3 光模塊5G產(chǎn)品對(duì)板材的要求示意圖

2.3 光模塊高速產(chǎn)品PCB應(yīng)用技術(shù)的要求

DC/DU/交換機(jī)/路由器等設(shè)備對(duì)PCB要求如圖4所示。

圖4 光模塊高速產(chǎn)品PCB應(yīng)用技術(shù)的要求

2.4 光模塊PCB工程設(shè)計(jì)要求

光模塊PCB工程設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表1所示。

表1 光模塊PCB工程設(shè)計(jì)基本要求

3 光模塊產(chǎn)品關(guān)鍵品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 插頭耐腐蝕性能

行業(yè)接受標(biāo)準(zhǔn)是插頭與鍵合區(qū)域需要通過(guò)孔隙率，鹽霧測(cè)試，硝酸氣體測(cè)試和混合氣體（高端產(chǎn)品要求）測(cè)試。

3.2 插頭表面質(zhì)量要求

因?yàn)樾盘?hào)在表面?zhèn)鬏?，故不允許露銅，鎳，鈀，黑點(diǎn)；不允許表面擦花、凹凸缺陷、銅瘤&銅粒、針孔、缺口；表面粗糙度必須在控制范圍內(nèi)。

3.3 信號(hào)損失對(duì)于板材Dk/Df要求

基材選擇有要求，小于10 G的數(shù)據(jù)傳輸：Dk＜4.5、Df＜0.016；大于等于10 G的數(shù)據(jù)傳輸：Dk＜3.8、Df＜0.01；阻抗控制：±10%（常規(guī)），±8%或±7%(高端產(chǎn)品），讀數(shù)范圍期間：20%～80%。

3.4 外形尺寸公差要求

插頭長(zhǎng)寬公差控制：±0.1mm；插頭中心到板邊公差控制：±0.05 mm；插頭本身距離公差控制：±0.05 mm；卡槽直徑公差控制：±0.05 mm；卡槽到插頭中心公差控制：±0.1 mm。

3.5 鍵合性能要求

鍵合盤尺寸：≥75 μm；20 μm寬度金線的接合強(qiáng)度≥4 g；滲鍍能力控制。

4 光模塊產(chǎn)品關(guān)鍵過(guò)程控制

4.1 插頭表面凹痕控制

（1）壓合鋼板表面應(yīng)無(wú)任何劃痕，凹點(diǎn)，擦花，殘膠等缺陷。

（2）排板前使用粘塵布對(duì)熔合后的板面進(jìn)行預(yù)清潔。

（3）使用35 μm銅箔作為隔離膜進(jìn)行排板（光面必須清潔干凈）。

（4）拆板時(shí)插架隔板。

（5）使用X-ray鉆孔+自動(dòng)裁磨線生產(chǎn)。

（6）鉆孔必須控制真空度，杜絕任何蓋板或板與板之間的粉塵。

（7）電鍍前的磨板處理必須確保無(wú)任何板面擦花。

4.2 插頭表面銅瘤缺陷控制

（1）VCP電鍍+低電流密度生產(chǎn)。

（2）電鍍后必須進(jìn)行粗磨和精磨表面處理。

（3）使用陶瓷刷輥磨板線生產(chǎn)。

4.3 插頭表面刷痕缺陷控制

（1）圖形轉(zhuǎn)移前處理：超粗化處理不允許機(jī)械磨板。

（2）印抗電鍍油前處理：浮石粉處理不能開(kāi)機(jī)械磨刷。

（3）二次干膜前處理：噴砂處理，不開(kāi)磨刷。

4.4 插頭鍍金后劃痕缺陷控制

使用專用的隔離和緩沖材料在各站運(yùn)輸過(guò)程中保護(hù)板面特別是插頭區(qū)域

5 結(jié)束語(yǔ)

光模塊作為光通信中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件，在數(shù)據(jù)中心有著廣泛地應(yīng)用。數(shù)據(jù)中心不僅需要40G、100G及以上的高速光模塊，還需要在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上持續(xù)演進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞的網(wǎng)絡(luò)性能。本文是作者根據(jù)自己制作光模塊PCB的經(jīng)驗(yàn)及通過(guò)查閱相關(guān)資料總結(jié)出來(lái)的一套技術(shù)資料，希望能給同業(yè)有所幫助。