并行多通道光模塊的高密度集成結(jié)構(gòu)研究

王棟，林都督，陳代堯，何舒瑋，盧朝保

（成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引 言

近年來(lái)，通信技術(shù)的不斷進(jìn)步帶來(lái)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，通信基站以及數(shù)據(jù)中心對(duì)高速光模塊的需求越來(lái)越緊迫。受限于芯片的技術(shù)水平，對(duì)于40 G 及以上速率的光模塊，單一激光器芯片的速率無(wú)法滿足整體通信速率的要求，業(yè)界為了解決這一矛盾開發(fā)了并行多通道光模塊，即將多顆激光器芯片集成到一個(gè)光模塊內(nèi)部，依靠多通道并行傳輸來(lái)滿足總的傳輸速率要求。

隨著光模塊內(nèi)并行集成的通道數(shù)越來(lái)越大，新的問(wèn)題隨之而來(lái)——由于多通道光模塊內(nèi)部集成了更多的光芯片，模塊內(nèi)部的散熱壓力較低速模塊大得多。如果無(wú)法保證良好的散熱，熱量將在模塊內(nèi)部大量積聚，高溫會(huì)導(dǎo)致激光器芯片閾值電流上升、效率下降、探測(cè)器芯片響應(yīng)度漂移等一系列性能惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致芯片失效，模塊性能和可靠性面臨巨大挑戰(zhàn)。

1 并行多通道光模塊傳統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)

在并行多通道光模塊需求出現(xiàn)之前，光模塊內(nèi)部的光器件通常采用晶體管外形（Transistor Outline, TO）封裝方式。雖然TO 封裝技術(shù)上十分成熟，具有較高的可靠性與相當(dāng)?shù)偷某杀?。但由于TO 封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與光路集成結(jié)構(gòu)相對(duì)固化，無(wú)法適配多顆光芯片同時(shí)集成。板上芯片(Chip on Board，COB）封裝結(jié)構(gòu)被自然運(yùn)用于并行多通道光模塊中。集成結(jié)構(gòu)方面，相較于TO 封裝，COB 封裝中光芯片的數(shù)量與貼裝位置可以靈活配置。受限于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，光模塊通常有兩個(gè)散熱面，與設(shè)備散熱面接觸的為主散熱面。需要將光模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到主散熱面上。

傳統(tǒng)的COB 結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，PCB 內(nèi)部采用密集銅過(guò)孔作為熱量傳導(dǎo)的媒介，將PCB 正面功率器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到PCB 背面， 通過(guò)接觸的方式再將熱量傳導(dǎo)到模塊殼體上。通過(guò)集成多通道光路的光學(xué)透鏡組實(shí)現(xiàn)外部與光模塊內(nèi)部光芯片的光路互連。光模塊對(duì)外的電路連接接口則依靠PCB 一端延伸出模塊殼體內(nèi)腔部分上所設(shè)置的條形金手指焊盤來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)方案會(huì)存在如下問(wèn)題：（1）散熱銅過(guò)孔的密度受PCB 打孔密度的限制，其導(dǎo)熱系數(shù)有限，通常為10 W/m · K 左右；（2）密集的散熱銅過(guò)孔會(huì)侵占PCB內(nèi)部的走線空間，影響PCB 走線密度，降低PCB 的集成度；（3）PCB 背面為了與殼體良好接觸傳熱，需要設(shè)置大面積銅皮，同樣會(huì)侵占PCB 背面的走線空間，降低PCB 的集成度；（4）光模塊對(duì)外的電信號(hào)接口布置在PCB 一端，引腳總數(shù)量有限，不利于更大規(guī)模通道數(shù)的集成。

圖1 傳統(tǒng)COB 光模塊結(jié)構(gòu)示意

2 并行多通道光模塊新型集成結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究了一種具有高效散熱能力與高集成度的多通道光模塊新集成結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具備高效的內(nèi)部熱量導(dǎo)出能力，同時(shí)不會(huì)侵占PCB 內(nèi)部與表面的布線空間，更多的電信號(hào)引腳，從而適應(yīng)更多通道數(shù)的光模塊集成。

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)殼體散熱的新型結(jié)構(gòu)如圖2所示，功率器件300 被置于絕緣高導(dǎo)熱塊800 上。絕緣高導(dǎo)熱塊800 采用高導(dǎo)熱的陶瓷材料——AlN 陶瓷、SiC 陶瓷或者BeO 陶瓷。絕緣高導(dǎo)熱塊800 背面的功率器件300 安裝區(qū)域加工有金屬化焊盤。功率器件300 與絕緣高導(dǎo)熱塊800 之間采用AuSn 共晶焊接或者高導(dǎo)熱Ag 膠粘接的方式固定在一起。

圖2 新型散熱結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)示意

光模塊外殼500 被加工成階梯狀，PCB 板200a 安裝在光模塊外殼500 較深的腔面上。絕緣高導(dǎo)熱塊800 一部分置于PCB 板200 上，另一部分置于光模塊外殼500 較淺的腔面上。絕緣高導(dǎo)熱塊800 正面與光模塊外殼500 重疊的區(qū)域加工有金屬化焊盤。光模塊外殼500 表面進(jìn)行可焊接的電鍍處理（如鍍鎳）。絕緣高導(dǎo)熱塊800 與光模塊外殼500 之間通過(guò)添加SnPb 焊料進(jìn)行釬焊連接。絕緣高導(dǎo)熱塊800 與PCB 板200a 之間通過(guò)高強(qiáng)度的絕緣膠水進(jìn)行粘接固定。

PCB 板200b 背面加工有點(diǎn)陣式焊盤陣列2001 作為光模塊對(duì)外的電信號(hào)引腳。光模塊外殼100 需要在點(diǎn)陣式焊盤陣列2001 對(duì)應(yīng)位置開窗，使得點(diǎn)陣式焊盤陣列2001 能夠外露。功率器件300 與PCB 板200a 之間通過(guò)金絲300a 鍵合的方式實(shí)現(xiàn)電路連接。PCB 板200a 與PCB 板200b 之間通過(guò)柔性PCB 板200c 實(shí)現(xiàn)電路的柔性互連。

用來(lái)實(shí)現(xiàn)光模塊內(nèi)部光芯片（包含在功率器件內(nèi)）與光纖之間光路互連的光學(xué)元件可采用集成多通道光路的光學(xué)透鏡組600 或多通道光纖陣列900.若采用光學(xué)透鏡組600，其安裝面可以根據(jù)絕緣高導(dǎo)熱塊800 的厚度設(shè)計(jì)成階梯狀。安裝時(shí)采用高強(qiáng)度膠水粘接，部分裝于絕緣高導(dǎo)熱塊800 上，另一部分安裝在PCB 板200a 上。若采用多通道光纖陣列900，直接將多通道光纖陣列900安裝在絕緣高導(dǎo)熱塊800上，可采用高強(qiáng)度膠水粘接或者焊接的方式。

2.2 電信號(hào)引出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，光模塊所有需要對(duì)外進(jìn)行電連接的電路網(wǎng)絡(luò)通過(guò)PCB 板200 內(nèi)部的電路走線與PCB 板200 背面的點(diǎn)陣式焊盤陣列2001 相連。安裝光模塊的PCB 母板20 在其正面（點(diǎn)陣式焊盤陣列2001 的投影區(qū)域）設(shè)置一一映射的安裝點(diǎn)陣式焊盤陣列201。點(diǎn)陣式焊盤陣列2001 與點(diǎn)陣式焊盤陣列201 之間通過(guò)兩側(cè)帶陣列式金屬簧片10a 的電連接器10 實(shí)現(xiàn)電連接。電連接器10 正反面對(duì)應(yīng)位置的金屬簧片10a 在電路上為導(dǎo)通關(guān)系。需要注意的是，光模塊殼體100 開窗區(qū)域的厚度h 應(yīng)小于電連接器10 兩側(cè)金屬簧片10a 未壓縮時(shí)的厚度。通過(guò)電連接器10 兩側(cè)金屬簧片10a 壓縮變形，以確保金屬簧片10a 與點(diǎn)陣式焊盤陣列2001 以及201 之間的可靠連接。

圖3 電信號(hào)引腳結(jié)構(gòu)

PCB 板200 背面的點(diǎn)陣式焊盤陣列布局如圖4所示，所有焊盤在水平與垂直方向均按照固定的焊盤間距呈點(diǎn)陣排布。黑色填充的焊盤為光模塊對(duì)外的高速差分信號(hào)對(duì)。其中，2001p 為差分信號(hào)對(duì)中的正向端，2001n 為差分信號(hào)對(duì)中的反向端。高速差分信號(hào)對(duì)的數(shù)量與光模塊集成的通道數(shù)相對(duì)應(yīng)。未填充的圓形焊盤2001ref 主要為地引腳以及少量的電源引腳和其他低速信號(hào)引腳。

圖4 點(diǎn)陣式焊盤布局

各個(gè)差分信號(hào)對(duì)呈交錯(cuò)排布。差分信號(hào)對(duì)之間需要采用地引腳2001ref 進(jìn)行分隔，以確保各對(duì)差分信號(hào)間不會(huì)發(fā)生串?dāng)_。本文以20×10 的焊盤點(diǎn)陣為例，所示的200 個(gè)焊盤最多可布置50 個(gè)高速差分信號(hào)對(duì)，即滿足光模塊內(nèi)集成50個(gè)通道的電引腳需求。

為防止信號(hào)從地引腳焊盤的空隙中泄露出去，以確保差分信號(hào)對(duì)之間良好的隔離度，焊盤間距應(yīng)滿足一定要求。焊盤間距應(yīng)盡量小，最大不超過(guò)高速差分信號(hào)工作波長(zhǎng)的1/2。如果光模塊要獲得更好的電磁兼容性能，應(yīng)不超過(guò)高速差分信號(hào)工作波長(zhǎng)的1/20。同時(shí)，為了獲取更好的高速信號(hào)傳輸性能，焊盤以及焊盤上信號(hào)過(guò)孔的直徑應(yīng)盡量小且短，以減小焊盤與過(guò)孔的寄生電容以及過(guò)孔的寄生電感。

需要說(shuō)明的是，本圖示主要用于說(shuō)明點(diǎn)陣式焊盤陣列2001 的排布設(shè)置規(guī)則，為了方便舉例，圖示中使用了圓形焊盤。除圓形焊盤外，還可使用矩形焊盤、平行四邊形焊盤、狗骨頭狀焊盤、淚滴形焊盤等焊盤形狀及其變形。

3 應(yīng)用實(shí)例與測(cè)試結(jié)果

本文采用上述具有高效散熱能力與高集成度的多通道光模塊新集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款并行24 通道的光收發(fā)模塊產(chǎn)品。該模塊采用了圖2所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光路耦合部分采用了集成多通道透鏡組，電信號(hào)引出結(jié)構(gòu)采用了200pin 金屬簧片連接器。模塊尺寸小于25 mm×21 mm×8 mm，單通道數(shù)率為10.315 Gbps，模塊總功耗為2.4 W，實(shí)物照片如圖5所示。

圖5 基于新結(jié)構(gòu)開發(fā)的24 通道的光收發(fā)模塊

由于采用了絕緣高導(dǎo)熱塊作為主要的散熱媒介，功率器件產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)絕緣高導(dǎo)熱塊直接傳導(dǎo)到光模塊殼體上。絕緣高導(dǎo)熱塊具有高導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)，其導(dǎo)熱系數(shù)最高可達(dá)270 W/m·K 以上（AlN 陶瓷為170-200 W/m·K，BeO陶瓷約為270 W/m·K，SiC 陶瓷約為83 W/m·K），遠(yuǎn)超傳統(tǒng)COB 方案中PCB 內(nèi)部密集銅過(guò)孔的散熱能力，可以高效導(dǎo)出光模塊內(nèi)部功率器件產(chǎn)生的熱量。由于極大提升了光模塊的散熱能力，特別適合集成更多通道數(shù)的高速光模塊。更好的散熱能力可以降低光模塊內(nèi)部芯片（特別是激光器芯片）的工作溫度，從而延長(zhǎng)光模塊的使用壽命，并且可以擴(kuò)展光模塊的使用溫度范圍。

將該模塊在高溫環(huán)境下進(jìn)行散熱壓力測(cè)試，當(dāng)模塊殼溫70℃時(shí)，其回環(huán)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由測(cè)試結(jié)果可知，對(duì)于PRBS 31 碼型，該模塊在高溫下速率為10.312 5 Gbps，且回環(huán)測(cè)試誤碼率優(yōu)于10-12 時(shí)的靈敏度優(yōu)于-11 dBm。說(shuō)明模塊散熱能力良好，在殼溫70 ℃的高溫工作條件下，性能指標(biāo)未出現(xiàn)劣化。

圖6 24 通道光收發(fā)模塊殼溫70 ℃壓力測(cè)試結(jié)果

由于新結(jié)構(gòu)未采用傳統(tǒng)方案中的密集銅過(guò)孔散熱結(jié)構(gòu)，PCB 板無(wú)需犧牲內(nèi)部以及背面的布線空間。同時(shí)，由于絕緣高導(dǎo)熱塊并不導(dǎo)電，同樣不影響PCB 板正面與其重疊區(qū)域的表面布線。即PCB 板全部表面區(qū)域與內(nèi)部空間均可用于電路布線。可以帶來(lái)如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）PCB 板走線更為靈活，設(shè)計(jì)更為方便；（2）同樣尺寸的PCB 板可以擁有理論上最大的布線密度，從而提升光模塊的電路集成水平，適用于光模塊集成更多的通道數(shù)；（3）由于布線靈活，可以方便的將所有的電路網(wǎng)絡(luò)連接到PCB 板背面的點(diǎn)陣式焊盤陣列，從而用點(diǎn)陣式焊盤陣列實(shí)現(xiàn)光模塊所有的對(duì)外電信號(hào)引腳。點(diǎn)陣式的焊盤陣列密度可根據(jù)PCB 板的加工能力靈活調(diào)整。以0.8 mm 的點(diǎn)陣間距為例，在PCB 板背面15.2 mm×7.2 mm 的區(qū)域內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)200 個(gè)（20×10）引腳的點(diǎn)陣式焊盤陣列?？梢詽M足最多集成50 通道的光模塊對(duì)外電信號(hào)接口，而采用傳統(tǒng)方案的40 G 以及100 G 光模塊集成的通道數(shù)僅為8 個(gè)（4 收4 發(fā)）。

4 結(jié) 論

本文對(duì)并行多通道光模塊的集成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比研究，指出了基于傳統(tǒng)COB 結(jié)構(gòu)的并行光模塊面臨的技術(shù)問(wèn)題。提出了一種新型并行多通道光模塊的集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，可有效提升并行多通道光模塊的散熱能力與集成度。實(shí)際應(yīng)用該新型集成結(jié)構(gòu)開發(fā)的24 通道光收發(fā)模塊通過(guò)了高溫壓力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該集成結(jié)構(gòu)具有良好的散熱能力與高集成度，可廣泛應(yīng)用于高密度集成的高速并行光模塊設(shè)計(jì)中。