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光模塊PCB技術(shù)和熱管理探究

作者:handler    發(fā)布時(shí)間:2021-02-03 19:14    瀏覽量:3569

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(zhù)越來(lái)越重要的地位。作為其電氣聯(lián)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(jiàn)圖1)。

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1 光模塊PCB疊構設計和制作流程
光模塊發(fā)展至今,PCB基本采用HDI結構,無(wú)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(chēng)結構如2+4或2+6,流程如下(可參見(jiàn)圖2)。

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2+2:開(kāi)料→埋鉆→電鍍→樹(shù)脂塞孔→線(xiàn)路→壓合→鉆孔→電鍍(部分有樹(shù)脂塞孔+cap電鍍)→線(xiàn)路→防焊→文字→表面處理→成型==》測試→FQC;
4+4:開(kāi)料→內層→壓合→埋鉆→電鍍→樹(shù)脂塞孔→線(xiàn)路→壓合→鉆孔→電鍍→(部分有樹(shù)脂塞孔+CAP電鍍)→研磨拋光→線(xiàn)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(kāi)料→埋鉆→電鍍→樹(shù)脂塞孔或銅漿塞孔→CAP電鍍→線(xiàn)路→壓合→鐳射→填孔→線(xiàn)路(壓合、鐳射、填孔、線(xiàn)路流程多次循環(huán)完成增層)→壓合→鐳射→機械鉆孔→填孔→研磨拋光→線(xiàn)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(huì )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(wèn)題,實(shí)現手段有所不同。光模塊目前主流有長(cháng)短金手指和分級金手指兩類(lèi)。印制插頭制作流程含5次圖形轉移:外層線(xiàn)路一次,防焊曝光一次,鍍印制插頭一次,蝕刻引線(xiàn)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(cháng)短金手指和分級印制插頭,而很少用傳統等長(cháng)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(cháng),保證先通電再通數據,先斷數據再斷電。如果電源沒(méi)上電,IO先連接上了,同時(shí)有數據進(jìn)來(lái),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(cháng)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(gè)差分對支持25 G的NRZ信號,最大可以傳輸400 G帶寬,較長(cháng)的金手指均為電源和地層(見(jiàn)圖3)。

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實(shí)際的電接口定義中并沒(méi)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(jiàn)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(wú)論對于高階顯卡、GPU加速卡,還是光模塊產(chǎn)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(xiàn)之間的阻抗差值,同時(shí)對ESD也有好處。如下圖所示的光模塊產(chǎn)品,印制插頭的位置只有兩個(gè)外層有銅,內層沒(méi)有銅分布(見(jiàn)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(wú)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(shí)際情況將暴露的部分高速傳輸線(xiàn)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(yè)已有PCB廠(chǎng)商采用,但由于化金和鎳鈀金的金厚比較薄,對于過(guò)程管理要求比較嚴苛(見(jiàn)圖6)。

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也可以將所有開(kāi)窗位置全部做鎳鈀金,縮短整體流程的復雜程度,提升外觀(guān)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(shí)際鍍金過(guò)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(chǎng)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(jiàn)表1)。


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4 根據光模塊設計延伸出相應的技術(shù)工藝
光模塊產(chǎn)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(jīng)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(wèn)題,缺點(diǎn)是盲孔縱橫比高,填孔難度大,孔型不好電鍍填孔容易產(chǎn)生蟹腳、氣泡等問(wèn)題。當采用樹(shù)脂塞孔+表面電鍍技術(shù)來(lái)解決光模塊skip via表觀(guān)平整度問(wèn)題時(shí),增加的塞孔和電鍍流程反倒會(huì )增加成本。如果采用大盲孔(6~8mil)兩次填孔來(lái)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(huì )有少量氣泡存在,對信賴(lài)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(jiàn)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(jiàn)圖8(白圈標示為散熱位置)。一般熱管理通過(guò)三個(gè)途徑解決:降耗、導熱、布局。降耗是減少熱量產(chǎn)生;導熱是把熱量導走,不產(chǎn)生影響;布局是熱沒(méi)散掉但通過(guò)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(yōu)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(diǎn)在于子母板或單板時(shí),發(fā)熱量大的元件在底部,芯片熱量無(wú)法及時(shí)傳到主散熱面,想要解決光模塊散熱問(wèn)題,導熱和散熱都必須要滿(mǎn)足條件。下表為不同散熱處理條件下芯片平衡狀態(tài)溫度測試結果(見(jiàn)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(jiàn)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(shù)的散熱來(lái)完成,銅具有高導熱,相對低成本, 和PCB兼容性等優(yōu)點(diǎn),所以光模塊PCB散熱優(yōu)先采用銅來(lái)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(shù)脂成分),以下為常見(jiàn)材料導熱系數(如圖10)。

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P C B 散熱技術(shù)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(guò)每層填盲孔疊加成柱狀來(lái)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(kāi)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(shí),會(huì )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(lèi)小尺寸銅塊壓合埋置過(guò)程容易晃動(dòng),壓合操作難度大,影響作業(yè)效率。同時(shí)銅塊相對位置歪斜,會(huì )影響壓合半固化片流動(dòng)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(shí)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(guān)良率(見(jiàn)圖11)。

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(2)銅漿塞孔也是解決散熱問(wèn)題的一大手段,銅漿材料發(fā)展很多年,目前相對埋銅塊的成本更低、可加工性和信賴(lài)性更優(yōu),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(shù)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(lèi)似于真空樹(shù)脂塞孔,且采用銅漿對壓合的產(chǎn)能無(wú)影響,比埋銅塊更利于產(chǎn)業(yè)化(見(jiàn)圖12)。

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(3)根據設計的經(jīng)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(guò)盲孔接續,ELIC結構在空間上等效于純銅的銅柱,大銅面通過(guò)銅柱從上到下形成散熱通道,類(lèi)似于圖13。這種設計成本高,制作周期長(cháng),除非布線(xiàn)密度非常高,使得該PCB必須采用ELIC設計時(shí),散熱區域可以采用相似ELIC結構來(lái)解決散熱問(wèn)題,一般不建議采用。

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(4)通孔填孔散熱:此技術(shù)誕生于半導體電鍍行業(yè),后經(jīng)改良,將此技術(shù)運用于高散熱高信賴(lài)性要求的PCB上,相對于半導體行業(yè)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(gè)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(jiàn)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(jìn)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(jìn)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(huì )從通孔內的中央部(低電位部)優(yōu)先析出鍍層。如果貫通孔內的中央部?jì)?yōu)先析出鍍層,那么從孔中心的的鍍層表面就會(huì )相碰延伸接觸,在通孔上下面上形成2個(gè)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(shí)或者更長(cháng)時(shí)間完成。PCB通孔填孔各步驟圖片如下(見(jiàn)圖15)。

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安美特通孔填孔電鍍搭橋條件如下,經(jīng)測試小孔≤0.25 mm,縱橫比2~4比較容易實(shí)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(guān)系。最佳藥水條件(見(jiàn)圖16)。

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6 總結

隨著(zhù)光模塊向小型化、低成本、低功耗、高速率、長(cháng)距離,熱插拔方向發(fā)展,對應PCB的成度更高,由于光模塊PCB是基于銅材質(zhì)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(gè)通道,每個(gè)通道對應光模塊PCB的一個(gè)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(xiàn)路的分布密度更高。如此高的布線(xiàn)密度和傳輸速率,意味著(zhù)光模塊在工作過(guò)程產(chǎn)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(wèn)題直接關(guān)系到光模塊核心部件的工作狀態(tài),解決方向:
(1)提升芯片制造技術(shù),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(shù)上解決散熱問(wèn)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(shù),在100 G以上光模塊的應用會(huì )越來(lái)越多。




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