有限元熱分析在光模塊監控溫度的運用

文 莉

(成都理工大學 四川 成都 610059)

有限元原理介紹

有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)，采用數學近似的方法對真實的物理系統進行模擬，是用交簡單問題來代替復雜的問題然后求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件)，從而得到問題的解。

有限元軟件介紹

本文用的有限元軟件是ANSYS，ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的通用有限元分析軟件。該軟件的應用方面廣泛，能實現電子設備的互聯、簡化復雜流體動力學工程問題以及基于模型的系統和嵌入式軟件開發。ANSYS分析類型多樣，本文主要涉及熱分析，程序可處理熱傳遞的三種基本類型，包括傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可以進行穩態分析、瞬態分析和非線性分析。

光模塊原理介紹

光模塊是進行光電和電光轉換的光電子器件，光模塊的發送端把電信號轉換為電信號，經過光纖傳輸到接收端，接收端把光信號轉為電信號。該光模塊指可插拔的小型封裝光模塊，主要運用在交換機或者路由器設備中，將設備中的電信號轉換為光信號，通過光纖傳輸出去，同時接收端可以接受外部一根光纖發射過來的光信號轉換成電信號，輸入到設備。

本文涉及是以SFP+結構封裝、10G速率波長為1310nm的光模塊為主。光模塊里面有一個主要組成部分就是數字診斷功能(DDM,Digital Diagnostic Monitoring),數字診斷功能遵循SFF-8472多源協議。SFF-8472是一個光學器件數字監控方面的多源協議，主要是為光模塊生產廠商和網絡設備制造商定義種參考框架，因此不同的光模塊生廠商和網絡設備制造商生產的產品可以進行相互連接等操作。通過該功能，網絡管理單元可以實時監控光模塊的各個參數，例如模塊工作電壓、溫度、接受光功率和發射光功率，激光器偏置電流。

DDM(DDM,Digital Diagnostic Monitoring)

數字診斷功能(DDM)讀取模塊電壓、溫度、接受光功率和發射光功率，激光器偏置電流這五個監控量參數是經過A/D轉換將模擬量轉為數字量，通過內部校準或者外部校準將監測得到的校準值或者外部校準系數寫入內存中。在內部校準和外部校準中時常會出現誤差較大的情況，這是需要通過熱分析來準確了解模塊外部以及內部溫度的具體變化。

熱分析原理介紹

一般而言,熱分析可分為穩態熱分析和瞬態熱分析兩種。其中,溫度場隨時間而發生變化的傳熱過程稱為瞬態傳熱,反之則為穩態傳熱。在進行瞬態熱分析以前,通常需要通過穩態熱分析來確定初始溫度分布;而對于一個從瞬態逐漸過渡到穩態的傳熱問題,則將穩態熱分析作為瞬態熱分析的最后一步工作,用以確定系統在穩態時所處的狀態。[1]

據能量守恒原理,上述兩種情況的熱平衡方程可以矩陣形式統一表達為

[C(T)]{T}+[K(T)]{T}=[Q(T)]

式中[K(T)]-傳導矩陣，包括導熱系數、對流系數及輻射率和形狀系數;[C(T)]——比熱矩陣,考慮系統內能的增加;{T}——節點溫度向量；{T}——溫度對時間的導數；[Q(T)]——節點熱流率向量,包含熱生成。

當物體的材料參數K(T)，C(T)不隨著溫度的變化而變化，即二者分別為 K和 C時,上式即為系統穩態熱分析表達式。

模塊的有限元熱分析模型

根據光模塊的封裝結構，主要將光模塊外分為兩個部分：外殼和內部PCB結構。PCB位于殼體中，懸空于底座上，同時PCB上部分離上部分殼體距離1mm。各個芯片和元器件通過布局處于PCB上。為了校準DDM中的溫度是否與真實溫度相近，將該光模塊的模型分別處于不同溫度下對發熱情況進行分析。.

假設芯片的發熱功率為1W，環境溫度設定為-5℃、25℃和70℃。用ansys軟件分析在這三種設定溫度下的殼體、PCB和芯片的溫度分布，再將這三部分的溫度與光模塊在-5℃、25℃和70℃三種環境溫度下正常工作時的DDM 反應的溫度進行比較，觀察溫度是否出現較大的偏差。

表1為外殼、PCB及芯片的相關的特征參數，如導熱系數、導電系數以及柏松比等。

表1 不同材料的特征參數

表1為芯片的發熱功率為1W，環境溫度設定為25℃。不同材料的特征參數，同時也要計算和查找出三種材料屬性在-5℃和70℃情況下的參數特征列出相似表格。

結果分析

在Ansys中建模熱分析后，三種情況的溫度分布以及反映的情況會通過計算處理得出，將最后的圖片和數據給予響應的整理，制作出圖形表格，尤其是芯片的溫度情況分布。光模塊的工作性能在高溫的要求是相對要高的，因為集成電路不斷地微型化和電子封裝密度的不斷提高，單位體積內容易產生更大的熱量。電路板在使用中會發熱使溫度升高，當溫度過高時，會引起自身或相關設備的損壞或惡化使用環境，失效率增加;發熱還可能引起電路板熱變形，如果封裝材料間熱膨脹系數不匹配，還會導致焊錫開裂導致電路失效。因此在設計階段需要了解其工作條件下溫度場分布及發熱變形情況，以便針對性地設置散熱條件，保證電路板正常工作。[3]

在正常的工作狀態下，將光模塊置于溫箱中，分別在-5℃、25℃和70℃溫度穩定下，光模塊的工作穩定的條件下，通過軟件觀察模塊DDM反映的溫度，同時注意工作電壓、接受光功率和發射光功率，激光器偏置電流是否處于正常的工作范圍內，在這三種溫度下，這些參數變化是否過大。因為這些參數會直接反映模塊的工作狀態，可及時做出解決方案。將這三種溫度下溫度的具體數據，該數據與有限元熱分析的數據做出對比。

結論

在熱分析的理論基礎上和通過Ansys軟件來觀察光模塊中無論是殼體還是內部PCB、芯片的溫度分布，了解到了光模塊的各個部分的發熱情況，溫度的具體分布，該實驗會給在具體布局和器件的材料選擇提供有用的幫助，該分析出來的數據和DDM中的數據直觀的對比，通常使用光模塊的廠家主要注重光模塊殼體的溫度與DDM中反映的數據做對比來進行校準，從而會忽略芯片的真實溫度，這樣的情況就會導致校準不夠準確，誤差較大，本文做的有限元熱分析將芯片和PCB的溫度都考慮進去，將溫度的更細致的變化和分布有涉及到。但是本文涉及的實驗分析還不夠完善，電路中元器件相互影響的發熱情況沒能排除，將會在之后的項目中完成。