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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：3881

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(hào)轉(zhuǎn)換的光模塊，在現(xiàn)代高速通信系統(tǒng)占據(jù)著越來越重要的地位。作為其電氣聯(lián)通作用的PCB主板，由于大數(shù)據(jù)高速傳輸、散熱、表面貼裝以及熱插拔的要求，其設(shè)計(jì)工藝上與普通PCB存在一些區(qū)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(shè)計(jì)，光模塊封裝采用高導(dǎo)熱材料輔助散熱（見圖1）。

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1 光模塊PCB疊構(gòu)設(shè)計(jì)和制作流程
光模塊發(fā)展至今，PCB基本采用HDI結(jié)構(gòu)，無論是機(jī)械盲孔HDI，還是鐳射盲孔HDI，或者軟硬結(jié)合板+HDI。根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)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(duì)機(jī)械盲孔疊構(gòu)和常規(guī)HDI結(jié)構(gòu)有大致兩種不同的制作流程，分別如下。
（1）機(jī)械盲孔結(jié)構(gòu)一般2+2、4+4、2+2+2、4+2+2，少數(shù)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)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(nèi)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(guī)HDI，一般1到4階HDI，層數(shù)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(huán)完成增層）→壓合→鐳射→機(jī)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(shè)計(jì)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題，實(shí)現(xiàn)手段有所不同。光模塊目前主流有長短金手指和分級(jí)金手指兩類。印制插頭制作流程含5次圖形轉(zhuǎn)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(xì)節(jié)流程此處不做詳細(xì)討論，各家公司制作方式大同小異。
2 光模塊金手指設(shè)計(jì)
光模塊多采用長短金手指和分級(jí)印制插頭，而很少用傳統(tǒng)等長印制插頭設(shè)計(jì)，主要是金手指作為高速信號(hào)的電接口，具有信號(hào)和供電兩種不同定義的針腳，供電針腳比數(shù)據(jù)針腳長，保證先通電再通數(shù)據(jù)，先斷數(shù)據(jù)再斷電。如果電源沒上電，IO先連接上了，同時(shí)有數(shù)據(jù)進(jìn)來，有可能導(dǎo)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(duì)應(yīng)的PCB電接口均為長短印制插頭或者分級(jí)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(duì)，一共有16組差分對(duì)，每個(gè)差分對(duì)支持25 G的NRZ信號(hào)，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(shí)際的電接口定義中并沒有分級(jí)印制插頭，分級(jí)印制插頭作為電接口的可選項(xiàng)，對(duì)于機(jī)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(yīng)，尤其是高速電接口，無論對(duì)于高階顯卡、GPU加速卡，還是光模塊產(chǎn)品，印制插頭對(duì)應(yīng)位置的所有內(nèi)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(shí)對(duì)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(nèi)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(duì)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(duì)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(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)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(fù)雜度，行業(yè)已有PCB廠商采用，但由于化金和鎳鈀金的金厚比較薄，對(duì)于過程管理要求比較嚴(yán)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(fù)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(shí)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(shù)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(duì)于降低整體成本大有裨益（見表1）。


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4 根據(jù)光模塊設(shè)計(jì)延伸出相應(yīng)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(duì)應(yīng)級(jí)別材料，單純高Tg板材設(shè)計(jì)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、氣泡等問題。當(dāng)采用樹脂塞孔+表面電鍍技術(shù)來解決光模塊skip via表觀平整度問題時(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）兩次填孔來達(dá)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(duì)信賴性有一定影響。故一般不建議采用skip via設(shè)計(jì)，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(biāo)示為散熱位置）。一般熱管理通過三個(gè)途徑解決：降耗、導(dǎo)熱、布局。降耗是減少熱量產(chǎn)生；導(dǎo)熱是把熱量導(dǎo)走，不產(chǎn)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(qiáng)對(duì)流方式降溫，主要采用導(dǎo)熱方式，分外部導(dǎo)熱和內(nèi)部導(dǎo)熱，內(nèi)部導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)、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，芯片熱量無法及時(shí)傳到主散熱面，想要解決光模塊散熱問題，導(dǎo)熱和散熱都必須要滿足條件。下表為不同散熱處理?xiàng)l件下芯片平衡狀態(tài)溫度測試結(jié)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(dǎo)熱材料，如導(dǎo)熱硅膠片，以其高導(dǎo)熱系數(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)如下，光模塊PCB大部分的散熱都是基于材料技術(shù)的散熱來完成，銅具有高導(dǎo)熱，相對(duì)低成本， 和PCB兼容性等優(yōu)點(diǎn)，所以光模塊PCB散熱優(yōu)先采用銅來散熱。紫銅導(dǎo)熱系數(shù)400 W/m.K，一般電鍍銅接近350 W/m.K左右，銅漿導(dǎo)熱系數(shù)在8-10 W/m.K（銅漿內(nèi)含很多樹脂成分），以下為常見材料導(dǎo)熱系數(shù)（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(shè)計(jì)成ELIC，通過每層填盲孔疊加成柱狀來散熱。
（1）對(duì)于埋銅塊設(shè)計(jì)的光模塊PCB，在對(duì)應(yīng)層次將PP和基板開窗，壓合將銅塊埋入PCB，埋置在內(nèi)層一般為規(guī)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(nèi)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(dǎo)出。由于光模塊本身尺寸很小，光電轉(zhuǎn)換芯片對(duì)應(yīng)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(dòng)，壓合操作難度大，影響作業(yè)效率。同時(shí)銅塊相對(duì)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(xiàn)為熱應(yīng)力變差。另外，埋銅塊設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)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(fā)展很多年，目前相對(duì)埋銅塊的成本更低、可加工性和信賴性更優(yōu)，導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)埋銅塊低很多，但是對(duì)于PCB散熱主要瓶頸在樹脂，采用塞孔銅漿導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)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(duì)壓合的產(chǎn)能無影響，比埋銅塊更利于產(chǎn)業(yè)化（見圖12）。

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（3）根據(jù)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，光模塊本身設(shè)計(jì)為ELIC，則可以在PCB芯片位置鋪設(shè)大片銅，并將每層通過盲孔接續(xù)，ELIC結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)成本高，制作周期長，除非布線密度非常高，使得該P(yáng)CB必須采用ELIC設(shè)計(jì)時(shí)，散熱區(qū)域可以采用相似ELIC結(jié)構(gòu)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(shù)誕生于半導(dǎo)體電鍍行業(yè)，后經(jīng)改良，將此技術(shù)運(yùn)用于高散熱高信賴性要求的PCB上，相對(duì)于半導(dǎo)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（見圖14）。

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通孔填孔與盲孔填孔的機(jī)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(dāng)于通孔內(nèi)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(nèi)部，利用這種原理就會(huì)從通孔內(nèi)的中央部（低電位部）優(yōu)先析出鍍層。如果貫通孔內(nèi)的中央部優(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(shù)條件苛刻，效率太低，一般需要6~8小時(shí)或者更長時(shí)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(jīng)測試小孔≤0.25 mm，縱橫比2~4比較容易實(shí)現(xiàn)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(yán)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（見圖16）。

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6 總結(jié)

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(fā)展，對(duì)應(yīng)PCB的集成度更高，由于光模塊PCB是基于銅材質(zhì)的信號(hào)傳輸，最大速率受到限制，所以在大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換上對(duì)應(yīng)多個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)光模塊PCB的一個(gè)差分信號(hào)對(duì)。越高的傳輸速率對(duì)應(yīng)于越多的差分信號(hào)對(duì)，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(chǎn)生更多的熱量，而光模塊激光器的光譜熱漂移效應(yīng)，直接決定其是否有效工作，散熱問題直接關(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(jié)約耗能；
（2）PCB采用高導(dǎo)熱材料和設(shè)計(jì)高效的散熱路徑；
（3）從光模塊封裝技術(shù)上解決散熱問題，例如散熱膏，散熱通道，殼體散熱設(shè)計(jì)等。PCB作為光模塊構(gòu)件,其散熱技術(shù)，在100 G以上光模塊的應(yīng)用會(huì)越來越多。




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