有限元热分析在光模块监控温度的运用

文 莉

(成都理工大学 四川 成都 610059)

有限元原理介绍

有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)，采用数学近似的方法对真实的物理系统进行模拟，是用交简单问题来代替复杂的问题然后求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。

有限元软件介绍

本文用的有限元软件是ANSYS，ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的通用有限元分析软件。该软件的应用方面广泛，能实现电子设备的互联、简化复杂流体动力学工程问题以及基于模型的系统和嵌入式软件开发。ANSYS分析类型多样，本文主要涉及热分析，程序可处理热传递的三种基本类型，包括传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可以进行稳态分析、瞬态分析和非线性分析。

光模块原理介绍

光模块是进行光电和电光转换的光电子器件，光模块的发送端把电信号转换为电信号，经过光纤传输到接收端，接收端把光信号转为电信号。该光模块指可插拔的小型封装光模块，主要运用在交换机或者路由器设备中，将设备中的电信号转换为光信号，通过光纤传输出去，同时接收端可以接受外部一根光纤发射过来的光信号转换成电信号，输入到设备。

本文涉及是以SFP+结构封装、10G速率波长为1310nm的光模块为主。光模块里面有一个主要组成部分就是数字诊断功能(DDM,Digital Diagnostic Monitoring),数字诊断功能遵循SFF-8472多源协议。SFF-8472是一个光学器件数字监控方面的多源协议，主要是为光模块生产厂商和网络设备制造商定义种参考框架，因此不同的光模块生厂商和网络设备制造商生产的产品可以进行相互连接等操作。通过该功能，网络管理单元可以实时监控光模块的各个参数，例如模块工作电压、温度、接受光功率和发射光功率，激光器偏置电流。

DDM(DDM,Digital Diagnostic Monitoring)

数字诊断功能(DDM)读取模块电压、温度、接受光功率和发射光功率，激光器偏置电流这五个监控量参数是经过A/D转换将模拟量转为数字量，通过内部校准或者外部校准将监测得到的校准值或者外部校准系数写入内存中。在内部校准和外部校准中时常会出现误差较大的情况，这是需要通过热分析来准确了解模块外部以及内部温度的具体变化。

热分析原理介绍

一般而言,热分析可分为稳态热分析和瞬态热分析两种。其中,温度场随时间而发生变化的传热过程称为瞬态传热,反之则为稳态传热。在进行瞬态热分析以前,通常需要通过稳态热分析来确定初始温度分布;而对于一个从瞬态逐渐过渡到稳态的传热问题,则将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步工作,用以确定系统在稳态时所处的状态。[1]

据能量守恒原理,上述两种情况的热平衡方程可以矩阵形式统一表达为

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

式中[K(T)]-传导矩阵，包括导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;[C(T)]——比热矩阵,考虑系统内能的增加;{T}——节点温度向量；{T}——温度对时间的导数；[Q(T)]——节点热流率向量,包含热生成。

当物体的材料参数K(T)，C(T)不随着温度的变化而变化，即二者分别为 K和 C时,上式即为系统稳态热分析表达式。

模块的有限元热分析模型

根据光模块的封装结构，主要将光模块外分为两个部分：外壳和内部PCB结构。PCB位于壳体中，悬空于底座上，同时PCB上部分离上部分壳体距离1mm。各个芯片和元器件通过布局处于PCB上。为了校准DDM中的温度是否与真实温度相近，将该光模块的模型分别处于不同温度下对发热情况进行分析。.

假设芯片的发热功率为1W，环境温度设定为-5℃、25℃和70℃。用ansys软件分析在这三种设定温度下的壳体、PCB和芯片的温度分布，再将这三部分的温度与光模块在-5℃、25℃和70℃三种环境温度下正常工作时的DDM 反应的温度进行比较，观察温度是否出现较大的偏差。

表1为外壳、PCB及芯片的相关的特征参数，如导热系数、导电系数以及柏松比等。

表1 不同材料的特征参数

表1为芯片的发热功率为1W，环境温度设定为25℃。不同材料的特征参数，同时也要计算和查找出三种材料属性在-5℃和70℃情况下的参数特征列出相似表格。

结果分析

在Ansys中建模热分析后，三种情况的温度分布以及反映的情况会通过计算处理得出，将最后的图片和数据给予响应的整理，制作出图形表格，尤其是芯片的温度情况分布。光模块的工作性能在高温的要求是相对要高的，因为集成电路不断地微型化和电子封装密度的不断提高，单位体积内容易产生更大的热量。电路板在使用中会发热使温度升高，当温度过高时，会引起自身或相关设备的损坏或恶化使用环境，失效率增加;发热还可能引起电路板热变形，如果封装材料间热膨胀系数不匹配，还会导致焊锡开裂导致电路失效。因此在设计阶段需要了解其工作条件下温度场分布及发热变形情况，以便针对性地设置散热条件，保证电路板正常工作。[3]

在正常的工作状态下，将光模块置于温箱中，分别在-5℃、25℃和70℃温度稳定下，光模块的工作稳定的条件下，通过软件观察模块DDM反映的温度，同时注意工作电压、接受光功率和发射光功率，激光器偏置电流是否处于正常的工作范围内，在这三种温度下，这些参数变化是否过大。因为这些参数会直接反映模块的工作状态，可及时做出解决方案。将这三种温度下温度的具体数据，该数据与有限元热分析的数据做出对比。

结论

在热分析的理论基础上和通过Ansys软件来观察光模块中无论是壳体还是内部PCB、芯片的温度分布，了解到了光模块的各个部分的发热情况，温度的具体分布，该实验会给在具体布局和器件的材料选择提供有用的帮助，该分析出来的数据和DDM中的数据直观的对比，通常使用光模块的厂家主要注重光模块壳体的温度与DDM中反映的数据做对比来进行校准，从而会忽略芯片的真实温度，这样的情况就会导致校准不够准确，误差较大，本文做的有限元热分析将芯片和PCB的温度都考虑进去，将温度的更细致的变化和分布有涉及到。但是本文涉及的实验分析还不够完善，电路中元器件相互影响的发热情况没能排除，将会在之后的项目中完成。