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1、散熱設(shè)計（六）蝶型封裝模塊環(huán)境溫度對光耦合效率之影響評估 晨怡熱管 2006-10-2 1:29:47 日期:2005-11-6 23:41:56 來源:電子設(shè)計資源網(wǎng) 查看:[大 中 小] 作者：劉君愷 熱度： 本文研究重點主要針對蝶型封裝模塊（butterfly package module）之整體熱傳效應(yīng)對于雷射光耦合效應(yīng)之影響，做一初步之探討。 由前人的文獻得知，光通訊模塊之品質(zhì)，主要關(guān)鍵在于模塊封裝時之光纖精確對準(zhǔn)過程，但是當(dāng)模塊經(jīng)由精確的組裝程序完成之后，所要面對的即是長時間使用的壽命問題，這當(dāng)中影響使用壽命的關(guān)鍵因素，即是由于環(huán)境溫度變化所造成各組件變形與位移的

2、問題。 因此在本文中，使用商業(yè)軟件，進行仿真整個蝶型模塊之環(huán)境溫度場變化對于光纖套管變形量與光纖位移量之影響，并將模擬所得到之位移量，使用光學(xué)軟件進行評估耦光效率的變化。 前言 EDFA摻鉺光纖放大器 由于光纖通訊具有頻寬大、傳輸損耗低、不受電磁干擾等優(yōu)點，故已被廣泛運用在長距離傳輸而成為全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之骨干。一般而言，在光纖通訊網(wǎng)路中主要是以光纖作為傳遞信息的介質(zhì)，但是在整個光纖通訊網(wǎng)路中，尚須搭配其它光通訊組件來達到光訊號增強，衰減，分支與轉(zhuǎn)換的目的。例如，每一段光纖的分支需要靠光耦合器；而長距離傳遞光訊號造成訊號的衰弱，所以必須要靠光放大器將訊號做增強。到了最終端用戶，要靠

3、光收發(fā)模塊將光訊號轉(zhuǎn)換成為電訊號，才能將信息傳遞到計算機或者其它設(shè)備做進一步的處理與運用。 在光纖通訊中，具有光訊號放大能力的光放大器，最典型的是EDFA(Er-Doping Fiber Amplifier)，翻譯做摻鉺光纖放大器。如圖1所示，是一個典型的光放大器（EDFA）的示意圖，光的訊號經(jīng)由光放大器加以放大之后，可以傳送至更遠的距離。由圖中可知，高功率的幫浦雷射(Pump Laser)是EDFA(Erbium –doped fiber amplifiers)光放大器中的主要組件之一，由于未來光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，朝向高頻寬高效能，這需更高效能的光放大器來加以實現(xiàn)，因此，更高功率的幫浦雷射

4、的發(fā)展，成為光放大器的關(guān)鍵技術(shù)。 圖1：EDFA摻鉺光纖放大器示意圖 蝶型封裝模塊介紹 幫浦雷射（Pump laser）并無法單獨的操作，而是必須經(jīng)由封裝之后，才能展現(xiàn)其功能，目前幫浦雷射主要封裝型式為蝶型封裝（Butterfly Package）型式。 圖2為一典型的幫浦雷射模塊的示意圖，在當(dāng)中包含的組件有雷射二極管（LD）與其基座（LD-submount），光偵測器（PD）與其基座（PD-submount），熱敏電阻（thermistor），OSA基座(submount) ，光纖（fiber），光纖套管（ferrule），光纖夾持彈片（clip） ，支撐底座（s

5、ubstrate） ，熱電致冷器（TEC）與外殼（PKG）。 在蝶型封裝模塊中，LD依照所傳入的電訊號，轉(zhuǎn)換為光訊號后，經(jīng)由光纖發(fā)射出去，而為了使雷射光訊號有效的送入光纖之中，經(jīng)由主動對準(zhǔn)的方式，將光纖對準(zhǔn)LD的發(fā)射端，經(jīng)由雷射焊接方式，將光纖固定于clip上，并將clip固定于substrate上，如此便完成光纖定位的制程。光纖定位的精確度與耐用度，主要的關(guān)鍵在于clip外型的設(shè)計，材料的選用與焊接位置的選定（參考文獻1，2）。 另外，由于蝶形封裝模塊具有許多優(yōu)異的特性，例如：散熱良好，電磁干擾低的電氣特性，氣密性良好，長時間使用的穩(wěn)定性高，因此，也可以將蝶形模塊做為其它的光組件

6、的封裝形式，例如作為高速10Gbps或是更高速40Gbps，甚至80Gbps的光收發(fā)射模塊的封裝形式。 圖2：典型的幫浦雷射模塊示意圖 問題分析 當(dāng)我們將蝶形封裝模塊作為幫浦雷射的封裝時，主要的問題在于模塊本身的操作穩(wěn)定性，而影響模塊操作穩(wěn)定性的因素很多，包括模塊使用的材料，封裝制程，雷射焊接過程，固定組件的設(shè)計等等，當(dāng)然，最重要的還是溫度的影響。 因此，一個設(shè)計良好，組裝良好的蝶形模塊，必然受到溫度的影響會最小，因此， 一個設(shè)計好的模塊，最先要測試的便是溫度對影響的程度為何，如果還記溫度對模塊的變化已經(jīng)是不能忍受時，那么就需要修改模塊的設(shè)計。當(dāng)模塊通過溫度的測試之

7、后，才能面對后來的可靠度測試，以及耐久度測試等測試。 另外，要如何來界定溫度對于模塊的影響是否超過容許范圍呢？最主要的參考便是耦光效率η（Coupling Efficiency）的大小，耦光效率的計算如下： 因此，如果整個模塊經(jīng)過環(huán)境的溫度變化，其耦光效率η能夠維持一定的標(biāo)準(zhǔn)之上，那么整個模塊的設(shè)計才算合格。 接著，我們便將我們自行設(shè)計的模塊組件，經(jīng)過熱流分析軟件的仿真，以及光學(xué)模塊，來計算其耦光效率的變化程度，并判斷此設(shè)計是否合乎要模塊封裝的要求。 模擬過程 我們接著利用商用分析軟件，將蝶形封裝模塊內(nèi)的所有組件分別建構(gòu)格點，圖3即為所建構(gòu)的格點圖，此分析所使

8、用的格點數(shù)約為23萬個！ 在邊界條件方面，我們設(shè)定將模塊底座施以固定力，然后將環(huán)境溫度從0℃變化至45℃與85℃兩種條件，固定組件的材料，使用KOVAR與INVAR兩種材料，然后觀察其經(jīng)過溫度變化后，光纖的定端的位移量。求得光纖頂端的位移量之后，我們再由光學(xué)仿真軟件求得其耦光效率的變化量。 圖3：模塊分析用格點建構(gòu)圖 蝶形封裝模塊熱流分析結(jié)果 在此蝶形封裝模塊的分析中，我們?yōu)榱颂接懺诓煌耐饨绛h(huán)境變化與不同材料的影響耦光效率的變化，因此分成四種情況來做探討，如表1中所示。 CASE clip, ferrule, substrate使用材料 環(huán)境溫度 1 KOV

9、AR 45℃ 2 KOVAR 85℃ 3 INVAR 45℃ 4 INVAR 85℃ 表1：不同情況下所探討的變量 另外，我們將所探討的KOVAR與INVAR的材料性質(zhì)列于如表2： 合金名稱 Invar Kovar 成分 36% Ni bal Fe 29%Ni 17%Co、 bal Fe 比重 8.11 8.36 比熱 0.12 0.12 彈性系數(shù) 21 20 熔點（℃） 1426 1449 電阻(μΩ cm) 495 294 熱傳導(dǎo)系數(shù)K(W/m℃) 11 17.5 CTE(ppm/℃) 約1.5

10、 約5.3 表2：不同材料的性質(zhì)表 由于在clip與ferrule，substrate使用熱膨脹系數(shù)（CTE）較低的要，對于因溫度的改變而影響耦光效率的機率自然下降，但是我們由材料的性質(zhì)表得知，雖然INVAR的熱膨脹系數(shù)（CTE）較低，然而，其熱傳導(dǎo)系數(shù)（K）也較低，有因此影響了熱傳的效率，整體來說，耦光的效率并不一定較佳，因此，在本分析中，就是要比較一下，在這樣兩種材料的性質(zhì)與環(huán)境溫度下，何者的耦光效率較高。 Case X(mm) Y(mm) Z(mm) Displacement(mm) Case1:KOVAR, 45℃ -4.55E-04 -7.28E-

11、05 4.13E-04 0.000619 Case2:KOVAR, 85℃ -2.70E-04 -1.56E-04 1.11E-03 0.001151 Case3:INVAR, 45℃ -3.33E-05 7.51E-04 7.24E-05 0.000755 Case4:INVAR, 85℃ -2.97E-04 2.13E-03 1.94E-04 0.002162 表3：不同情況下的分析結(jié)果 在表3中，為經(jīng)由熱流分析軟件所得到的fiber tip的X，Y，Z位移量，經(jīng)由計算X，Y，Z可以得到總共的位移量Displa

12、cement。由此結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，溫度越高，位移量愈大，而在相同的環(huán)境溫度時，KOVAR材料的位移量明顯的比INVAR的材料來得小。 我們將所有Case1的模塊位移量的圖顯示在圖4中，在圖中其最大的位移量為0.619μm。 圖4在仿真情況Case1中光纖的tip頂端位移量：0.619μm 接著我們將Case1的thermal stress分布顯示于圖5中，由圖中的結(jié)果顯示，在LD底部與submount接觸的部分，以及ferrule與clip焊接處，都顯示出為thermal stress集中的位置，而這也是我們在使用soldering制程時，要特別注意LD的接合性是否符合

13、thermal stress的要求，否則將會有脫落之虞。另外，在ferrule與clip接合處為使用雷射焊接來接合，也要注意焊接的強度是否符合此thermal stress的要求，若焊接強度不佳，則會產(chǎn)生更大的位移，影響光纖的耦光效率。 圖5：Case1模塊的thermal stress分布圖Max: 8.11x 104 蝶形封裝模塊光學(xué)仿真結(jié)果 接著我們再將此位移量使用光學(xué)分析法（mode analytical method），將蝶形模塊中使用的lensed fiber的形狀（如圖6）代入計算，便可以得到不同的位移量下的耦光效率（如圖7），并在表4中便將不同的位移量的不

14、同耦光效率計算結(jié)果列出。 圖6: Geometry of cylindrical type lensed Fiber 圖7: Coupling efficiency change due to fiber displacement in X, Y, Z direction. 由表4的結(jié)果，很明顯的位移量的大小與耦光效率是有關(guān)系的，位移量愈大，耦光效率愈低，而Case1使用KOVAR材料在環(huán)境溫度45℃時的耦光效率最高，而Case4使用INVAR材料在環(huán)境溫度85℃時的耦光效率最低。 Case Fiber displacement(um) Coupling effic

15、iency ( % ) Loss ( % ) 1 0.619 73.94 13.4 2 1.15 46 46.1 3 0.755 72.54 15.1 4 2.16 52.4 38.7 表4：不同情況下的分析結(jié)果 結(jié)論 由本文的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在低溫45℃時，使用KOVAR或是INVAR的材料作為ferrule，clip，與substrate的材料，其耦光效率的損失尚在可以接受的范圍，但是當(dāng)溫度升高到85℃時，其耦光效率的損失已經(jīng)高達38％以上，KOVAR甚至高達46％以上，因此，可以判斷，當(dāng)此蝶形模塊使用在85℃的環(huán)境溫度時，其功能必定大幅降低，因此在模塊中的冷卻組件TEC的功能相對重要，因為期能維持蝶形模塊的操作溫度在30℃以下，讓蝶形模塊維持一定正常的操作效能。 另外，由此結(jié)果也可以得知，在挑選固定組件使用的材料時，雖然較低的熱膨脹系數(shù)（CTE）可以有較低的溫度靈敏度，但同時還要考慮到材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，因為其對于散熱有一定程度的影響，兩種參數(shù)的統(tǒng)合效應(yīng)，并不一定有最佳的結(jié)果。 （作者任職工研院光電所工通訊技術(shù)組）