光模块分析.doc

现代通信技术的发展促进了核心光电子器件之一的光收发模块的研发生产技术的不断进步，本文采用SolidWorks Simulation，针对某企业自主研发的一款SFP光模块进行结构可靠性评估，为该产品的优化设计提供依据。基于SFP光模块结构设计的共性，本文分析所采用的方法及所获得的结果对于其他SFP产品的设计也有一定的意义。一、问题的提出伴随人类通信技术的进步，全球范围内对于光通信产品的需求已经凸显，光通信产业已经成为带动某些区域发展的龙头产业之一。另一方面，人们对信息交换效率的要求不断提高导致通信网干线传输容量的不断扩大及速率提高，使得光纤通信成为现在信息网络的主要传输手段。在现在的光通信网络中，如广域网(WAN)、城域网(MAN)及局域网(LAN)所需要的作为核心光电子器件之一的光收发模块的种类越来越多，要求也越来越高，复杂程度也以惊人的速度发展，因此需要不断发展相关技术满足这样的应用需求。SFP光模块作为目前主流光收发一体模块的一种，采用SFP(SMALL.FORM.PLUGGABLE)封装方法，作为GBIC封装光模块的升级版本，体积比GBIC减少一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口数量。以上优点使得光产品供应企业对SFP模块的自主研发能力需求日益迫切。本文针对某企业自主研发的一款SFP光模块产品，按其拔插过程进行实际工况模拟，评估其结构可靠性，根据分析结果对产品结构改进，特别是对PCB板上的芯片焊点位置布置提出优化意见。二、分析模型简述SFP光模块，是GBIC的升级版本。SFP根据GBIC接口进行设计，允许比GBIC更大的端口密度(主板边上每英寸的收发器数目)，因此SFP也被称作“mini-GBIC”。SFP模块主要由三个部件组成，TOSA(光学发射器)、ROSA(光学接收器)和限幅放大芯片，通过焊接的方式连接在一块PCB电路板上。PCB板上金手指端作为拔插接口插入其他设备，由拔插操作所引起的形变可能导致SFP光模块PCB板上的器件结构失效。本文的分析对象如图1所示。图1分析对象某& #59561;FP光模块三、CAE建模简述1.关于CAE模型的几点说明(1)关于模型简化：本次分析主要关注PCB板及板上器件结构可靠性评估，因此对于完整的SFP模块，简化铝合金外罩及支座，简化TOSA及ROSA器件模型，采用等效边界条件的方式进行作用模拟。(2)本次分析主要关注的是SFP模块的结构特性，暂时忽略芯片发热对于结构变化的影响。累积类似产品使用经验，性能失效主要发生在PCB板上靠近金手指端拔插部位芯片，因此对此块芯片进行详细焊点模拟。而对于其他连接芯片采用理想全结合接触假设处理。(3)本次分析关注PCB板及上面布置芯片结构可靠性，对于模块尾端TOSA及ROSA部件与PCB板焊接连接点，采用完全结合条件进行连接功能性模拟，不考虑其焊点可靠性。2.几何模型的建立本次分析的SFP模块由PCB模块(及板上芯片)、铝合金外罩及支座、TOSA和ROSA模块组成，根据上面提到的简化叙述，分析建模只针对PCB模块。采用SolidWorks软件CAD部分完成分析对象的完整模型建模(完整模型有利于后期结果展示与更多分析需求时的模型重用)，根据简化要求利用SolidWorks的配置功能生成新的配置，得到实际分析模型，如图2所示。图2简化后的实际分析模型3.边界条件的确定在SolidWorksSimulation中创建算例进行有限元仿真(图3)。图3分析模型的边界条件定义(1)约束1、3：简化的铝合金外罩及支座，通过固定夹具加载在其本来对PCB板的力作用部位，进行模拟。(2)约束2：简化的TOSA及ROSA部件，在其本来位于PCB板的焊接点加载固定夹具，模拟其在SFP模块拔插过程中对PCB板的力作用。(3)接头定义：PCB板和芯片之间阵列16点，定义点焊，焊点直径0.5mm。(4)载荷1：对于实际工况条件中的受力情况，采用实际位移方式进行添加，考虑最恶劣工况，在PCB金手指端面给予沿PCB板正面法向向上或者向下位移量0.5mm。在SolidWorksSimulation中使用“参考几何体”夹具进行添加，如图4所示。图4 SolidWorks Simulation加载位移载荷(5)网格划分：采用SolidWorks Simulation的自动分元器划分网格，网格参数如表所示。四、结构可靠性分析的结果在SolidWorksSimulation中完成上述设定后，就可以运行解算分析，得出SFP模块在指定工况下的应力分析结果。图5显示了模型的整体应力结果云图，可见应力最大区域出现在PCB板位于铝合金外罩和底座的安装部位。图5分析模型在分析工况下的整体应力云图图6、图7和图8显示了本次分析重点关注的芯片焊接部位局部应力值，可见法向远离“金手指”方向焊点周围应力逐渐增大。此结果恰好符合图9显示的位移放大图解，相对位移最大部位应力最大。图6限幅芯片焊接点周围应力图解1图7限幅芯片焊接点周围应力图解2图8限幅芯片焊接点周围应力图解3图9位移放大图解，变形放大倍数为5五、结论(1)由图5可以看出，PCB板在当前工况条件下，最大变形区域和最大应力区域出现在PCB板被钣金外壳固定端面附近。(2)由结论(1)的形变引起的PCB板和芯片组成的系统内部相对位移沿金手指至光纤接入端方向逐渐放大，根据本次分析的线性假设，相应的形