氧化锆陶瓷套筒受力分析

光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒受力分析光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒受力分析 图文图文 2008 6 10 10 48 15 讯石光通讯咨询网 编辑 iccsz 本文采用有限元法计算了光纤连接器插芯插拔过程中 不同条件下氧化锆陶瓷套筒受到的应力状况 采用力学试验机测试了陶瓷套筒的压碎强度 计算及测试结果显示 插芯在陶瓷套筒中正常插拔时 陶瓷套筒受到的最大应力小于100MPa 而陶瓷套筒的压碎强度一般为10至25公斤 相当于可以承受 450至1150MPa 的应力 但当陶瓷套筒受到2公斤的局部集中载荷时 陶瓷套筒受到的应力将达到 2000MPa 以上 超过陶瓷套筒的强度 而引起陶瓷套筒的破碎 1 1 前言 前言 光纤连接器是光纤通信系统中不可缺少的无源器件 主要用于实现系统中设备间 设备与 仪表间 设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接 大多数的光纤连接器由三部分 组成 两个配合插头 插芯 和一个耦合套筒 两个插芯装进两根光纤尾端 耦合套筒起对准 的作用 套筒多配有金属或非金属法兰 以便于连接器的安装固定 目前套筒使用的材料主要为氧化锆陶瓷和磷青铜 氧化锆陶瓷套筒由于具有精度高 插入 损耗小 使用寿命长等特点 使用日益广泛 由于陶瓷套筒对于材料及加工要求极高 多年来 日本一直垄断着陶瓷套筒的生产 近年来 国内企业与研究单位合作 解决了从氧化锆陶瓷原 料到精密加工的技术难题 掌握了具有完全知识产权的陶瓷套管生产技术 大规模批量生产出 了氧化锆陶瓷套筒 质量完全达到了日本产品的技术要求 由于维护中转接跳线和正常测试等需要 光纤连接器经常要进行插拔 因此对于套筒的插 拔寿命即最大可插拔次数有一定的要求 即光纤连接器在正常使用条件下 经规定次数 一般 要求500至1000次 的插拔 各元件无机械损伤 附加损耗不超过限值 通常规定为0 2dB 光 纤连接器的插拔寿命一般是由插芯及套筒的磨损及破损情况决定的 使用开槽氧化锆套筒时 磨损可以忽略不计 陶瓷套筒的破损是影响寿命的主要因素 陶瓷套筒在使用过程中的破碎原 因非常复杂 归纳起来有以下几种情况 1 陶瓷套筒的强度过低 经受不住插芯插入时所产 生的应力 2 陶瓷套筒由于静态疲劳而产生破碎 3 长期在高温潮湿情况下 氧化锆陶瓷 套筒产生大量四方相到单斜相的自发马氏体相变 从而导致套筒强度大幅度降低 4 人为非 正常插拔 使陶瓷套筒产生局部应力集中 5 金属或非金属法兰质量不合格 我们的研究表明 在光纤连接器的使用条件下 陶瓷套筒由于静态疲劳和自发马氏体相变 而破损的可能性极小 本文将针对第1及第4种破损情况 通过有限元计算对套筒的实际强度及 其插拔过程中陶瓷套筒所受应力进行分析 为陶瓷套筒的生产及使用厂家提高参考 2 2 陶瓷套筒强度分析 陶瓷套筒强度分析 采用日本岛津万能力学试验机对国内外不同厂家生产的陶瓷套管进行抗压强度测试 测试 时陶瓷套筒的槽口放在侧面 加载速率为0 4mm min 表1为50只爱尔创公司陶瓷套筒强度测试 结果 表2为不同厂家陶瓷套筒破坏强度比较 3 3 陶瓷套筒插拔应力分析 陶瓷套筒插拔应力分析 3 13 1 正常插拔情况下的应力分析正常插拔情况下的应力分析 对于陶瓷材料套管和插芯的拉拔问题 经过对称的力学简化后 我们利用 ANSYS 软件中关 于接触问题的求解模式 对这个准静态问题进行了应力分析 材料的弹性模量 E 200GPa 泊松比 v 0 25 对于此问题 我们对不同尺寸的插芯及套筒进行了分析 主要体现在套筒的内外直径 插 芯直径的变化上 套筒内外径分别为2 493及3 20mm 插芯外径为2 499mm 情况下的 Von Mises 应力 3 23 2 陶瓷套筒端部受集中荷载情况下的应力分析陶瓷套筒端部受集中荷载情况下的应力分析 对于此问题 我们采用如下实体及有限元模型 假设左端部承受2kg 的集中载荷 右面端 部为固定端约束 4 4 讨论 讨论 根据以上陶瓷套筒破坏荷载实际测试及不同情况下的套筒受力情况的有限元分析 我们做 以下讨论 1 不同厂家氧化锆陶瓷套筒采用产品直接测试材料的强度时 得到的平均强度在735至 918MPa 之间 低于采用标准弯曲强度试样得到的弯曲强度 厂家测试的平均三点弯曲强度一般 为900至1200MPa 这种差别是由于测试条件不同引起的 采用产品测试陶瓷套筒的破坏强度 可以更直接地评价产品地实际强度 更有实际意义 2 国产陶瓷套筒与日本产品的强度相当 破坏荷载的离散性都比较大 这除了陶瓷材料 本身强度离散性大的原因以外 可能与陶瓷套筒制造工艺复杂有关 3 标准插芯插入陶瓷套筒时 陶瓷套筒所受到的最大应力小于100MPa 换算为抗压荷载 相当于套筒受到2kg 的荷载 大大小于陶瓷套筒所能承受的抗压荷载 一般为10至25kg 即插 芯正常插入陶瓷套筒时一般不会引起套筒的破损 4 但当陶瓷套筒受到局部集中荷载时 由于陶瓷为脆性材料 无法产生塑性变形抵消所 产生的应力集中 陶瓷套筒将受到很大的局部应力 从而引起陶瓷套筒破坏 例如当端部受到 2kg 集中荷载时 陶瓷套筒将受到2 04Gpa 的应力 相当于受到约45kg 的正常压力 大大高于 陶瓷套筒的强度 引起套筒的破损 因此 在插芯插入陶瓷套筒时 应谨慎操作 尽量使套筒 不受局部应力集中 5 陶瓷套筒的内孔尺寸对套筒所受应力有较大影响 在满足插拔力的前提下 应尽量选 择大的套筒内孔直径 以降低陶瓷套筒所受应力 当插芯直径增加到2 510mm 插入套筒时 套筒 受到约196MPa 的应力 套筒内孔直径为2 493时 仍然小于陶瓷套筒的强度 因此也可以采用 2 510mm 的插芯进行插拔试验 检验陶瓷套筒的强度 进行保证试验 以保证套筒在2 499mm 标 准插芯插拔时步产生破坏 5 5 结论 结论 通过以上对陶瓷套筒在不同情况下所受的应力分析 对于陶瓷套筒在插芯插拔过程中产生 的破碎问题 可以得到以下结论 1 正常插拔情况下 标准插芯插入陶瓷套筒时 将使套筒受到小于100MPa 应力 大大 小于陶瓷套筒所能承受的实测应力 陶瓷套管能承受的实测应力范围一般为450至1150MPa 之间 2 国产陶瓷套筒与日本进口套筒的强度相当 在插拔过程中 受到局部集中应力是陶瓷 套筒产生破损的主要原因 在陶瓷套筒使用过程中应尽量避免 3 提高陶瓷套筒本身的强度 降低其强度离散性 可以提高抗非正常插拔能力 从而减少陶 瓷套筒的破损 附图和表 附图和表 陶瓷套管承受集中线载荷作用的力学分析陶瓷套管承受集中线载荷作用的力学分析 1 1 有限元解法 有限元解法 此问题关于 XZ 面对称 所以分析时采用如下实体模型 线载荷总和为20kg 其有限元模型为 其有限元模型为 其变形图如下所示 其变形图如下所示 其节点位移其节点位移 USUM 云图如下所示 云图如下所示 其其 Von Mises 应力如下面两个云图所示 应力如下面两个云图所示 最大应力值已经达到最大应力值已经达到981MPa 来自 爱尔创 IC 库存 103815364条 PDF 资料 329万 IC 价格 IC 求购 资讯 技术资 料 电子元器件搜索 电子元器件搜索 采购 IC 下载 Datasheet 上维库 维库电子市场网 中国最大的 IC 采购和资料下载平台 10Gb s 光收发模块封装技术 中国电子科技集团公司第四十四研究所 重庆400060 摘摘 要要 本文介绍了10Gb s 光收发模块的封装技术 准平面封装技术非常适合于大规模制造的老器件 已广 泛应用于各类激光器和接收器中 广告插播信息广告插播信息 维库最新热卖芯片 ADG201HSJP SN75LVDS83DGGR TL431ID DSPB56364FU100 BCM3900A2KPF TL061IP MC74HC86AN LP3985IM5X 285 MIC4423BWM IDT72225LB20PF 关键词关键词 光收发模块 准平面 封装技术 封装 中图分类号中图分类号 TN305 94文献标识码 A 文章编号 1681 1070 2005 07 10 04 1 10Gb s 光收发模块光收发模块 众所周知 光通信市场连续增长的关键是低成本光器件技术的发展 光通信应用标准的开发和光收发器应用的 增长 为发展10Gb s 速率光通信应用的低成本技术提供了机遇 为了充分利用这个机遇 光器件制造商们需 要开发一种灵活的器件级封装方法 10Gb s 光通信标准与主要应用如表1所示 目前 在 L0GB s 光通信数据率中有三个重要工业标准 Telcordia GR 253 CORE OC 192 及相关的 ITU T G 691SDH STM 一64 和 ITU TG 709光传输网络标准 IEEE802 3ae 10Gigabit 以太网标准和10Gb s 变型的光纤信道标准 这些光通信标准也驱动了对新型封装技术 的需求 虽然每种光通信标准的数据率和格式稍有不同 但是采用这些标准的光器件技术已可以满足实际应用 需求 10Gb s 光器件发展的一个重要趋势是将光发射和接收器件与高速电子学集成的模块 这种器件也称为收发器 常用于1Gb 以太网和 l 2Gb s 光纤信道中 近年来 已由分市立器件和高速电子元器件组合构成了0C 48 2 5Gb s 和 OC 192 10Gb s SONET 线路卡 特别是在最近两年 国际上已成立了几个有关10Gb s 光收 发器的多源协议 MSAs 组织 发展趋势是采用这些 MSA 的10Gb s 光收发模块 见图1 逐渐替代分立器件 微型模块可形成具有非致冷激光器和高性能 PIN 或 APD 基接收器的小管脚收发器 这些激光器和接收器模块 与各种高速电子芯片集成 以便构成基于300针 MSA 或 XENPAK 模块 MSA 规范的光收发器 图2为 Intel 公 司开发的300针 MSA SFF 光收发器照片 2 10Gb s 光收发模块的构成光收发模块的构成 10Gb s 光收发模块主要由激光器和接收器组成 为满足光纤链路的距离要求 通常在不同的光通信应用中要 求不同的光功率预算和色散参数 为了获得实际应用中所要求的综合配置 则需要几种不同类型的激光器和接 收器 表2为通用10Gb s 系列的应用和光器件技术 2 1 激光器激光器 在850nm 波长工作的垂直腔表面发射激光器 VCSEL 可用于企事业单位的甚短距离 VSR 多模光纤应用收发器 长波长 1 310nm VCSEL 还在发展之中 在解决了器件的关键特性参数之后可获得低成本器件 并日 将取代 侧面发射的激光器 工作在1 310nm 波长的法布里 珀罗 FP 或分布反馈 DFB 激光器一般用于接入网和交接箱与交接箱之问互连的 VSR 和短距离 600m 20km 单模光纤应用 为满足10Gb s FP 和 DFB 激光器性能和寿命要求 要求激光器 保持在适当的工作温度 35 或35 以下 这就需要采用热电致冷器 TEC 但是 采用 TEC 既增加了成本 又常常不可靠 而且在高温工作时还消耗了有效功率 如今已有无制冷器工作并仍可满足性能和寿命要求的 DFB 激光器 虽然它还有封装和控制的问题 并且还不够紧凑 但由于非致冷激光器在高温工作时有较低的 消耗功率 所以与有制冷激光器相比还是有显著的优势 一般是采用直接调制激光器 即通过接通和断开激光器进行调制 在1550nm 波长工作的电吸收调制激光器 EML 一般用于中距离 25 40km 光通信 这种激光器由与外调制器的电吸收 EA 部分单片集成的 DFB 激光 器构成 为了满足更多的应用和更长距离 可将 EA 作为一个分离的芯片单独制作 然后再与激光器芯片共封 装 那么该器件的 EA 部分则可达到最佳化 虽然这种激光器成本降低 但其调制器光谱较窄 并且又由于通 过 EA 部分有较高的损耗 所以限制了光输出功率 因此 对于 DWDM 系统和长距离 80km 光通信应用 则 需要将大功率 DFB 激光器与低损耗的 M Z 干涉调制器结合在一起 2 2 接收器接收器 接收器的技术要稍简单些 因为仅采用两种类型的光电二极管 PD PIN 和 APD PIN 一般用于较短距离 APD 一般用于较长距离 PIN 接收器给每个光子提供较低的增益 并且由于其结构简单 要比 APD 接收器便 宜 PIN 的一个重要优点是对光过载的敏感性较低 在大多数应用中 高性能 抗过载的 PIN 接收器可用于 背对背 即距离很短的光纤链路 和静态功能 APD 接收器在超过适当的输入光功率时可导致饱和或损坏 所 以在用于短距离的光纤链路时 必须在 APD 接收器的前而加上光衰减器 以避免其饱和或损坏 3 准平面封装技术准平面封装技术 对光器件制造商来说 由于在10Gb s 光通信市场中有多种应用 则要求一种灵活的器件级封装方案 即采用 激光器和接收器模块以及要求可调谐激光器的寻址排列 在综合封装方案的开发中 关键的要求是 激光器芯片或 PD 具有与高耦合效率单模光纤的精确对准能力 并且在满足 Telcordia 标准和其他可靠性要求 的情况下 该产品在整个寿命期间都将保持这种对准 建立适用于不同产品数量和不同应用的灵活平台 以便不需要对每种新型器件的管壳进行重新设计 具有满足10Gb s 器件的 RF 热性能和气密封装的能力 并具有可将这些器件直接集成进入管壳的能力 这 些管壳具有降低成本 缩小空间和节省功率方面的优势 同时开发具有规模制作的低成本自动生产能力 以便满足市场的超前增长和低成本要求 已采用不同的方法进行了单个模块光器件的封装 其中获得广泛应用的是适合于无消耗 低速 即1 2Gb s 应用的 TO 型 晶体管外形 管壳 但它不适合于具有 RF 和热性能限制的10Gb s 光通信应用 在光泵浦应用 中已采用了一种基于采用组合焊料同定光纤的可替代方案 但该技术在灵活性和自动化能力方面受到限制 新 近的设计是采用光纤与金属套圈或芯片连接 将该金属圈或芯片焊接到管壳的侧面 然后弯曲到适当位置 以 便将光纤与激光二极管 LD 或 PD 对准 一些设计还采用光台阶进行定位 一般是在 Si 片中腐蚀出 V 槽进行 定位 并将光纤与有源器件对准 虽然这些方法均可采用 但是这些方法进行自动化封装较困难 必须逐个适 用于所采用的每种新器件 这使降低成本受到限制 准平面技术为器件级制作及封装提供了一种灵活的方法 可采用灵活 自动的准平面光平台建立包括具有驱动 器集成的非致冷激光器模块 高性能 PIN 和 APD 基接收器和外腔可调谐激光器在内的各种元器件 准平面光平台是基于金属化陶瓷基板和微弯曲对准原理 采用为很高速率元器件所设计的陶瓷基板 它具有高 的热扩散能力 适合于组件装配 首先采用电子工业常用的选择安插技术 将光芯片 包括激光器 PD 监测 二极管 和电子元器件 激光驱动器 互阻抗放大器 RF 匹配电路 安放在陶瓷基板上 再采用精度约在10 m 以 内的无助熔剂的焊接工艺将元器件同定到陶瓷基板卜 由于该陶瓷基板为平面 并且在下一个步骤中将有源地 进行光对准 所以采用比较简单的选择安插自动化技术 并可快速地对精确布局进行仪器观测 采用准平面技术制作及封装的10Gb s 收发器的工艺步骤如下 首先将其他光器件 如透镜 隔离器和金属化光纤 预先安装在被称为 微弯曲 的可弯曲金属构件上 在预安装 时 先在陶瓷平台上粗略地进行光对准 再采用仪器进行观测 采用有源模式系统提供对准的光反馈 通过轻 微的弯曲变形可自动获得微细对准 在器件对准之后 采用激光焊接将该弯曲构件焊接到陶瓷基板上的金属 焊片上 所设计的弯曲构件使其在焊接之后可保持对准状态 即使在有剧烈的温度漂移和机械应力状态下 该 产品器件在其寿命期间都将保持对准状态 可在蝶形管壳内安装光组件 在该蝶形管壳内高速电路线与导线键 合 并且将管壳盖和光纤馈线通道密封 以便进行气密封装 然后 自动安插 对准包括特殊设计的隔离器组件在内的光学元件 并采用弯曲方式与基板的金属顶部进行焊 接 常规设计的选择安插和对准机构采用仪器观测和有源反馈相结合的方法 以便进行单模光纤对准 在完成 对准之后 采用激光焊接技术将弯曲构件同定到基板上 将盖板安放在整个组件上 并环绕该基板的边缘进行 气密焊接 以便完成封装 传统的蝶形管壳应用较多 并且可靠 但它比较笨重且价格昂贵 现已有采用多 层高速陶瓷基板作为互连平台和管壳的底座 则可获得较商 l 生能和较低成本的封装 通过采用高热导率材料 作为平台 在用于非致冷激光器时可使芯片有很好的散热能力 并可将驱动器也放置在管壳内 在这种 微型 模块 中 管壳的管脚是该平台的一个整体构件 在管壳的边缘 光纤的对面直接安放不同的10Gb s 高速输 入 输出引线 为 J 便于表面安装焊接和 RF 接人 在管壳的每个边还安插了低速连接 在具有可控制阻抗 的平面多层陶瓷内部选定高速信号路由 并将该平面多层陶瓷与位于陶瓷表面上放置的子座组件相连接 最后完成的微型封装仅有9mm 16MM 尺寸的管脚 这种封装技术已成功地用于构建非致冷10Gb DFB 激光 模块 包括集成的驱动器 和10Gb s PIN 和 APD 接收模块 这些微型模块