光模組壓鑄如何達至出眾的質量、表現及性價比?

由於現代通信都是由光纖光纜傳輸,而終端發送和接收都是電信號,光模組就成了兩端光電信號不可或缺的轉換裝置。 受惠於大的雲端服務營運商增加新資料中心的投資並採用較昂貴的高速率模組,加上全球電訊商加大投放5G網路建設,光模組市場預計於近年內將飛速增長。

一般情況下,光模組的底座和外罩是壓鑄而成,壓鑄具有尺寸精度高、工藝成本低等優點,是目前光模組外殼最常用的加工工藝。 用於光模組壓鑄的傳統合金包括3 號、4 號和 5 號鋅合金,還有A360、A380、ADC10、ADC12鋁合金。

 

傳統合金的限制

光模組殼體是薄壁壓鑄件,儘管3號、4號和5號鋅合金的流動性在常用的鋅合金中相對較好,但在實際的壓鑄中依然存在砂孔、冷紋、硬點等缺陷,從而造成電鍍的合格率低。 很多壓鑄廠也通過提高壓力、模溫和料溫的方法來解決以上缺陷,但同時也造成了粘模、模具沖蝕等問題。

由於5G網路的傳送速率快,功率也相對於4G高,對設備的散熱要求高,有部分光模組壓鑄材料採用鋁合金,其目的是利用鋁的導熱係數比鋅高,提高使用時的散熱性能。 但一般鋁合金大多以回收鋁生產,雜質含量高,其導熱係數相對於鋅合金沒有太大改善 (見表一)。

材料

A360

A380

ADC12

3#鋅合金

導熱係數W/m.K

113

109

96

113

表一:常用鋁合金的導熱係數與3號鋅合金的比較

 

光模組壓鑄面對的挑戰

除了在壓鑄生產過程中常見的砂孔、硬點、粘膜、模具沖蝕的問題外,由於光模組殼體是薄壁件,且屬於複雜結構件,相對較容易出現冷紋的問題,這主要與鑄件結構、模溫、料溫、充填模式、壓力及速度、噴塗狀況以及合金流動性有關。

圖1:冷紋問題

另外,光模組脫模角小,鑄件局部區位偏厚,導致高模溫,因此容易出現外殼粘模的問題。 這是指鋅料積附在模具表面,當液流衝擊模位,造成模面損壞。 當然,冷卻水不合理、脫模劑塗布不平均、高溫區域缺乏噴霧冷卻都可能導致粘模。

圖2:黏模問題

不少光模組殼體壓鑄企業為了改善模腔填充效果,減少冷紋產生,會採用減少澆口寬度、提高壓鑄壓力的方法來改善這些缺陷,但高壓高速也容易造成模具的沖蝕。 模具表面受到液流反覆衝擊而受損形成模腔凹陷,有機會造成更嚴重的拉傷粘模的現象,模具使用壽命就會減低。 在鑄件表面可見凸起的小圓點或溝痕。 沖蝕可發生於任何流動中的液體。 當形成渦流時,會產生一些近乎真空的氣穴或孔洞。 這些氣穴或孔洞會隨金屬溶液流動前進,直到它們爆破。 這種爆破過程可以在極小的區域下產生極高的壓力 (可達到數百個MPa),衝擊模面並最終形成爆炸。

為了減少意外的發生,必須妥善處理模具沖蝕的問題,例如:使用較低的內澆口速度;金屬液溫度不應過高;避免流道的截面突然轉變,其截面面積應由大到小;加大射流角度,盡量避免直接衝擊成型部位;優化充填時的排氣效果等。

圖3:模具沖蝕問題

解決光模組壓鑄應用問題的特製合金

針對目前傳統鋅合金和鋁合金未能有效配合光模組壓鑄產品應用的問題,特製合金便應運而生。 特製合金包括特製鋅合金和特製鋁合金,它們都針對光模組壓鑄的特別要求,改善了傳統鋅合金和鋁合金的特質,從而可以有效解決光模組壓鑄面對的挑戰。

 

特製鋅合金

MDX 及MDX2智慧型手機化光電特製鋅合金

MDX及MDX2保留了鋅合金的優點,如優良的壓鑄性能、力學性能,同時改善了流動性,不但能有效改善砂孔及冷紋的問題,同時減低粘模及模具沖蝕的情況,更適合應用於薄壁產品。 材料雜質少,逐漸的電鍍及表面處理效果更理想,再加上其良好的電磁遮罩性能,鑄件就能以穩定性取勝。  MDX 及MDX2鋅合金特別為光模組產業設計,MDX2 是智慧型光電行業產品的首選,應用範疇涵蓋光模組殼體、光通訊連接器原件、高階影音用外掛接器部件、薄壁的電子零配件等。

 

極限抗拉強度 MPa

屈服強度(MPa)

延伸系度 (%)

硬度 (HB)

MDX

310

225

8

88

MDX2 

320

225

5

90

3號鋅合金

283

221

10

82

5號鋅合金

328

228

7

91

表2:MDX 與MDX2與3號與5號鋅合金的效能對比

注:拉力棒製作工藝為壓鑄

 

特製鋁合金

鋁合金鑄件應用範圍廣泛,因此針對其應用範疇的特色而設計的特製鋁合金也特別多。 廠家可根據產品的具體應用而進行選擇。

 

AD8A 特強高導熱鋁合金

經過改良的AD8A壓鑄鋁合金利用了獨特的成分及製造技術來提高導熱性能,不但擁有一般鋁合金穩定良好的鑄造工藝性,同時讓鑄件的導電導熱表現比市面上性能相似的鋁合金卓越穩定,適用於對產品要求高的發射天線、手機中板、光模組殼體、LED照明配件及散熱器等製造商。

規格

A360

A380

AD8

AD8A

電導率 %IACS

30

27

33~40

37~45

表3:AD8A與傳統鋁合金的電導率對比

注:不同鑄件的電導率會略有差異

 

AD3抗腐蝕鋁合金

AD3 鋁合金在不需要進行表面處理下,兼具卓越耐腐蝕性並保持良好的散熱性能和流動性。 其壓住性能與ADC12 相若,可壓鑄成各種複雜結構件,尤其適合需要高穩定性的室外用電子產品或室外傢俱、運動器材等。

表4:AD3與傳統鋁合金的鹽霧測試對比

 

ADC12X 高強高硬鋁合金

ADC12X本是為手機中板而設計,成分與製造過程都具獨特性,令其一方面符合ADC12 的規格,卻能保持輕巧,同時達到更高的強度及硬度。 其流動性極佳,故不少移動通訊器材、無人機零部件、高強度結構件及薄壁產品的廠商都樂於採用。

 

極限抗拉強度 (MPa)

抗剪強度 (MPa)

延伸系度(%)

布氏硬度 (HB)

ADC12

265.5

144.7

1.67

118.5

ADC12X

308.6

167.8

1.64

128.9

差值

43.1

23.1

-0.03

10.4

差比

16.23%

15.96%

-1.80%

8.78%

表5:ADC12X與ADC12的效能對比

 

AD12 低熱膨脹係數鋁合金

光電產品對準確度非常重視,如自動駕駛汽車攝像頭,但很多應用環境都難以避免溫度差異,產品的熱膨脹係數高,就會增加誤差,降低產品的可靠耐用性。 AD12擁有較低的熱膨脹係數,特地為專業級的光學設備配件而設。

規格

ADC12

AD12

熱膨脹係數 (20~100°C,um/mm/°C) 

21

18

表6:AD12與ADC12的熱膨脹係數對比

 

結語

為緊跟光模塊行業技術的提升速度,與時並進,許多廠家積極利用創新材料,採納專家意見改善流程,務求增強其競爭力,在行業里領先。 而針對光模組壓鑄的特製合金,可以有效幫助廠家提升產品品質、減少缺陷、提高生產效率,為光模組壓鑄產品帶來出眾的品質、表現及性價比,廠家可在技術專家的指導下選擇合適的產品,體驗創新材料帶來的優勢。