楊明冬，全本慶，關(guān)衛(wèi)林

(武漢光迅科技股份有限公司， 湖北 武漢 430205)

QSFP+光收發(fā)模塊的熱設(shè)計(jì)研究*

楊明冬，全本慶，關(guān)衛(wèi)林

(武漢光迅科技股份有限公司， 湖北 武漢 430205)

QSFP+光收發(fā)模塊作為有源光器件中的重要組成部分，在寬帶通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域占有非常重要的地位。隨著光網(wǎng)絡(luò)信息容量激增，QSFP+光收發(fā)模塊的速率逐步提高，其熱流密度逐漸增大，模塊的散熱性能成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。文中通過分析QSFP+光模塊的熱傳遞路徑，建立了光模塊的熱模型，采用仿真分析的方法得出不同材料、接觸熱阻以及發(fā)熱器件布局對光模塊溫度場的影響。結(jié)果表明，通過減小接觸熱阻、提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)、縮短發(fā)熱器件與散熱片之間的距離可以有效提高光模塊的散熱性能。

四通道小型可插拔光收發(fā)模塊；熱設(shè)計(jì)；熱分析；接觸熱阻

引 言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的全面普及以及由它帶來的全球數(shù)據(jù)量的爆發(fā)性增長，全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)如火如荼。同時(shí)，隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保成為世界產(chǎn)業(yè)界的必由之路，數(shù)據(jù)中心的能耗降低也迫在眉睫。四通道小型可插拔(Quad Small Form-factor Pluggable Plus, QSFP+)光收發(fā)模塊[1]體積小，功耗低，可以支持客戶高密度單板的需求，具備針對性的解決方案。它能夠廣泛應(yīng)用于云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、企業(yè)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域，在高速大容量數(shù)據(jù)傳輸中承擔(dān)重要的角色，擁有巨大的市場前景[2]。

現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展與熱控制技術(shù)的不斷進(jìn)步有著密切的關(guān)系，熱設(shè)計(jì)目前成為光電子組件、器件與模塊設(shè)計(jì)的重要組成部分。早期出現(xiàn)的光收發(fā)模塊如SFP+封裝形式的熱流密度一般不超過2 W/in2，這類光模塊一般不需要加裝散熱片進(jìn)行散熱，而隨著光模塊朝高速率、高集成度、微小型化方向發(fā)展，其熱流密度不斷增大，導(dǎo)致發(fā)熱量增加和溫度急劇上升。商業(yè)級光模塊內(nèi)激光器的殼溫要求不得超過70 ℃，比光模塊所在交換盤其他元器件溫度要求低15 ℃，導(dǎo)致光模塊對溫度的要求極為苛刻，散熱問題成為制約光收發(fā)模塊技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對光收發(fā)模塊的熱設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[3]以XFP模塊為例，模擬分析其在不同溫度條件下的工作狀態(tài)；文獻(xiàn)[4]提供了一種針對SFP光收發(fā)模塊內(nèi)部光發(fā)射次模塊的熱學(xué)建模方法；文獻(xiàn)[5]研究了CFP模塊級封裝中的熱場問題，對CFP模塊內(nèi)部的熱場分布進(jìn)行了熱分析。

本文以QSFP+光收發(fā)模塊為研究對象，使用Flotherm軟件對QSFP+光收發(fā)模塊的散熱問題進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了光收發(fā)模塊殼體材料的導(dǎo)熱系數(shù)、發(fā)熱器件和散熱片的相對位置以及模塊外殼與散熱器接觸界面的接觸熱阻對QSFP+光收發(fā)模塊的散熱影響，可為光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)提供參考與建議。

1 QSFP+光模塊熱設(shè)計(jì)建模

1.1QSFP+光模塊散熱路徑

光模塊傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計(jì)算，熱傳導(dǎo)、對流換熱和輻射換熱是熱傳遞的3種基本方式[6]?；跓嵩O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論分析，QSFP+光模塊工作時(shí)的熱環(huán)境及傳熱路徑如圖1所示。QSFP+光模塊插入面板后，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量小部分由周圍空氣自然對流散熱，大部分則以熱傳導(dǎo)的方式散熱。熱量由溫度高的一端傳遞到溫度低的一端，模塊熱量向上傳遞至封裝外殼及散熱器，再由散熱器通過對流和輻射散出，向下傳遞至主板。

圖1 光模塊工作熱環(huán)境及傳熱路徑[7]

由于光模塊封裝外殼與散熱片之間接觸表面在微觀上不平整，其中必然存在空氣等介質(zhì)，因而接觸表面總存在一定的接觸熱阻[8]。為提高模塊整體散熱效率，需盡可能減小光模塊與散熱片之間的熱阻。

1.2QSFP+光模塊熱模型

QSFP+光模塊包括TOSA組件(Transmitter Optical Sub-assembly)、ROSA組件(Receiver Optical Sub-assembly)以及驅(qū)動(dòng)和控制IC，其封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 QSFP+光模塊封裝結(jié)構(gòu)示意圖

QSFP+光模塊的總功耗為5 W，模塊的總功率密度達(dá)到1.34 W/cm2。散熱片材料采用鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為200 W/(m·K)。利用Flotherm軟件建立QSFP+光模塊熱模型，如圖3所示。

圖3 QSFP+光模塊熱模型

在該模型中，為QSFP+光模塊外殼基板設(shè)置不同材料，對比研究不同導(dǎo)熱系數(shù)材料對光模塊溫度場的影響。外殼導(dǎo)熱材料具體分為4種類型，見表1。

表1 外殼導(dǎo)熱材料

考慮QSFP+光模塊封裝外殼與散熱片接觸面的接觸熱阻對溫度場的影響，在封裝殼體與散熱片接觸面設(shè)置接觸熱阻。具體分為2種情形：1)接觸熱阻為Rc1，接觸面表面粗糙度Ra為1.6 μm，對散熱片施加5 N的壓力；2)接觸熱阻為Rc2，接觸面表面粗糙度Ra為0.6 μm，對散熱片施加10 N的壓力。為簡化分析，上述2種情形均不考慮封裝殼體和散熱片的平面度對接觸熱阻的影響。參照文獻(xiàn)[9]提供的計(jì)算方法，計(jì)算出上述2種情形下的接觸熱阻：Rc1=3.2 cm2·℃/W，Rc2=1.05 cm2·℃/W。

改變QSFP+光模塊中發(fā)熱組件和散熱片基板的相對位置，研究不同布局對溫度場的影響。具體分為4種情形，見圖4。其中，圖4(a)為初始布局，該條件下光模塊功率密度為1.34 W/cm2，功率密度等級為pd14[7]；圖4(b)為保持散熱片位置不變，縮短發(fā)熱組件與散熱片基板之間的距離；圖4(c)為保持發(fā)熱組件位置不變，縮短散熱片基板與發(fā)熱組件之間的距離；圖4(d)為發(fā)熱組件和散熱片基板位置均不變，散熱片與模塊封裝外殼接觸面基板的長度增加5 mm，該條件下光模塊功率密度為1.14 W/cm2，功率密度等級為pd12[7]。

圖4 發(fā)熱組件和散熱片基板的相對位置

2 仿真結(jié)果分析

利用Flotherm軟件，針對不同殼體材料、接觸熱阻、器件布局，對建立的QSFP+光模塊的熱模型進(jìn)行仿真分析，輸出模塊殼溫?cái)?shù)據(jù)，建立相關(guān)曲線。根據(jù)MSA協(xié)議[1，10]規(guī)定，QSFP+光模塊的散熱性能重點(diǎn)關(guān)注模塊殼溫以及模塊殼體和散熱器之間的溫差。

圖5為QSFP+光模塊殼體導(dǎo)熱系數(shù)、器件布局、接觸熱阻與模塊最大殼溫的關(guān)系。圖6為QSFP+光模塊殼體導(dǎo)熱系數(shù)、器件布局、接觸熱阻與模塊殼體和散熱器之間溫差的關(guān)系。

由圖5、圖6可知，光模塊散熱的重要影響因素包括：

1)殼體導(dǎo)熱系數(shù)。在相同散熱條件下，提高殼體導(dǎo)熱系數(shù)有利于降低模塊殼溫，同時(shí)有利于降低模塊殼體和散熱器之間的溫差。

2)器件布局。縮短散熱片基板與發(fā)熱組件之間的距離，有利于降低模塊殼溫及模塊殼體和散熱器之間的溫差。由圖5和圖6可知，提高殼體導(dǎo)熱系數(shù)，有利于降低器件布局對模塊散熱的影響。

圖5 QSFP+光模塊殼體導(dǎo)熱系數(shù)、器件布局、接觸熱阻與模塊最大殼溫的關(guān)系

圖6 QSFP+光模塊殼體導(dǎo)熱系數(shù)、器件布局、接觸熱阻與模塊殼體和散熱器之間溫差的關(guān)系

3)接觸熱阻。模塊殼體與散熱器之間的接觸熱阻是模塊散熱的重要影響因素。降低接觸熱阻有利于提高模塊的散熱性能，進(jìn)而降低模塊殼溫及模塊殼體與散熱器之間的溫差。由圖5、圖6可知，在相同散熱條件下，接觸熱阻為Rc2時(shí)模塊的殼溫及模塊與散熱器之間的溫差比接觸熱阻為Rc1時(shí)低2 ℃～3 ℃。

4)散熱器與模塊殼體的接觸面積。由圖6可知，通過增加散熱器接觸面長度，模塊殼溫及模塊殼體與散熱器之間的溫差可以降低約1.5 ℃。

綜合采用提高殼體導(dǎo)熱系數(shù)、降低接觸熱阻以及增大模塊殼體與散熱片的接觸面積的多種措施，最大可以改善模塊殼溫及模塊殼體與散熱器之間的溫差約5 ℃，可以有效改善QSFP+光模塊的散熱。

3 結(jié)束語

本文主要圍繞與可靠性相關(guān)的散熱問題對QSFP+光收發(fā)模塊展開研究。在分析模塊內(nèi)熱傳導(dǎo)路徑的基礎(chǔ)上，通過建立QSFP+光模塊的熱模型，仿真得出不同材料、接觸熱阻以及發(fā)熱器件布局對光模塊溫度場的影響。仿真結(jié)果表明，減小接觸熱阻、提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)、縮短發(fā)熱器件與散熱片之間的距離可以有效提高光模塊的散熱性能。

[1] SFF Committee. SFF-8661. Specification for QSFP+ 4X Pluggable Module[S]. Rev 2.3, 2014.

[2] 趙佳麗, 王逸文, 薛原, 等. 數(shù)據(jù)通信40 Gbit/s并行光收發(fā)模塊的研究[J]. 光通信研究, 2014(2): 25-27.

[3] 宋蓓莉, 楊電, 趙先明, 等. 熱分布對XFP模塊壽命的影響研究[C]//第十八屆十三省市光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 上海, 2010.

[4] 姜振超, 唐杰, 黃宏光. 基于熱傳遞的光發(fā)射次模塊結(jié)溫計(jì)算方法[J]. 四川電力技術(shù), 2013, 36(5): 9-12.

[5] 蔡媛媛, 劉旭, 孫小菡. 100G光模塊熱設(shè)計(jì)研究[C]//全國第17次光纖通信暨第18屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議: 可實(shí)施光元部件、光纖光纜、子系統(tǒng)、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用最新進(jìn)展專輯. 南京, 2015.

[6] 趙惇殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[7] Optical Internetworking Forum. OIF-Thermal-01.0. Implementation Agreement for Thermal Interface Specification for Pluggable Optics Modules[S]. 2015.

[8] 答邦寧. 導(dǎo)熱襯墊在印制板組件上的應(yīng)用研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2013, 29(3): 50-52, 64.

[9] TEERTSTRA P. Calculating Interface Resistance[EB/OL]. https://www.electronics-cooling.com/1997/05/calculating-interface-resistance/.

[10] SFF Committee. SFF-8663. Specification for QSFP+ 28 Gb/s Cage (Style A)[S]. Rev 1.5. 2014.

楊明冬(1982-)，男，工程師，主要從事光通信設(shè)備、模塊的熱設(shè)計(jì)工作。

ResearchonThermalDesignforQSFP+OpticalTransceiverModule

YANGMing-dong，QUANBen-qing，GUANWei-lin

(ACCELINKTechnologiesCo.,Ltd.,Wuhan430205,China)

QSFP+ optical transceiver module as an important component of the active optical device plays a key role in the field of broadband communication network. With the increase of the data capacity of optical network, the data rate of QSFP+ optical transceiver module and the heat flux of the module increase gradually, and the thermal performance of the module becomes an important factor restricting its further development. This paper analyzes the heat transfer path of QSFP+ optical module and then establishes the thermal model of the optical module. The effects of different materials, contact thermal resistances and layouts of heating devices on the temperature field of the optical module are concluded by simulation analysis. The results show that the thermal performance of the optical module can be improved by reducing contact thermal resistance, increasing material thermal conductivity and reducing the distance between heating devices and the heat sink.

QSFP+ optical transceiver module; thermal design; thermal analysis; contact thermal resistance

2017-03-14

TK124

A

1008-5300(2017)04-0038-04