光收發(fā)模塊的熱設(shè)計(jì)研究

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(zhǎng)，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)模塊體積小，功耗低，可以支持客戶高密度單板的需求，具備針對(duì)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(chǎng)前景。

       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2W/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(jí)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(duì)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(duì)光收發(fā)模塊的熱設(shè)計(jì)，有文獻(xiàn)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)；其中也有文獻(xiàn)提供了一種針對(duì)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；有文獻(xiàn)研究了CFP模塊級(jí)封裝中的熱場(chǎng)問題，對(duì)CFP模塊內(nèi)部的熱場(chǎng)分布進(jìn)行了熱分析。

       本文以QSFP+光收發(fā)模塊為研究對(duì)象，使用某商業(yè)仿真軟件對(duì)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(duì)位置以及模塊外殼與散熱器接觸界面的接觸熱阻對(duì)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

1.1 QSFP+光模塊散熱路徑

       光模塊傳遞的熱量按照Fouries導(dǎo)熱定律計(jì)算，熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱是熱傳遞的３種基本方式 ?；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(duì)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(duì)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

        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。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。

1.2  QSFP＋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5Ｗ，模塊的總功率密度達(dá)到1.34Ｗ/cm2 。散熱片材料采用鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為200Ｗ/m.k。利用某商業(yè)仿真軟件建立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(duì)比研究不同導(dǎo)熱系數(shù)材料對(duì)光模塊溫度場(chǎng)的影響。

       外殼導(dǎo)熱材料具體分為4種類型，見表１。

       考慮QSFP+光模塊封裝外殼與散熱片接觸面的接觸熱阻對(duì)溫度場(chǎng)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1.6μｍ，對(duì)散熱片施加5N 的壓力；

2. 接觸熱阻為Rc2 ，接觸面表面粗糙度Ra為0.6μｍ，對(duì)散熱片施加10Ｎ的壓力。

為簡(jiǎn)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(duì)接觸熱阻的影響。

參照文獻(xiàn)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=3.2cm2.℃/W,

Rc2=1.05cm2.℃/W?

改變QSFP+光模塊中發(fā)熱組件和散熱片基板的相對(duì)位置，研究不同布局對(duì)溫度場(chǎng)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1.34Ｗ/cm２，功率密度等級(jí)為pd14；

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(zhǎng)度增加５ｍｍ，該條件下光模塊功率密度為1.14Ｗ/cm2，功率密度等級(jí)為pd12 。

圖４ 發(fā)熱組件和散熱片基板的相對(duì)位置

2 仿真結(jié)果分析

       使用某商業(yè)仿真軟件，針對(duì)不同殼體材料、接觸熱阻、器件布局，對(duì)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(duì)模塊散熱的影響。

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(zhǎng)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(duì)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(duì)光模塊溫度場(chǎng)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。

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