Estudio de diseño térmico del módulo óptico 200G QSFP-DD LR4

Gracias al rápido despliegue de las redes de comunicación 5G y la construcción de centros de datos de alta capacidad en todo el mundo, la demanda de ancho de banda de comunicación se está disparando. La demanda de capacidad de transmisión óptica superior a 100G en las capas de agregación y núcleo de las redes de transporte óptico 5G y la demanda de ancho de banda en los centros de datos están creciendo rápidamente. Estos factores están impulsando el rápido despliegue de módulos ópticos 200/400G con tasas de transmisión más altas.

Por otro lado, los requisitos de bajo costo y bajo contenido de carbono están impulsando el desarrollo de módulos ópticos para empaques miniaturizados y formas de empaque compacto como Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density (QSFP-DD) y Octal Small Form Factor Pluggable. (OSFP) están reemplazando gradualmente al 100G Centum Form-factor Pluggable (CFP) y su forma mejorada CFP2 como los factores de forma principales para los módulos ópticos de 200G y 400G.

El QSFP-DD es un nuevo paquete de módulos enchufables de alta velocidad cuyas especificaciones se publicaron en 2016 y recibieron mucha atención, y después de varias modificaciones, los productos QSFP-DD estuvieron disponibles en 2018. La interfaz eléctrica del paquete tiene 8 canales y puede ser utilizado para transmisión de red 200 o 400G a través de modulación sin retorno a cero (NRZ) o modulación de amplitud de 4 pulsos (PAM4). Su retrocompatibilidad con QSFP+/QSFP28/QSFP56 y otros paquetes QSFP ha ayudado a la industria a satisfacer la demanda de módulos ópticos conectables de alta densidad y alta velocidad de próxima generación, y los módulos ópticos 200/400G en paquetes QSFP-DD se utilizan cada vez más. .

Con el despliegue generalizado de módulos ópticos de alta velocidad a tasas superiores a 100G, el tema de la disipación de calor del módulo ha sido objeto de un mayor escrutinio. FiberMall toma el módulo óptico 200G QSFP-DD LR4 (Long Range 4) como objeto de investigación, modela y analiza el efecto del disipador de calor en el cambio de temperatura interna del módulo durante el funcionamiento y estudia el efecto de disipación de calor dentro del módulo bajo diferentes parámetros , que proporciona una referencia para la selección de parámetros del disipador de calor y la optimización del módulo óptico QSFP-DD.

1. Modelo de simulación del análisis térmico del módulo óptico QSFP-DD

En comparación con los módulos ópticos empaquetados QSFP, el 200G y 400G QSFP-DD Los módulos ópticos empaquetados aumentan la velocidad de transmisión y el consumo máximo de energía exponencialmente con muy pocos cambios en el espacio dimensional interno. Por ejemplo, el consumo de energía del módulo óptico 100G QSFP28 LR4 es de solo 3.5 W, mientras que el consumo de energía del módulo óptico 200G QSFP-DD LR4 es de más de 6 W. Esto aumentará considerablemente el calor y la temperatura dentro del módulo en las mismas condiciones. , y el requisito de 70 °C para los módulos ópticos de grado comercial hace que los requisitos de disipación de calor interna del módulo sean más estrictos. Por lo tanto, es necesario analizar y estudiar la disipación de calor interna de los módulos ópticos QSFP-DD.

Este artículo adopta el método de análisis térmico de estado estacionario, basado en la ecuación de balance de calor del principio de conservación de energía, y considera tres tipos de modos de transferencia de calor: conducción de calor, convección de calor y radiación de calor. Dadas las condiciones de contorno de temperatura constante y la información de potencia y conductividad térmica de cada componente en el módulo óptico, la distribución de temperatura en estado estacionario dentro del módulo se calcula mediante el método de elementos finitos. Para el módulo óptico de grado comercial QSFP-DD, la simulación establece la condición límite de temperatura de 70 ℃ con referencia al requisito del protocolo de que la temperatura de la carcasa no debe exceder los 70 ℃.

Los principales componentes generadores de calor dentro del módulo óptico 200G QSFP-DD LR4 incluyen el subconjunto óptico del transmisor (TOSA), el subconjunto óptico del receptor (ROSA), el procesamiento de señal digital (DSP), la unidad de microcontrolador (MCU) y el chip de fuente de alimentación, etc. módulos, estos chips a menudo se montan en ambos lados de la placa de circuito impreso (PCB) para que quepan suficientes componentes en un espacio interno compacto, lo que también facilita la transferencia de calor a través de ambos lados del módulo. Con base en las especificaciones dimensionales del paquete QSFP-DD, se creó un modelo de simulación como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Modelo de simulación térmica de 200G QSFP-DD LR4

Los parámetros relacionados con el análisis térmico de cada componente principal se dan en la Tabla 1 en base a los resultados medidos.

Tabla 1: Sparámetros de simulación de mun componentes  

Componentes	Conductividad térmica/W/mK	Valor calorífico/W	Volumen/cm³	Tasa de liberación de calor/W/cm³
TOSA	17.3	1.5	0.57	2.58
ROSADA	17.3	1	0.53	1.87
DSP	124	7	0.25	2.76
MCU	124	0.3	0.0048	60.19
Chip de fuente de alimentación	124	0.3	0.0059	50.04

2 Resultados de la simulación

2.1 Distribución de temperatura dentro del módulo

La distribución de temperatura dentro del módulo a una temperatura de caja de 70 °C se muestra en la Figura 2, que se obtiene mediante el método de análisis de estabilidad térmica del modelo anterior.

Figura 2: Distribución de la temperatura interna del módulo QSFP-DD LR200 de 4 G a una temperatura de caja de 70 °C

Las temperaturas de cada componente principal se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2 Temperatura de cada dispositivo principal dentro del módulo 200GQSFP-DD LR4 a una temperatura de caja de 70 °C

Componentes	TOSA	ROSADA	DSP	MCU	Chip de fuente de alimentación
Temperatura/°C	95.9	87.6	117.3	84.9	84.7

Como se puede ver en la Tabla 2, la temperatura de la mayoría de las áreas dentro del módulo es mucho más alta que 70 °C en el estado estable interno a la temperatura de la caja de 70 °C. Para garantizar la compatibilidad electromagnética (EMC) y el rendimiento de la interferencia electromagnética (EMI) del módulo, es necesario cerrar el interior del módulo. Por esta razón, el interior del módulo no puede tener aire para el intercambio de calor por convección como el instrumento, es decir, la principal forma de disipación de calor es la conducción de calor.

El componente de calefacción del módulo solo puede conducir el calor a través del aire, mientras que la conductividad térmica del aire es muy baja (0.03 W/mK), lo que significa que el calor generado por los componentes es difícil de disipar en el pequeño espacio interior del módulo. Esto es especialmente cierto para DSP. Su aumento de temperatura supera los 30 ℃ cuando la temperatura de la carcasa es de 70 ℃, lo que ha excedido el rango de temperatura de funcionamiento normal del DSP. Si el módulo está a una temperatura tan alta durante mucho tiempo, el funcionamiento normal de cada componente se verá afectado e incluso el dispositivo

Si no se toman medidas, el 200G QSFP-DD El módulo LR4 tiene un gran riesgo de fallar a una temperatura alta de 70 °C. Por lo tanto, es necesario mejorar las condiciones de disipación de calor para limitar de manera efectiva la temperatura de cada componente a un rango seguro y garantizar el funcionamiento normal del módulo óptico en una temperatura de la caja de 70 ° C durante mucho tiempo.

2.2 Simulación de la mejora de la disipación de calor mediante almohadillas termoconductoras

La película de silicona rellena de partículas de cerámica es un material de relleno de espacios con buena conductividad térmica, que a menudo se usa como almohadilla termoconductora para llenar el espacio entre el componente generador de calor y la caja del producto. Además de una buena conductividad térmica, sus buenas propiedades de adhesión y compresión pueden descargar el aire entre el dispositivo generador de calor y la carcasa, para lograr un contacto completo y mejorar el efecto de disipación de calor. Con el aumento del consumo de energía de los módulos ópticos, las almohadillas termoconductoras se han utilizado ampliamente para mejorar las condiciones de disipación de calor dentro de los módulos.

Las almohadillas térmicas se colocan en los cinco componentes principales que generan calor, como se muestra en la Figura 3. Las almohadillas se colocan en la superficie superior del DSP, MCU, el chip de fuente de alimentación y las superficies superior e inferior de TOSA y ROSA, de modo que ambos lados de las almohadillas están en contacto con las superficies de los componentes y la carcasa, respectivamente, con el fin de conducir el calor generado a la carcasa. La conductividad térmica de la almohadilla utilizada en la simulación es de 7 w y el espacio de llenado es de 1 mm.

Figura 3: Diagrama esquemático de la almohadilla de conductividad térmica colocada dentro del módulo

La distribución de temperatura dentro del módulo se muestra en la Figura 4. La comparación de la temperatura de los componentes principales con y sin la almohadilla térmica se muestra en la Figura 5.

Figura 4: Distribución de temperatura dentro del módulo después de llenar la almohadilla termoconductora

Figura 5: Comparación de la temperatura de los componentes principales dentro del módulo antes y después de llenar la almohadilla de conductividad térmica

Como se puede ver en la Figura 5, después de llenar la almohadilla térmica, la temperatura de estado estable de todos los componentes principales cae significativamente, con la temperatura del chip DSP cayendo por debajo de los 80 °C y la temperatura de los dispositivos TOSA y ROSA cayendo a casi 70°C, todo en el rango normal de temperatura de funcionamiento. Por lo tanto, llenar la almohadilla térmica puede mejorar efectivamente la condición de disipación de calor dentro del módulo y garantizar el funcionamiento normal de cada componente a altas temperaturas.

2.3 Efecto del coeficiente de almohadilla de conductividad térmica en la disipación de calor

Manteniendo otras variables sin cambios, cambie la conductividad térmica de la almohadilla llena y simule el cambio de la temperatura interna del módulo cuando se llena con almohadillas con diferente conductividad térmica, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6: Cambios de temperatura de los componentes principales dentro del módulo cuando se llena con almohadillas con diferente conductividad térmica

Como se puede ver en la Figura 6, con el aumento de la conductividad térmica de la almohadilla conductora de calor, la temperatura de cada elemento calefactor disminuirá, especialmente para el dispositivo con una gran generación de calor como DSP, el efecto de enfriamiento es más obvio. Sin embargo, la relación entre la temperatura y el cambio de conductividad térmica de la almohadilla termoconductora no es lineal, y el rango de disminución de la temperatura disminuye con el aumento de la conductividad térmica.

2.4 Efecto del relleno de huecos sobre la temperatura de los elementos calefactores

Manteniendo las demás variables sin cambios, establezca la conductividad térmica de la almohadilla térmica en 7 W/m·K. Cambie el espacio entre la superficie del elemento calefactor y la carcasa del módulo y luego simule el cambio en la distribución de temperatura dentro del módulo con diferentes espacios de llenado, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7: Cambios de temperatura de los componentes principales en el módulo bajo diferentes condiciones de espacio de llenado

Se puede ver en la figura que con el aumento del espacio de llenado, la temperatura de cada elemento calefactor aumentará en consecuencia. Especialmente para dispositivos con gran generación de calor como DSP, el efecto de aumento de temperatura es bastante obvio. Esto se debe a que la conductividad térmica del chip y la carcasa es casi 15 veces mayor que la de la almohadilla conductora de calor. En la ruta de disipación de calor del elemento calefactor y la carcasa, cuanto más gruesa es la almohadilla, mayor es la resistencia térmica, lo que a su vez conduce a un mayor aumento de temperatura. Como se muestra en la figura, el espacio de llenado y la temperatura tienen una relación casi lineal, lo que se debe a que la almohadilla conductora de calor cubre completamente la superficie del elemento calefactor, de modo que todo el calor del elemento calefactor se transfiere a la carcasa a través del calor. almohadilla conductora.

A partir de los resultados de la simulación, se puede ver que se deben usar almohadillas conductoras de calor con una conductividad térmica más alta. Sin embargo, el costo de la almohadilla conductora de calor con alta conductividad térmica es mayor, y el material es duro y no es fácil de comprimir. Por lo tanto, al seleccionar la conductividad térmica de la almohadilla conductora de calor, la propiedad conductora de calor, la dureza del material y el costo deben considerarse integralmente. Aunque cuanto menor sea el espacio de llenado, menor será el aumento de temperatura, el tamaño de diseño del espacio también debe considerar el error de altura de la carcasa y el elemento calefactor y la tasa de compresión adecuada de la almohadilla conductora de calor. En general, la tasa de compresión de la almohadilla térmica se mantiene entre el 20 % y el 25 % en la industria, lo que no solo puede garantizar que la almohadilla térmica se pueda llenar por completo en el espacio, sino también garantizar que el dispositivo no se verá afectado por estrés debido a la compresión excesiva de la almohadilla térmica. Por lo tanto, el tamaño de diseño general del espacio es de 0.6 mm, llenando una almohadilla térmica de 0.8 mm.

3. Rendimiento del módulo medido

Después de optimizar el diseño, usamos almohadillas conductoras térmicas con una conductividad térmica de 7 W y un espacio de 0.8 mm, que se unieron a los principales componentes internos del módulo, como se muestra en la Figura 3. El rendimiento de transmisión y recepción del módulo fue probado a una temperatura ambiente de 70 °C como se muestra en la Figura 8.

Figura 8: Diagrama de ojo del módulo óptico 200GQSFP-DD LR4 medido a 70 °C

Los principales indicadores de rendimiento del módulo, incluidos Transmitter Dispersion Eye Closure Quaternary (TDECQ), Extinction Ratio (ER) y Receiving Sensitivity, se muestran en la Tabla 3. Todos los indicadores cumplen con los requisitos del protocolo, y el módulo puede funcionar normalmente en alta temperatura. Al mismo tiempo, también se prueban el consumo de energía del módulo óptico y la temperatura medida por el sensor incorporado. La temperatura medida en el módulo óptico es significativamente más alta que la temperatura ambiente. Cuando la temperatura ambiente y la temperatura de la carcasa del módulo son de 70 °C, la temperatura medida dentro del módulo es de aproximadamente 76 °C, lo que indica que la disipación de calor general dentro del módulo es buena y los chips pueden mantener la temperatura de trabajo normal.

Tabla 3 Principales indicadores de rendimiento del módulo óptico 200GQSFP-DD LR4 medido a 70 °C

	Canal 0	Canal 1	Canal 2	Canal 3
TDECQ/dB	2.944	2.737	2.598	2.439
Relación de extinción/dB	4.195	4.047	4.34	3.958
Sensibilidad de recepción/dBm	-9.29	-9.87	-9.07	-9.25

Tabla 4 Consumo de energía medido y temperatura interna

Temperatura ambiente/°C	0	25	70
Temperatura interna del módulo/℃	7.55	32.1	76.8
Consumo de energía / W	5.15	5.31	6.3

4. Conclusión

En escenarios de aplicaciones prácticas, la disipación de calor general del módulo óptico está estrechamente relacionada con el entorno interno y el entorno externo del módulo. Algunos resultados de investigación muestran que la estructura externa y el flujo de aire circundante del módulo óptico afectarán el efecto general de disipación de calor del módulo y luego afectarán su funcionamiento estable.

Este artículo estudia principalmente la influencia del medio ambiente en la disipación de calor del módulo óptico, especialmente la influencia de varios parámetros de la almohadilla conductora térmica en el efecto de disipación de calor de 200G QSFP-DD LR4 módulo óptico. Se verifica que agregar una almohadilla de disipación de calor tiene un efecto evidente en la reducción de la temperatura interna del módulo óptico empaquetado QSFP-DD, y que el módulo cumple con el estándar en el entorno de alta temperatura de 70 °C. Estos resultados proporcionan una referencia de diseño térmico para módulos ópticos QSFP-DD de 200G de varias especificaciones, y pueden extenderse a 400G o incluso 800G QSFP-DD módulos ópticos, proporcionando una experiencia útil para la aplicación práctica a gran escala de módulos ópticos en forma de paquete QSFP-DD.