Etude de conception thermique du module optique 200G QSFP-DD LR4

Grâce au déploiement rapide des réseaux de communication 5G et à la construction de centres de données à haute capacité dans le monde entier, la demande de bande passante de communication explose. La demande de capacité de transmission optique au-delà de 100G dans les couches d'agrégation et centrales des réseaux de transport optique 5G et la demande de bande passante dans les centres de données augmentent rapidement. Ces facteurs entraînent le déploiement rapide de modules optiques 200/400G avec des taux de transmission plus élevés.

D'autre part, les exigences à faible coût et écologiques à faible émission de carbone conduisent au développement de modules optiques vers des emballages miniaturisés et des formes d'emballage compactes telles que Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density (QSFP-DD) et Octal Small Form Factor Pluggable. (OSFP) remplacent progressivement le 100G Centum Form-factor Pluggable (CFP) et sa forme améliorée CFP2 en tant que facteurs de forme courants pour les modules optiques 200G et 400G.

Le QSFP-DD est un nouveau package de modules enfichables à grande vitesse dont les spécifications ont été publiées en 2016 et ont reçu beaucoup d'attention, et après plusieurs modifications, les produits QSFP-DD sont devenus disponibles en 2018. L'interface électrique du package a 8 canaux et peut être utilisé pour la transmission réseau 200 ou 400G via la modulation sans retour à zéro (NRZ) ou la modulation d'amplitude à 4 impulsions (PAM4). Sa rétrocompatibilité avec QSFP+/QSFP28/QSFP56 et d'autres packages QSFP a aidé l'industrie à répondre à la demande de modules optiques enfichables haute densité et haute vitesse de nouvelle génération, et les modules optiques 200/400G dans les packages QSFP-DD sont de plus en plus utilisés. .

Avec le déploiement généralisé de modules optiques à haut débit à des débits supérieurs à 100G, la question de la dissipation thermique des modules a fait l'objet d'un examen plus approfondi. FiberMall prend le module optique 200G QSFP-DD LR4 (Long Range 4) comme objet de recherche, modélise et analyse l'effet du dissipateur thermique sur le changement de température interne du module pendant le fonctionnement, et étudie l'effet de dissipation thermique à l'intérieur du module sous différents paramètres , qui fournit une référence pour la sélection des paramètres du dissipateur thermique et l'optimisation du module optique QSFP-DD.

1. Modèle de simulation de l'analyse thermique du module optique QSFP-DD

Par rapport aux modules optiques emballés QSFP, les 200G et 400G QSFP-DD les modules optiques emballés augmentent le taux de transmission et la consommation d'énergie maximale de façon exponentielle avec très peu de changement dans l'espace dimensionnel interne. Par exemple, la consommation électrique du module optique 100G QSFP28 LR4 n'est que de 3.5 W, tandis que la consommation électrique du module optique 200G QSFP-DD LR4 est supérieure à 6 W. Cela augmentera considérablement la chaleur et la température à l'intérieur du module dans les mêmes conditions. , et l'exigence de 70 ° C pour les modules optiques de qualité commerciale rend les exigences de dissipation thermique interne du module plus strictes. Par conséquent, il est nécessaire d'analyser et d'étudier la dissipation thermique interne des modules optiques QSFP-DD.

Cet article adopte la méthode d'analyse thermique en régime permanent, basée sur l'équation du bilan thermique du principe de conservation de l'énergie, et considère trois types de modes de transfert de chaleur : la conduction thermique, la convection thermique et le rayonnement thermique. Compte tenu des conditions aux limites de température constante et des informations de puissance et de conductivité thermique de chaque composant du module optique, la distribution de température en régime permanent à l'intérieur du module est calculée par la méthode des éléments finis. Pour le module optique de qualité commerciale QSFP-DD, la simulation définit la condition limite de température de 70℃ en référence à l'exigence du protocole selon laquelle la température du boîtier ne doit pas dépasser 70℃.

Les principaux composants générateurs de chaleur à l'intérieur du module optique 200G QSFP-DD LR4 comprennent le sous-ensemble optique de l'émetteur (TOSA), le sous-ensemble optique du récepteur (ROSA), le traitement du signal numérique (DSP), l'unité de microcontrôleur (MCU) et la puce d'alimentation, etc. modules, ces puces sont souvent montées des deux côtés de la carte de circuit imprimé (PCB) afin d'adapter suffisamment de composants dans un espace interne compact, ce qui facilite également le transfert de chaleur à travers les deux côtés du module. Sur la base des spécifications dimensionnelles du package QSFP-DD, un modèle de simulation a été créé, comme illustré à la figure 1.

Figure 1 : Modèle de simulation thermique du 200G QSFP-DD LR4

Les paramètres liés à l'analyse thermique de chaque composant principal sont donnés dans le tableau 1 sur la base des résultats mesurés.

Tableau 1: Sparamètres d'imitation de mcomposant principals  

Composantes	Conductivité thermique/W/mK	Pouvoir calorifique/W	Volume/cm³	Taux de dégagement de chaleur/W/cm³
TOSA	17.3	1.5	0.57	2.58
ROSA	17.3	1	0.53	1.87
DSP	124	7	0.25	2.76
MCU	124	0.3	0.0048	60.19
Puce d'alimentation	124	0.3	0.0059	50.04

2 Résultats des simulations

2.1 Répartition de la température à l'intérieur du module

La distribution de température à l'intérieur du module à une température de boîtier de 70°C est illustrée à la figure 2, qui est obtenue par la méthode d'analyse de stabilité thermique du modèle ci-dessus.

Figure 2 : Répartition de la température interne du module 200G QSFP-DD LR4 à une température de boîtier de 70 °C

Les températures de chaque composant majeur sont indiquées dans le tableau 2.

Tableau 2 Température de chaque dispositif principal à l'intérieur du module 200GQSFP-DD LR4 à une température de boîtier de 70 °C

Composantes	TOSA	ROSA	DSP	MCU	Puce d'alimentation
Température/°C	95.9	87.6	117.3	84.9	84.7

Comme on peut le voir dans le tableau 2, la température de la plupart des zones à l'intérieur du module est bien supérieure à 70°C à l'état stable interne à la température du boîtier de 70°C. Afin de garantir les performances de compatibilité électromagnétique (CEM) et d'interférence électromagnétique (EMI) du module, l'intérieur du module doit être fermé. Pour cette raison, l'intérieur du module ne peut pas avoir d'air pour l'échange de chaleur par convection comme l'instrument, c'est-à-dire que le principal moyen de dissipation thermique est la conduction thermique.

Le composant chauffant du module ne peut conduire la chaleur qu'à travers l'air, alors que la conductivité thermique de l'air est très faible (0.03 W/mK), ce qui signifie que la chaleur générée par les composants est difficile à dissiper dans le petit espace à l'intérieur du module. Cela est particulièrement vrai pour le DSP. Son élévation de température dépasse 30 ℃ lorsque la température du boîtier est à 70 ℃, ce qui a dépassé la plage de température de fonctionnement normale du DSP. Si le module est à une température aussi élevée pendant une longue période, le fonctionnement normal de chaque composant sera affecté et même l'appareil

Si aucune mesure n'est prise, le 200G QSFP-DD Le module LR4 présente un grand risque de défaillance à une température élevée de 70°C. Par conséquent, il est nécessaire d'améliorer les conditions de dissipation thermique pour limiter efficacement la température de chaque composant à une plage de sécurité et assurer le fonctionnement normal du module optique à une température de boîtier de 70 ° C pendant une longue période.

2.2 Simulation de l'amélioration de la dissipation thermique par des plots thermoconducteurs

Le film de silicone rempli de particules de céramique est un matériau de remplissage d'espace avec une bonne conductivité thermique, souvent utilisé comme tampon conducteur thermique pour combler l'espace entre le composant générateur de chaleur et le boîtier du produit. En plus d'une bonne conductivité thermique, ses bonnes propriétés d'adhérence et de compression peuvent évacuer l'air entre le dispositif de génération de chaleur et le boîtier, afin d'obtenir un contact complet et d'améliorer l'effet de dissipation thermique. Avec l'augmentation de la consommation d'énergie des modules optiques, les pastilles thermoconductrices ont été largement utilisées pour améliorer les conditions de dissipation thermique à l'intérieur des modules.

Les coussinets thermiques sont placés sur les cinq principaux composants générateurs de chaleur, comme illustré à la figure 3. Les coussinets sont placés sur la surface supérieure du DSP, du MCU, de la puce d'alimentation et des surfaces supérieure et inférieure du TOSA et du ROSA, de sorte que les deux côtés des patins sont en contact avec les surfaces des composants et le boîtier, respectivement, dans le but de conduire la chaleur générée vers le boîtier. La conductivité thermique du tampon utilisé dans la simulation est de 7 w et l'espace de remplissage est de 1 mm.

Figure 3 : Schéma de principe du coussin de conductivité thermique placé à l'intérieur du module

La répartition de la température à l'intérieur du module est illustrée à la figure 4. La comparaison de la température des principaux composants avec et sans le coussin thermique est illustrée à la figure 5.

Figure 4 : Répartition de la température à l'intérieur du module après remplissage de la pastille thermoconductrice

Figure 5 : Comparaison de la température des principaux composants à l'intérieur du module avant et après le remplissage du coussin de conductivité thermique

Comme on peut le voir sur la figure 5, après avoir rempli le tampon thermique, la température à l'état stable de tous les principaux composants chute de manière significative, la température de la puce DSP tombant en dessous de 80 ° C et la température des dispositifs TOSA et ROSA tombant à près de 70°C, le tout dans la plage de température normale de fonctionnement. Par conséquent, le remplissage du tampon thermique peut améliorer efficacement les conditions de dissipation thermique à l'intérieur du module et garantir le fonctionnement normal de chaque composant à haute température.

2.3 Effet du coefficient de conductivité thermique du tampon sur la dissipation thermique

En gardant les autres variables inchangées, modifiez la conductivité thermique du tampon rempli et simulez le changement de la température interne du module lorsqu'il est rempli de tampons de conductivité thermique différente, comme illustré à la figure 6.

Figure 6 : Changements de température des principaux composants à l'intérieur du module lorsqu'il est rempli de coussins de conductivité thermique différente

Comme on peut le voir sur la figure 6, avec l'augmentation de la conductivité thermique du coussin conducteur de chaleur, la température de chaque élément chauffant diminuera, en particulier pour l'appareil à grande génération de chaleur tel que DSP, l'effet de refroidissement est plus évident. Cependant, la relation entre la température et le changement de conductivité thermique du tampon conducteur thermique n'est pas linéaire, et la plage de déclin de température diminue avec l'augmentation de la conductivité thermique.

2.4 Effet du remplissage des vides sur la température des éléments chauffants

En gardant les autres variables inchangées, réglez la conductivité thermique du coussin thermique à 7 W/m·K. Modifiez l'écart entre la surface de l'élément chauffant et le boîtier du module, puis simulez le changement de la répartition de la température à l'intérieur du module avec différents espaces de remplissage, comme illustré à la figure 7.

Figure 7 : Changements de température des principaux composants du module dans différentes conditions d'écart de remplissage

On peut voir sur la figure qu'avec l'augmentation de l'espace de remplissage, la température de chaque élément chauffant augmentera en conséquence. Surtout pour les appareils avec une grande génération de chaleur tels que DSP, l'effet d'élévation de température est plutôt évident. En effet, la conductivité thermique de la puce et de la coque est près de 15 fois supérieure à celle de la pastille thermoconductrice. Dans le chemin de dissipation thermique de l'élément chauffant et de la coque, plus le coussin est épais, plus la résistance thermique est importante, ce qui entraîne à son tour une élévation de température plus importante. Comme le montre la figure, l'espace de remplissage et la température sont proches d'une relation linéaire, car le coussin conducteur de chaleur recouvre complètement la surface de l'élément chauffant, de sorte que toute la chaleur de l'élément chauffant est transférée à la coque par la chaleur. coussin conducteur.

D'après les résultats de la simulation, on peut voir que des coussinets conducteurs de chaleur avec une conductivité thermique plus élevée doivent être utilisés. Cependant, le coût d'un tampon conducteur de chaleur à haute conductivité thermique est plus élevé et le matériau est dur et difficile à compresser. Par conséquent, lors de la sélection de la conductivité thermique du coussin thermoconducteur, la propriété de conduction thermique, la dureté du matériau et le coût doivent être pris en compte de manière exhaustive. Bien que plus l'espace de remplissage est petit, plus l'augmentation de température est faible, la taille de conception de l'espace doit également tenir compte de l'erreur de hauteur de la coque et de l'élément chauffant et du taux de compression approprié du coussin conducteur de chaleur. En général, le taux de compression du coussin thermique est maintenu entre 20 % et 25 % dans l'industrie, ce qui peut non seulement garantir que le coussin thermique peut être complètement rempli dans l'espace, mais également garantir que l'appareil ne sera pas affecté par contrainte due à une compression excessive du coussin thermique. Par conséquent, la taille de conception générale de l'espace est de 0.6 mm, remplissant un tampon thermique de 0.8 mm.

3. Performances mesurées du module

Après avoir optimisé la conception, nous avons utilisé des pastilles conductrices thermiques avec une conductivité thermique de 7 w et un écart de 0.8 mm, qui ont été fixées aux principaux composants internes du module, comme illustré à la figure 3. Les performances de transmission et de réception du module ont été testé à une température ambiante de 70 °C, comme illustré à la Figure 8.

Figure 8 : Diagramme de l'œil du module optique 200GQSFP-DD LR4 à 70 °C mesuré

Les principaux indicateurs de performance du module, y compris Transmitter Dispersion Eye Closure Quaternary (TDECQ), Extinction Ratio (ER) et Receive Sensitivity, sont présentés dans le tableau 3. Tous les indicateurs répondent aux exigences du protocole et le module peut fonctionner normalement à haute température. Dans le même temps, la consommation électrique du module optique et la température mesurée par le capteur intégré sont également testées. La température mesurée dans le module optique est nettement supérieure à la température ambiante. Lorsque la température ambiante et la température de la coque du module sont de 70 °C, la température mesurée à l'intérieur du module est d'environ 76 °C, ce qui indique que la dissipation thermique globale à l'intérieur du module est bonne et que les puces peuvent maintenir la température de fonctionnement normale.

Tableau 3 Principaux indicateurs de performance du module optique 200GQSFP-DD LR4 mesurés à 70°C

	Canal-0	Canal-1	Canal-2	Canal-3
TDECQ/dB	2.944	2.737	2.598	2.439
Taux d'extinction/dB	4.195	4.047	4.34	3.958
Sensibilité de réception/dBm	- 9.29	- 9.87	- 9.07	- 9.25

Tableau 4 Consommation électrique et température interne mesurées

Température ambiante/°C	0	25	70
Température interne du module/℃	7.55	32.1	76.8
Consommation électrique / W	5.15	5.31	6.3

4. Conclusion

Dans des scénarios d'application pratiques, la dissipation thermique globale du module optique est étroitement liée à l'environnement interne et à l'environnement externe du module. Certains résultats de recherche montrent que la structure externe et le flux d'air environnant du module optique affecteront l'effet global de dissipation thermique du module, puis affecteront son fonctionnement stable.

Cet article étudie principalement l'influence de l'environnement sur la dissipation thermique du module optique, en particulier l'influence de divers paramètres du tampon conducteur thermique sur l'effet de dissipation thermique de 200G QSFP-DD LR4 module optique. Il est vérifié que l'ajout d'un tampon de dissipation thermique a un effet évident sur la réduction de la température interne du module optique emballé QSFP-DD, et que le module répond à la norme dans un environnement à haute température de 70 °C. Ces résultats fournissent une référence de conception thermique pour les modules optiques QSFP-DD 200G de diverses spécifications, et peuvent être étendus à 400G ou même 800G QSFP-DD modules optiques, fournissant une expérience utile pour l'application pratique à grande échelle de modules optiques sous forme de conditionnement QSFP-DD.