200G QSFP-DD LR4光モジュールの熱設計検討

世界中で5G通信ネットワークの急速な展開と大容量データセンターの建設により、通信帯域の需要が急増しています。 100G光伝送ネットワークのアグリゲーション層とコア層での5Gを超える光伝送容量の需要と、データセンターでの帯域幅の需要が急速に高まっています。 これらの要因により、伝送速度の高い 200/400G 光モジュールが急速に展開されています。

一方、低コストで環境に配慮した低炭素の要件により、光モジュールの開発が小型化されたパッケージングや、Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density (QSFP-DD) や Octal Small Form Factor Pluggable などのコンパクトなパッケージ フォームに移行しています。 (OSFP) は、100G Centum Form-factor Pluggable (CFP) とその改良型 CFP2 を 200G および 400G 光モジュールの主流フォーム ファクタとして徐々に置き換えています。

QSFP-DD は、2016 年に仕様がリリースされ、多くの注目を集めた高速プラガブル モジュールの新しいパッケージであり、いくつかの変更を経て、2018 年に QSFP-DD 製品が利用可能になりました。パッケージの電気的インターフェイスは 8 チャネルで、 Non-Return to Zero (NRZ) 変調または 200 Pulse Amplitude Modulation (PAM400) を介した 4 または 4G ネットワーク伝送に使用できます。 QSFP+/QSFP28/QSFP56 およびその他の QSFP パッケージとの下位互換性は、業界が次世代の高密度で高速なプラガブル光モジュールの需要を満たすのに役立ち、QSFP-DD パッケージの 200/400G 光モジュールがますます使用されています。 .

100G を超えるレートの高速光モジュールが広く普及するにつれて、モジュールの熱放散の問題がより精査されるようになりました。 FiberMall は 200G QSFP-DD LR4 (Long Range 4) 光モジュールを研究対象として採用し、動作中のモジュールの内部温度変化に対するヒートシンクの影響をモデル化して分析し、さまざまなパラメーターの下でモジュール内の熱放散効果を研究します。 、ヒートシンク パラメータの選択と QSFP-DD 光モジュールの最適化のリファレンスを提供します。

1. QSFP-DD光モジュールの熱解析シミュレーションモデル

QSFP パッケージの光モジュールと比較して、200G および 400G QSFP-DD パッケージ化された光モジュールは、伝送速度と最大消費電力を指数関数的に増加させますが、内部の寸法空間はほとんど変化しません。 たとえば、100G QSFP28 LR4 光モジュールの消費電力はわずか 3.5 W ですが、200G QSFP-DD LR4 光モジュールの消費電力は 6 W 以上です。これにより、同じ条件下でモジュール内の熱と温度が大幅に上昇します。 、および商用グレードの光モジュールに対する70°Cの要件により、モジュールの内部熱放散要件がより厳しくなります。 したがって、QSFP-DD光モジュールの内部放熱を分析および検討する必要があります。

本稿では、エネルギー保存則の熱収支方程式に基づく定常熱解析の手法を採用し、熱伝導、熱対流、熱放射の 70 種類の熱伝達モードを考慮します。 一定温度の境界条件と、光モジュール内の各コンポーネントの電力と熱伝導率の情報が与えられると、モジュール内の定常状態の温度分布が有限要素法によって計算されます。 QSFP-DD商用グレードの光モジュールの場合、シミュレーションでは、ケース温度が70℃を超えてはならないというプロトコルの要件を参照して、XNUMX℃の温度境界条件を設定します。

200G QSFP-DD LR4 光モジュール内の主な発熱コンポーネントには、トランスミッタ光サブアセンブリ (TOSA)、レシーバ光サブアセンブリ (ROSA)、デジタル信号処理 (DSP)、マイクロコントローラ ユニット (MCU)、および電源チップなどが含まれます。モジュールの場合、これらのチップは多くの場合、プリント回路基板 (PCB) の両側に取り付けられ、コンパクトな内部スペースに十分なコンポーネントを収めるために、モジュールの両側からの熱伝達も促進します。 QSFP-DD パッケージの寸法仕様に基づいて、図 1 に示すようなシミュレーション モデルが作成されました。

図 1: 200G QSFP-DD LR4 の熱シミュレーション モデル

測定結果に基づいて、各主要コンポーネントの熱分析に関連するパラメータを表 1 に示します。

テーブル1： Sシミュレーション パラメータ のアイン成分s  

コンポーネント	熱伝導率/W/mK	発熱量/W	体積/cm³	発熱量/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
電源チップ	124	0.3	0.0059	50.04

2 シミュレーション結果

2.1 モジュール内の温度分布

上記モデルの熱安定性解析法により求めたケース温度70℃時のモジュール内温度分布を図2に示します。

図 2: 200 °C のケース温度での 4G QSFP-DD LR70 モジュールの内部温度分布

各主要コンポーネントの温度を表 2 に示します。

表 2 200 °C のケース温度での 4GQSFP-DD LR70 モジュール内の各主要デバイスの温度

コンポーネント	TOSA	ROSA	DSP	MCU	電源チップ
温度/°C	95.9	87.6	117.3	84.9	84.7

表 2 からわかるように、モジュール内部のほとんどの領域の温度は、ケース温度 70°C の内部定常状態で 70°C をはるかに超えています。 モジュールの電磁適合性 (EMC) および電磁干渉 (EMI) 性能を確保するには、モジュールの内部を密閉する必要があります。 このため、モジュール内部は機器のように対流熱交換のための空気を持つことができず、つまり熱伝導が主な放熱方法となります。

モジュールの加熱コンポーネントは空気を介してのみ熱を伝導できますが、空気の熱伝導率は非常に低く (0.03 W/mK)、コンポーネントによって生成された熱はモジュール内の小さなスペースで放散するのが難しいことを意味します。 これは特に DSP に当てはまります。 ケース温度30℃での温度上昇は70℃を超え、DSPの正常動作温度範囲を超えています。 モジュールがこのような高温に長時間さらされると、各コンポーネントの正常な動作が影響を受け、さらにはデバイス

対策を講じなければ、 200G QSFP-DD LR4 モジュールは 70 °C の高温で故障する大きなリスクがあります。したがって、放熱条件を改善して、各コンポーネントの温度を効果的に安全な範囲に制限し、光モジュールの正常な動作を保証する必要があります。ケース温度70℃で長時間。

2.2 熱伝導パッドによる放熱改善のシミュレーション

セラミック粒子入りシリコーンフィルムは、熱伝導性に優れた隙間充填材で、発熱部品と製品ケースの隙間を埋める熱伝導パッドとしてよく使用されます。 優れた熱伝導性に加えて、その優れた接着性と圧縮特性により、発熱デバイスとケースの間の空気を排出して、完全な接触を実現し、放熱効果を高めます。 光モジュールの消費電力の増加に伴い、モジュール内の放熱条件を改善するために、熱伝導パッドが広く使用されています。

サーマル パッドは、図 3 に示すように 7 つの主要な発熱コンポーネントに配置されます。パッドは、DSP、MCU、電源チップの上面、および TOSA と ROSA の上面と下面に配置されるため、パッドの両側は、発生した熱をケースに伝導する目的で、コンポーネントの表面とケースにそれぞれ接触しています。 シミュレーションで使用したパッドの熱伝導率は 1 w、充填ギャップは XNUMX mm です。

図 3: モジュール内に配置された熱伝導パッドの概略図

モジュール内の温度分布を図 4 に示します。サーマル パッドがある場合とない場合の主要コンポーネントの温度の比較を図 5 に示します。

図 4: 熱伝導パッドを充填した後のモジュール内の温度分布

図 5: 熱伝導パッドを充填する前後のモジュール内の主要コンポーネントの温度の比較

図 5 に示すように、サーマル パッドを充填した後、すべての主要コンポーネントの定常状態温度が大幅に低下し、DSP チップの温度が 80°C 未満に低下し、TOSA および ROSA デバイスの温度がほぼ 70°C に低下します。 XNUMX°C、すべて通常の動作温度範囲内。 したがって、サーマルパッドを充填すると、モジュール内の放熱状態が効果的に改善され、高温下での各コンポーネントの正常な動作が保証されます。

2.3 熱放散に対する熱伝導パッド係数の影響

図 6 に示すように、他の変数を変更せずに、充填されたパッドの熱伝導率を変更し、熱伝導率の異なるパッドでモジュールを充填した場合のモジュールの内部温度の変化をシミュレートします。

図 6: 熱伝導率の異なるパッドをモジュール内に充填した場合のモジュール内の主要コンポーネントの温度変化

図 6 からわかるように、熱伝導パッドの熱伝導率が増加すると、各発熱体の温度が低下します。特に、DSP などの発熱が大きいデバイスでは、冷却効果がより顕著になります。 ただし、温度と熱伝導パッドの熱伝導率の変化との関係は線形ではなく、熱伝導率の増加とともに温度低下範囲が減少します。

2.4 発熱体の温度に対するギャップ充填の影響

他の変数を変更せずに、サーマル パッドの熱伝導率を 7 W/m·K に設定します。 図 7 に示すように、発熱体の表面とモジュール ケースの間のギャップを変更し、さまざまな充填ギャップでモジュール内の温度分布の変化をシミュレートします。

図 7: さまざまな充填ギャップ条件下でのモジュール内の主要コンポーネントの温度変化

図から、充填ギャップの増加に伴い、各発熱体の温度がそれに応じて上昇することがわかります。 特にDSPなどの発熱量の大きいデバイスでは、温度上昇の影響が顕著です。 これは、チップとシェルの熱伝導率が熱伝導パッドの約 15 倍であるためです。 発熱体とシェルの放熱経路では、パッドが厚いほど熱抵抗が大きくなり、温度上昇が大きくなります。 図に示すように、充填ギャップと温度は線形関係に近くなります。これは、熱伝導パッドが発熱体の表面を完全に覆うため、発熱体のすべての熱が熱を介してシェルに伝達されるためです。導電パッド。

シミュレーション結果から、熱伝導率の高い熱伝導パッドを使用する必要があることがわかります。 ただし、熱伝導率の高い熱伝導パッドのコストは高く、材料は硬く、圧縮されにくいです。 したがって、熱伝導パッドの熱伝導率を選択するときは、熱伝導特性、材料の硬度、およびコストを総合的に考慮する必要があります。 充填ギャップが小さいほど温度上昇は低くなりますが、ギャップの設計サイズは、シェルと発熱体の高さの誤差、および熱伝導パッドの適切な圧縮率も考慮する必要があります。 一般に、サーマル パッドの圧縮率は、業界では 20% から 25% の間に維持されています。これにより、サーマル パッドがギャップを完全に埋めることができるだけでなく、デバイスがサーマルパッドの過度の圧縮によるストレス。 したがって、ギャップの一般的な設計サイズは 0.6 mm で、0.8 mm のサーマル パッドを埋めます。

3. モジュール性能測定結果

設計を最適化した後、熱伝導率 7 w、ギャップ 0.8 mm の熱伝導パッドを使用し、図 3 に示すようにモジュールの主要な内部コンポーネントに取り付けました。モジュールの送受信性能は図 70 に示すように、周囲温度 8 °C でテストされています。

図 8: 200°C で測定された 4GQSFP-DD LR70 光モジュールのアイ ダイアグラム

Transmitter Dispersion Eye Closure Quaternary (TDECQ)、消光比 (ER)、受信感度など、モジュールの主な性能指標を表 3 に示します。すべての指標はプロトコルの要件を満たし、モジュールは次の時間で正常に動作できます。高温。 同時に、光モジュールの消費電力と内蔵センサーで測定された温度もテストされます。 光モジュールで測定された温度は、周囲温度よりも大幅に高くなっています。 周囲温度とモジュール シェルの温度が 70°C の場合、モジュール内で測定された温度は約 76°C であり、モジュール内の全体的な熱放散が良好であり、チップが通常の動作温度を維持できることを示しています。

表 3 200°C で測定された 4GQSFP-DD LR70 光モジュールの主な性能指標

	チャネル0	チャネル1	チャネル2	チャネル3
TDECQ/dB	2.944	2.737	2.598	2.439
消光比/dB	4.195	4.047	4.34	3.958
受信感度/dBm	-9.29	-9.87	-9.07	-9.25

表 4 測定された消費電力と内部温度

周囲温度/℃	0	25	70
モジュール内部温度/℃	7.55	32.1	76.8
消費電力/W	5.15	5.31	6.3

4. まとめ

実際のアプリケーションシナリオでは、光モジュールの全体的な熱放散は、モジュールの内部環境と外部環境に密接に関連しています。 いくつかの研究結果は、光モジュールの外部構造と周囲の気流がモジュールの全体的な放熱効果に影響を与え、その後、その安定した動作に影響を与えることを示しています。

この記事では主に、光モジュールの熱放散に対する環境の影響、特に熱伝導パッドのさまざまなパラメータが光モジュールの熱放散効果に及ぼす影響について研究しています。 200G QSFP-DD LR4 光モジュール。 放熱パッドを追加することで、QSFP-DD パッケージの光モジュールの内部温度を下げる効果が明らかであり、モジュールが 70°C の高温環境で規格を満たしていることが確認されています。 これらの結果は、さまざまな仕様の 200G QSFP-DD 光モジュールの熱設計基準を提供し、400G またはさらに拡張することができます。 800G QSFP-DD QSFP-DDパッケージ形態の光モジュールの大規模な実用化に役立つ経験を提供します。