200G QSFP-DD LR4 광 모듈의 열 설계 연구

전 세계적으로 5G 통신망의 급속한 보급과 고용량 데이터 센터 구축으로 인해 통신 대역폭에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 100G 광 전송 네트워크의 집선 및 코어 레이어에서 5G 이상의 광 전송 용량에 대한 수요와 데이터 센터의 대역폭 수요가 빠르게 증가하고 있습니다. 이러한 요인으로 인해 전송 속도가 더 높은 200/400G 광 모듈의 신속한 배치가 이루어지고 있습니다.

한편, 저비용 및 녹색 저탄소 요구 사항은 광학 모듈을 소형화 패키징으로 발전시키고 있으며 QSFP-DD(Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density) 및 Octal Small Form Factor Pluggable과 같은 소형 패키징 형태로 발전하고 있습니다. (OSFP)는 100G 및 2G 광 모듈의 주류 폼 팩터로서 200G Centum Form-factor Pluggable(CFP) 및 향상된 폼 팩터 CFP400를 점진적으로 대체하고 있습니다.

QSFP-DD는 2016년 사양이 공개되어 많은 주목을 받은 고속 플러그형 모듈의 새로운 패키지로, 여러 수정을 거쳐 2018년에 QSFP-DD 제품이 출시되었습니다. 패키지의 전기 인터페이스는 8채널이며 Non-Return to Zero(NRZ) 변조 또는 200 펄스 진폭 변조(PAM400)를 통한 4 또는 4G 네트워크 전송에 사용됩니다. QSFP+/QSFP28/QSFP56 및 기타 QSFP 패키지와의 역호환성은 업계가 차세대 고밀도 및 고속 플러그형 광 모듈에 대한 수요를 충족하는 데 도움이 되었으며 QSFP-DD 패키지의 200/400G 광 모듈이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. .

100G 이상의 속도로 고속 광 모듈이 널리 보급됨에 따라 모듈 열 분산 문제가 더욱 면밀히 조사되었습니다. FiberMall은 200G QSFP-DD LR4(Long Range 4) 광 모듈을 연구 대상으로 삼고 작동 중 모듈의 내부 온도 변화에 대한 방열판의 영향을 모델링 및 분석하고 다양한 매개변수에서 모듈 내부의 방열 효과를 연구합니다. , 방열판 매개변수 선택 및 QSFP-DD 광 모듈 최적화에 대한 참조를 제공합니다.

1. QSFP-DD 광 모듈 열 분석 시뮬레이션 모델

QSFP 패키지 광 모듈과 비교하여 200G 및 400G QSFP-DD 패키지 광 모듈은 내부 차원 공간의 변화가 거의 없이 전송 속도와 최대 전력 소비를 기하급수적으로 증가시킵니다. 예를 들어, 100G QSFP28 LR4 광 모듈의 전력 소비는 3.5W에 불과한 반면 200G QSFP-DD LR4 광 모듈의 전력 소비는 6W 이상입니다. 이는 동일한 조건에서 모듈 내부의 열과 온도를 크게 증가시킵니다. , 상용 등급 광 모듈에 대한 70°C 요구 사항으로 인해 모듈의 내부 방열 요구 사항이 더욱 엄격해졌습니다. 따라서 QSFP-DD 광모듈의 내부 방열에 대한 분석과 연구가 필요하다.

이 기사는 에너지 보존 원리의 열 균형 방정식을 기반으로 정상 상태 열 분석 방법을 채택하고 열 전도, 열 대류 및 열 복사의 세 가지 유형의 열 전달 모드를 고려합니다. 일정한 온도의 경계 조건과 광학 모듈의 각 구성 요소의 전력 및 열전도도 정보가 주어지면 모듈 내부의 정상 상태에서의 온도 분포는 유한 요소법으로 계산됩니다. QSFP-DD 상용 등급 광 모듈의 경우 시뮬레이션은 케이스 온도가 70℃를 초과해서는 안 된다는 프로토콜 요구 사항을 참조하여 온도 경계 조건을 70℃로 설정합니다.

200G QSFP-DD LR4 광 모듈 내부의 주요 발열 부품에는 TOSA(Transmitter Optical Subassembly), ROSA(Receiver Optical Subassembly), DSP(Digital Signal Processing), MCU(Microcontroller Unit) 및 전원 칩 등이 있습니다. 실제로 모듈에서 이러한 칩은 작은 내부 공간에 충분한 구성 요소를 맞추기 위해 인쇄 회로 기판(PCB)의 양면에 장착되는 경우가 많으며, 이는 또한 모듈의 양면을 통한 열 전달을 용이하게 합니다. QSFP-DD 패키지의 치수 사양을 기반으로 그림 1과 같이 시뮬레이션 모델을 생성했습니다.

그림 1: 200G QSFP-DD LR4의 열 시뮬레이션 모델

측정 결과를 바탕으로 각 주요 부품의 열분석과 관련된 파라미터를 표 1에 나타내었다.

표 1: S시뮬레이션 매개변수 m의구성 요소s  

구성 요소들	열전도율/W/mK	발열량/W	부피/cm³	열방출율/W/cm³
토사	17.3	1.5	0.57	2.58
로사	17.3	1	0.53	1.87
DSP	124	7	0.25	2.76
MCU	124	0.3	0.0048	60.19
전원 칩	124	0.3	0.0059	50.04

2 시뮬레이션 결과

2.1 모듈 내부의 온도 분포

70°C 케이스 온도에서 모듈 내부의 온도 분포는 위 모델의 열 안정성 분석 방법으로 얻은 그림 2와 같습니다.

그림 2: 200°C 케이스 온도에서 4G QSFP-DD LR70 모듈의 내부 온도 분포

각 주요 구성 요소의 온도는 표 2에 나와 있습니다.

표 2 200°C 케이스 온도에서 4GQSFP-DD LR70 모듈 내부의 각 주요 장치 온도

구성 요소들	토사	로사	DSP	MCU	전원 칩
온도/°C	95.9	87.6	117.3	84.9	84.7

표 2에서 알 수 있듯이 모듈 내부 대부분의 영역의 온도는 케이스 온도 70°C에서 내부 정상 상태에서 70°C보다 훨씬 높습니다. 모듈의 전자기 호환성(EMC) 및 전자기 간섭(EMI) 성능을 보장하려면 모듈 내부를 닫아야 합니다. 이러한 이유로 모듈 내부에는 계기와 같은 대류 열교환을 위한 공기가 없습니다. 즉, 주요 열 분산 방법은 열전도입니다.

모듈 가열 구성 요소는 공기를 통해서만 열을 전도할 수 있는 반면 공기의 열전도율은 매우 낮습니다(0.03 W/mK). 이는 구성 요소에서 생성된 열이 모듈 내부의 작은 공간에서 발산되기 어렵다는 것을 의미합니다. DSP의 경우 특히 그렇습니다. 케이스 온도가 30℃일 때 온도 상승이 70℃를 초과하여 DSP의 정상 작동 온도 범위를 초과했습니다. 모듈이 오랫동안 이러한 고온에 있으면 각 구성 요소의 정상적인 작동에 영향을 미치고 장치에도 영향을 미칩니다.

아무런 조치도 취하지 않으면, 200G QSFP-DD LR4 모듈은 70 ° C의 고온에서 고장 위험이 큽니다. 따라서 각 구성 요소의 온도를 안전한 범위로 효과적으로 제한하고 광 모듈의 정상적인 작동을 보장하기 위해 방열 조건을 개선해야 합니다. 장시간 동안 70 ° C의 케이스 온도.

2.2 열전도 패드에 의한 방열 개선 시뮬레이션

세라믹 입자 충진 실리콘 필름은 열전도율이 좋은 간극 충진재로, 발열 부품과 제품 케이스 사이의 간극을 메우는 열전도 패드로 많이 사용됩니다. 우수한 열전도율 외에도 우수한 접착력과 압축 특성으로 발열 장치와 케이스 사이의 공기를 배출하여 완전한 접촉을 달성하고 방열 효과를 높일 수 있습니다. 광 모듈의 전력 소비가 증가함에 따라 모듈 내부의 방열 조건을 개선하기 위해 열 전도성 패드가 널리 사용되었습니다.

그림 3과 같이 열을 발생시키는 7대 주요 부품에 열 패드를 배치합니다. 패드는 DSP, MCU, 전원 공급 장치 칩의 상부 표면과 TOSA 및 ROSA의 상부 및 하부 표면에 배치되어 있습니다. 발생된 열을 케이스에 전달하기 위해 패드의 양면은 부품 표면과 케이스에 각각 접촉합니다. 시뮬레이션에 사용된 패드의 열전도율은 1w이고 충전 간격은 XNUMXmm입니다.

그림 3: 모듈 내부에 배치된 열전도 패드의 개략도

모듈 내부의 온도 분포는 그림 4에 나와 있습니다. 열 패드가 있는 경우와 없는 경우 주요 구성 요소의 온도 비교는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 4: 열 전도성 패드를 채운 후 모듈 내부의 온도 분포

그림 5: 열전도 패드를 채우기 전과 후의 모듈 내부 주요 부품 온도 비교

그림 5에서 볼 수 있듯이 열 패드를 채운 후 DSP 칩의 온도가 80°C 아래로 떨어지고 TOSA 및 ROSA 장치의 온도가 거의 70°C, 모두 정상 작동 온도 범위입니다. 따라서 열 패드를 채우면 모듈 내부의 방열 조건을 효과적으로 개선하고 고온에서 각 구성 요소의 정상 작동을 보장할 수 있습니다.

2.3 열전도 패드 계수가 방열에 미치는 영향

그림 6과 같이 다른 변수를 변경하지 않고 채워진 패드의 열전도율을 변경하고 열전도율이 다른 패드로 채워질 때 모듈의 내부 온도 변화를 시뮬레이션합니다.

그림 6: 열전도율이 다른 패드로 채워진 경우 모듈 내부 주요 구성 요소의 온도 변화

그림 6에서 알 수 있듯이 열전도 패드의 열전도율이 증가함에 따라 각 발열체의 온도가 감소합니다. 특히 DSP와 같이 발열이 큰 장치의 경우 냉각 효과가 더 분명합니다. 그러나 온도와 열전도 패드의 열전도도 변화의 관계는 선형적이지 않으며 열전도도가 증가함에 따라 온도 감소 범위가 감소합니다.

2.4 발열체 온도에 대한 간극 충진 효과

다른 변수는 변경하지 않고 열 패드의 열전도율을 7W/m·K로 설정합니다. 발열체 표면과 모듈 케이스 사이의 간격을 변경한 다음 그림 7과 같이 충전 간격을 달리하여 모듈 내부의 온도 분포 변화를 시뮬레이션합니다.

그림 7: 서로 다른 충진 간격 조건에서 모듈의 주요 구성 요소 온도 변화

충전 간격이 증가함에 따라 각 가열 요소의 온도가 그에 따라 상승한다는 것을 그림에서 볼 수 있습니다. 특히 DSP와 같이 발열이 큰 장치의 경우 온도 상승 효과가 다소 뚜렷합니다. 칩과 쉘의 열전도율이 열전도 패드의 15배 가까이 되기 때문이다. 발열체와 쉘의 방열 경로에서 패드가 두꺼울수록 열 저항이 커져 온도 상승이 더 커집니다. 그림에서 볼 수 있듯이 충전 간격과 온도는 선형 관계에 가깝습니다. 이는 열전도 패드가 발열체의 표면을 완전히 덮어 발열체의 모든 열이 열을 통해 쉘로 전달되기 때문입니다. 전도성 패드.

시뮬레이션 결과로부터 열전도율이 높은 열전도 패드를 사용해야 함을 알 수 있다. 그러나 열전도율이 높은 열전도 패드는 가격이 비싸고 재질이 단단해 압축이 쉽지 않다. 따라서 열전도 패드의 열전도도를 선정할 때에는 열전도성, 재질의 경도, 비용 등을 종합적으로 고려하여야 한다. 충전 간극이 작을수록 온도 상승은 낮지만 간극의 설계 크기는 쉘과 발열체의 높이 오차와 열전도 패드의 적절한 압축률도 고려해야 합니다. 일반적으로 열 패드의 압축률은 업계에서 20% ~ 25% 사이로 유지되므로 열 패드가 틈에 완전히 채워질 수 있을 뿐만 아니라 장치가 다음과 같은 영향을 받지 않도록 할 수 있습니다. 열 패드의 과도한 압축으로 인한 응력. 따라서 간격의 일반적인 설계 크기는 0.6mm이며 0.8mm 열 패드를 채웁니다.

3. 측정된 모듈 성능

설계를 최적화한 후 열전도율 7w, 간격 0.8mm의 열전도 패드를 그림 3과 같이 모듈의 주요 내부 구성 요소에 부착했습니다. 모듈의 송수신 성능은 다음과 같습니다. 그림 70과 같이 8°C의 주변 온도에서 테스트되었습니다.

그림 8: 200°C에서 측정된 4GQSFP-DD LR70 광학 모듈의 아이 다이어그램

TDECQ(Transmitter Dispersion Eye Closure Quaternary), ER(Extinction Ratio) 및 수신 감도를 포함한 모듈의 주요 성능 지표는 표 3에 나와 있습니다. 모든 지표는 프로토콜의 요구 사항을 충족하며 모듈은 다음과 같이 정상적으로 작동할 수 있습니다. 높은 온도. 동시에 광 모듈의 소비 전력과 내장 센서에서 측정한 온도도 테스트합니다. 광 모듈에서 측정된 온도가 주변 온도보다 상당히 높습니다. 주변 온도와 모듈 셸의 온도가 70°C일 때 모듈 내부에서 측정된 온도는 약 76°C로 모듈 내부의 전체 열 분산이 양호하고 칩이 정상 작동 온도를 유지할 수 있음을 나타냅니다.

표 3 200°C에서 측정된 4GQSFP-DD LR70 광 모듈의 주요 성능 지표

	채널-0	채널-1	채널-2	채널-3
TDECQ/dB	2.944	2.737	2.598	2.439
소광비/dB	4.195	4.047	4.34	3.958
수신감도/dBm	-9.29	-9.87	-9.07	-9.25

표 4 측정된 전력 소비 및 내부 온도

주변 온도/°C	0	25	70
모듈 내부 온도/℃	7.55	32.1	76.8
소비전력/W	5.15	5.31	6.3

4. 결론

실제 응용 시나리오에서 광 모듈의 전체 열 발산은 모듈의 내부 환경 및 외부 환경과 밀접한 관련이 있습니다. 일부 연구 결과에 따르면 광학 모듈의 외부 구조와 주변 공기 흐름이 모듈의 전체 방열 효과에 영향을 미치고 안정적인 작동에 영향을 미칩니다.

이 기사는 주로 광학 모듈의 방열에 대한 환경의 영향, 특히 방열 효과에 대한 열 전도성 패드의 다양한 매개 변수의 영향을 연구합니다. 200G QSFP-DD LR4 광학 모듈. 방열 패드를 추가하면 QSFP-DD 패키지 광 모듈의 내부 온도를 낮추는 데 분명한 효과가 있으며 모듈이 70°C의 고온 환경에서 표준을 충족함을 확인했습니다. 이러한 결과는 다양한 사양의 200G QSFP-DD 광 모듈에 대한 열 설계 참조를 제공하며 400G 또는 심지어 800G QSFP-DD 광 모듈, QSFP-DD 패키징 형태의 광 모듈의 대규모 실제 적용에 유용한 경험을 제공합니다.