Estudo de design térmico do módulo óptico 200G QSFP-DD LR4

Graças à rápida implantação de redes de comunicação 5G e à construção de data centers de alta capacidade em todo o mundo, a demanda por largura de banda de comunicação está aumentando. A demanda por capacidade de transmissão óptica além de 100 G na agregação e nas camadas centrais das redes de transporte óptico 5G e a demanda por largura de banda em data centers estão crescendo rapidamente. Esses fatores estão impulsionando a rápida implantação de módulos ópticos 200/400G com taxas de transmissão mais altas.

Por outro lado, os requisitos de baixo custo e baixo teor de carbono verde estão impulsionando o desenvolvimento de módulos ópticos para embalagens miniaturizadas e formas de embalagem compactas, como Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density (QSFP-DD) e Octal Small Form Factor Pluggable (OSFP) estão gradualmente substituindo o 100G Centum Form-factor Pluggable (CFP) e sua forma aprimorada CFP2 como os principais fatores de forma para módulos ópticos 200G e 400G.

O QSFP-DD é um novo pacote de módulos conectáveis ​​de alta velocidade cujas especificações foram lançadas em 2016 e receberam muita atenção, e após várias modificações, os produtos QSFP-DD foram disponibilizados em 2018. A interface elétrica do pacote possui 8 canais e pode ser usado para transmissão de rede 200 ou 400G via modulação sem retorno a zero (NRZ) ou modulação de amplitude de 4 pulsos (PAM4). Sua compatibilidade com versões anteriores com QSFP+/QSFP28/QSFP56 e outros pacotes QSFP ajudou a indústria a atender à demanda por módulos ópticos conectáveis ​​de alta densidade e alta velocidade da próxima geração, e os módulos ópticos 200/400G em pacotes QSFP-DD estão sendo cada vez mais usados .

Com a implantação generalizada de módulos ópticos de alta velocidade em taxas acima de 100G, a questão da dissipação de calor do módulo passou a ser mais examinada. FiberMall usa o módulo óptico 200G QSFP-DD LR4 (Long Range 4) como objeto de pesquisa, modela e analisa o efeito do dissipador de calor na mudança de temperatura interna do módulo durante a operação e estuda o efeito de dissipação de calor dentro do módulo sob diferentes parâmetros , que fornece uma referência para seleção de parâmetros do dissipador de calor e otimização do módulo óptico QSFP-DD.

1. Modelo de Simulação da Análise Térmica do Módulo Óptico QSFP-DD

Em comparação com os módulos ópticos encapsulados QSFP, o 200G e o 400G QSFP-DD módulos ópticos empacotados aumentam exponencialmente a taxa de transmissão e o consumo máximo de energia com muito pouca alteração no espaço dimensional interno. Por exemplo, o consumo de energia do módulo óptico 100G QSFP28 LR4 é de apenas 3.5 W, enquanto o consumo de energia do módulo óptico 200G QSFP-DD LR4 é superior a 6 W. Isso aumentará muito o calor e a temperatura dentro do módulo nas mesmas condições , e o requisito de 70°C para módulos ópticos de nível comercial torna os requisitos de dissipação de calor internos do módulo mais rigorosos. Portanto, é necessário analisar e estudar a dissipação de calor interna dos módulos ópticos QSFP-DD.

Este artigo adota o método de análise térmica em estado estacionário, baseado na equação de balanço térmico do princípio da conservação de energia, e considera três tipos de modos de transferência de calor: condução de calor, convecção de calor e radiação de calor. Dadas as condições de contorno de temperatura constante e as informações de potência e condutividade térmica de cada componente do módulo óptico, a distribuição de temperatura em estado estacionário no interior do módulo é calculada pelo método dos elementos finitos. Para o módulo óptico de nível comercial QSFP-DD, a simulação define a condição de limite de temperatura de 70 ℃ com referência ao requisito do protocolo de que a temperatura da caixa não deve exceder 70 ℃.

Os principais componentes geradores de calor dentro do módulo óptico 200G QSFP-DD LR4 incluem subconjunto óptico do transmissor (TOSA), subconjunto óptico do receptor (ROSA), processamento de sinal digital (DSP), unidade de microcontrolador (MCU) e chip de fonte de alimentação, etc. módulos, esses chips geralmente são montados em ambos os lados da placa de circuito impresso (PCB) para acomodar componentes suficientes em um espaço interno compacto, o que também facilita a transferência de calor pelos dois lados do módulo. Com base nas especificações dimensionais do pacote QSFP-DD, foi criado um modelo de simulação conforme a Figura 1.

Figura 1: Modelo de Simulação Térmica de 200G QSFP-DD LR4

Os parâmetros relacionados à análise térmica de cada componente principal são apresentados na Tabela 1 com base nos resultados medidos.

tabela 1: Sparâmetros de simulação de mcomponente ains  

Componentes	Condutividade térmica/W/mK	Valor calorífico/W	Volume/cm³	Taxa de liberação de calor/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
chip de alimentação	124	0.3	0.0059	50.04

2 Resultados da simulação

2.1 Distribuição de temperatura dentro do módulo

A distribuição de temperatura dentro do módulo a 70°C de temperatura de caixa é mostrada na Figura 2, que é obtida pelo método de análise de estabilidade térmica do modelo acima.

Figura 2: Distribuição de temperatura interna do módulo 200G QSFP-DD LR4 a 70 °C de temperatura da caixa

As temperaturas de cada componente principal são mostradas na Tabela 2.

Tabela 2 Temperatura de cada dispositivo principal dentro do módulo 200GQSFP-DD LR4 a 70 °C de temperatura do gabinete

Componentes	TOSA	ROSA	DSP	MCU	chip de alimentação
Temperatura/°C	95.9	87.6	117.3	84.9	84.7

Como pode ser visto na Tabela 2, a temperatura da maioria das áreas dentro do módulo é muito superior a 70°C no estado estacionário interno na temperatura de caixa de 70°C. Para garantir a compatibilidade eletromagnética (EMC) e o desempenho de interferência eletromagnética (EMI) do módulo, o interior do módulo precisa ser fechado. Por este motivo, o interior do módulo não pode ter ar para troca de calor por convecção como o instrumento, ou seja, a principal forma de dissipação de calor é a condução de calor.

O componente de aquecimento do módulo só pode conduzir calor pelo ar, enquanto a condutividade térmica do ar é muito baixa (0.03 W/mK), o que significa que o calor gerado pelos componentes é difícil de dissipar no pequeno espaço dentro do módulo. Isso é especialmente verdadeiro para DSP. Seu aumento de temperatura excede 30 ℃ quando a temperatura da caixa está em 70 ℃, o que excedeu a faixa de temperatura operacional normal do DSP. Se o módulo estiver em uma temperatura tão alta por muito tempo, o funcionamento normal de cada componente será afetado e até mesmo o dispositivo

Se nenhuma providência for tomada, o 200G QSFP-DD O módulo LR4 tem um grande risco de falha em alta temperatura de 70 ° C. Portanto, é necessário melhorar as condições de dissipação de calor para limitar efetivamente a temperatura de cada componente a uma faixa segura e garantir o funcionamento normal do módulo óptico em uma temperatura de caixa de 70 ° C por um longo tempo.

2.2 Simulação da melhoria da dissipação de calor por almofadas condutoras térmicas

O filme de silicone preenchido com partículas de cerâmica é um material de preenchimento de lacunas com boa condutividade térmica, frequentemente usado como almofada condutora térmica para preencher a lacuna entre o componente gerador de calor e a caixa do produto. Além da boa condutividade térmica, suas boas propriedades de adesão e compressão podem descarregar o ar entre o dispositivo de geração de calor e a caixa, a fim de obter contato total e aumentar o efeito de dissipação de calor. Com o aumento do consumo de energia dos módulos ópticos, almofadas condutoras térmicas têm sido amplamente utilizadas para melhorar as condições de dissipação de calor dentro dos módulos.

As almofadas térmicas são colocadas nos cinco principais componentes geradores de calor, conforme mostrado na Figura 3. As almofadas são colocadas na superfície superior do DSP, MCU, chip de fonte de alimentação e nas superfícies superior e inferior do TOSA e ROSA, de modo que ambos os lados das almofadas estão em contato com as superfícies dos componentes e o invólucro, respectivamente, com a finalidade de conduzir o calor gerado para o invólucro. A condutividade térmica da almofada usada na simulação é de 7 w e a folga de enchimento é de 1 mm.

Figura 3: Diagrama esquemático da almofada de condutividade térmica colocada dentro do módulo

A distribuição de temperatura dentro do módulo é mostrada na Figura 4. A comparação da temperatura dos principais componentes com e sem a almofada térmica é mostrada na Fig. 5.

Figura 4: Distribuição de temperatura dentro do módulo após o preenchimento da almofada condutora térmica

Figura 5: Comparação da temperatura dos principais componentes dentro do módulo antes e depois de encher a almofada de condutividade térmica

Como pode ser visto na Figura 5, depois de encher a almofada térmica, a temperatura de estado estacionário de todos os principais componentes cai significativamente, com a temperatura do chip DSP caindo abaixo de 80°C e a temperatura dos dispositivos TOSA e ROSA caindo para quase 70°C, tudo na faixa normal de temperatura operacional. Portanto, preencher a almofada térmica pode efetivamente melhorar a condição de dissipação de calor dentro do módulo e garantir a operação normal de cada componente sob alta temperatura.

2.3 Efeito do coeficiente da almofada de condutividade térmica na dissipação de calor

Mantendo as demais variáveis ​​inalteradas, altere a condutividade térmica do pad preenchido, e simule a mudança da temperatura interna do módulo quando ele for preenchido com pads com diferentes condutividades térmicas, conforme mostra a Figura 6.

Figura 6: Mudanças de temperatura dos principais componentes dentro do módulo quando ele é preenchido com pastilhas com diferentes condutividades térmicas

Como pode ser visto na Figura 6, com o aumento da condutividade térmica da almofada condutora de calor, a temperatura de cada elemento de aquecimento diminuirá, especialmente para o dispositivo com grande geração de calor, como DSP, o efeito de resfriamento é mais óbvio. No entanto, a relação entre a temperatura e a alteração da condutividade térmica da almofada condutora térmica não é linear, e a faixa de declínio da temperatura diminui com o aumento da condutividade térmica.

2.4 Efeito do preenchimento de lacunas na temperatura dos elementos de aquecimento

Mantendo as outras variáveis ​​inalteradas, defina a condutividade térmica da almofada térmica para 7 W/m·K. Altere a folga entre a superfície do elemento de aquecimento e a caixa do módulo e, em seguida, simule a mudança na distribuição de temperatura dentro do módulo com diferentes lacunas de preenchimento, conforme mostrado na Figura 7.

Figura 7: Mudanças de temperatura dos principais componentes do módulo em diferentes condições de lacuna de enchimento

Pode-se ver na figura que, com o aumento da folga de enchimento, a temperatura de cada elemento de aquecimento aumentará proporcionalmente. Especialmente para dispositivos com grande geração de calor, como DSP, o efeito do aumento de temperatura é bastante óbvio. Isso ocorre porque a condutividade térmica do chip e do invólucro é quase 15 vezes maior que a da almofada condutora de calor. No caminho de dissipação de calor do elemento de aquecimento e do invólucro, quanto mais espessa a almofada, maior a resistência térmica, o que, por sua vez, leva a um maior aumento de temperatura. Conforme mostrado na figura, a lacuna de enchimento e a temperatura estão próximas da relação linear, porque a almofada condutora de calor cobre completamente a superfície do elemento de aquecimento, de modo que todo o calor do elemento de aquecimento é transferido para o invólucro através do calor almofada condutora.

A partir dos resultados da simulação, pode-se ver que almofadas condutoras de calor com maior condutividade térmica precisam ser usadas. No entanto, o custo da almofada condutora de calor com alta condutividade térmica é maior, e o material é duro e difícil de ser comprimido. Portanto, ao selecionar a condutividade térmica da almofada condutora de calor, a propriedade de condução de calor, a dureza do material e o custo devem ser considerados de forma abrangente. Embora quanto menor a lacuna de enchimento, menor o aumento de temperatura, o tamanho do projeto da lacuna também deve considerar o erro de altura do invólucro e do elemento de aquecimento e a taxa de compressão apropriada da almofada condutora de calor. Em geral, a taxa de compressão da almofada térmica é mantida entre 20% e 25% na indústria, o que pode não apenas garantir que a almofada térmica possa ser totalmente preenchida na lacuna, mas também garantir que o dispositivo não seja afetado por estresse devido à compressão excessiva da almofada térmica. Portanto, o tamanho geral do projeto da lacuna é de 0.6 mm, preenchendo a almofada térmica de 0.8 mm.

3. Desempenho do módulo medido

Depois de otimizar o projeto, usamos almofadas condutoras térmicas com condutividade térmica de 7 w e folga de 0.8 mm, que foram fixadas aos principais componentes internos do módulo, conforme mostrado na Figura 3. O desempenho de transmissão e recepção do módulo foi testado a uma temperatura ambiente de 70 °C, conforme mostrado na Figura 8.

Figura 8: Diagrama do olho do módulo óptico 200GQSFP-DD LR4 a 70°C medido

Os principais indicadores de desempenho do módulo, incluindo Quaternário de Fechamento dos Olhos de Dispersão do Transmissor (TDECQ), Taxa de Extinção (ER) e Sensibilidade de Recepção, são mostrados na Tabela 3. Todos os indicadores atendem aos requisitos do protocolo, e o módulo pode funcionar normalmente em Temperatura alta. Ao mesmo tempo, o consumo de energia do módulo óptico e a temperatura medida pelo sensor embutido também são testados. A temperatura medida no módulo óptico é significativamente mais alta que a temperatura ambiente. Quando a temperatura ambiente e a temperatura do invólucro do módulo são 70°C, a temperatura medida dentro do módulo é de cerca de 76°C, indicando que a dissipação geral de calor dentro do módulo é boa e os chips podem manter a temperatura normal de trabalho.

Tabela 3 Principais indicadores de desempenho do 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
Taxa de extinção/dB	4.195	4.047	4.34	3.958
Sensibilidade de recepção/dBm	-9.29	-9.87	-9.07	-9.25

Tabela 4 Consumo de energia medido e temperatura interna

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

4. Conclusão

Em cenários de aplicação prática, a dissipação de calor geral do módulo óptico está intimamente relacionada ao ambiente interno e externo do módulo. Alguns resultados de pesquisa mostram que a estrutura externa e o fluxo de ar ao redor do módulo óptico afetarão o efeito geral de dissipação de calor do módulo e, em seguida, afetarão sua operação estável.

Este artigo estuda principalmente a influência do ambiente na dissipação de calor do módulo óptico, especialmente a influência de vários parâmetros da almofada condutora térmica no efeito de dissipação de calor de 200G QSFP-DD LR4 módulo óptico. Verificou-se que a adição de almofada de dissipação de calor tem um efeito óbvio na redução da temperatura interna do módulo óptico encapsulado QSFP-DD e que o módulo atende ao padrão no ambiente de alta temperatura de 70°C. Esses resultados fornecem uma referência de design térmico para módulos ópticos 200G QSFP-DD de várias especificações e podem ser estendidos para 400G ou mesmo 800G QSFP-DD módulos ópticos, fornecendo experiência útil para a aplicação prática em larga escala de módulos ópticos na forma de embalagem QSFP-DD.