光收發模塊的熱設計研究

引 言

       隨著信息產業的全面普及以及由它帶來的全球數據量的爆發性增長，全球數據中心建設如火如荼。同時，隨著節能減排、綠色環保成為世界產業界的必由之路，數據中心的能耗降低也迫在眉睫。四通道小型可插拔（Quad Small Form-factor Pluggable Plus，QSFP+）光收發模塊體積小，功耗低，可以支持客戶高密度單板的需求，具備針對性的解決方案。它能夠廣泛應用于云計算、數據中心、企業網等應用領域，在高速大容量數據傳輸中承擔重要的角色，擁有巨大的市場前景。

       現代電子技術的迅猛發展與熱控制技術的不斷進步有著密切的關系，熱設計目前成為光電子組件、器件與模塊設計的重要組成部分。早期出現的光收發模塊如SFP+封裝形式的熱流密度一般不超過2W/in2，這類光模塊一般不需要加裝散熱片進行散熱，而隨著光模塊朝高速率、高集成度、微小型化方向發展，其熱流密度不斷增大，導致發熱量增加和溫度急劇上升。商業級光模塊內激光器的殼溫要求不得超過70℃，比光模塊所在交換盤其他元器件溫度要求低15℃，導致光模塊對溫度的要求極為苛刻，散熱問題成為制約光收發模塊技術發展的關鍵技術之一。

       針對光收發模塊的熱設計，有文獻以XFP模塊為例，模擬分析其在不同溫度條件下的工作狀態；其中也有文獻提供了一種針對SFP光收發模塊內部光發射次模塊的熱學建模方法；有文獻研究了CFP模塊級封裝中的熱場問題，對CFP模塊內部的熱場分布進行了熱分析。

       本文以QSFP+光收發模塊為研究對象，使用某商業仿真軟件對QSFP+光收發模塊的散熱問題進行了數值模擬，研究了光收發模塊殼體材料的導熱系數、發熱器件和散熱片的相對位置以及模塊外殼與散熱器接觸界面的接觸熱阻對QSFP+光收發模塊的散熱影響，可為光收發模塊的設計提供參考與建議。

1 QSFP+光模塊熱設計建模

1.1 QSFP+光模塊散熱路徑

       光模塊傳遞的熱量按照Fouries導熱定律計算，熱傳導、對流換熱和輻射換熱是熱傳遞的３種基本方式 。基于熱設計的基礎理論分析，QSFP+光模塊工作時的熱環境及傳熱路徑如圖１所示。

       QSFP+光模塊插入面板后，內部產生的熱量小部分由周圍空氣自然對流散熱，大部分則以熱傳導的方式散熱。熱量由溫度高的一端傳遞到溫度低的一端，模塊熱量向上傳遞至封裝外殼及散熱器，再由散熱器通過對流和輻射散出，向下傳遞至主板。

圖１ 光模塊工作熱環境及傳熱路徑

        于光模塊封裝外殼與散熱片之間接觸表面在微觀上不平整，其中必然存在空氣等介質，因而接觸表面總存在一定的接觸熱阻。為提高模塊整體散熱效率，需盡可能減小光模塊與散熱片之間的熱阻。

1.2  QSFP＋光模塊熱模型

        QSFP+光模塊包括TOSA 組件(Transmitter Optical Sub-assembly)?ROSA 組件( Receiver Optical Sub-assembly)以及驅動和控制IC,其封裝結構如圖2所示?

圖２ QSFP+光模塊封裝結構示意圖

        QSFP+光模塊的總功耗為5Ｗ，模塊的總功率密度達到1.34Ｗ/cm2 。散熱片材料采用鋁合金，導熱系數為200Ｗ/m.k。利用某商業仿真軟件建立QSFP+光模塊熱模型，如圖3所示。

圖３ QSFP+光模塊熱模型

       在該模型中，為QSFP+光模塊外殼基板設置不同材料，對比研究不同導熱系數材料對光模塊溫度場的影響。

       外殼導熱材料具體分為4種類型，見表１。

       考慮QSFP+光模塊封裝外殼與散熱片接觸面的接觸熱阻對溫度場的影響，在封裝殼體與散熱片接觸面設置接觸熱阻。

具體分為2種情形：

1. 接觸熱阻為Rc1 ，接觸面表面粗糙度Ra為1.6μｍ，對散熱片施加5N 的壓力；

2. 接觸熱阻為Rc2 ，接觸面表面粗糙度Ra為0.6μｍ，對散熱片施加10Ｎ的壓力。

為簡化分析，上述2種情形均不考慮封裝殼體和散熱片的平面度對接觸熱阻的影響。

參照文獻提供的計算方法，計算出上述２種情形下的接觸熱阻：

Rc1=3.2cm2.℃/W,

Rc2=1.05cm2.℃/W?

改變QSFP+光模塊中發熱組件和散熱片基板的相對位置，研究不同布局對溫度場的影響。具體分為４種情形，見圖４。

其中:

圖4(a)為初始布局，該條件下光模塊功率密度為1.34Ｗ/cm２，功率密度等級為pd14；

圖4(b)為保持散熱片位置不變，縮短發熱組件與散熱片基板之間的距離；

圖4(c)為保持發熱組件位置不變，縮短散熱片基板與發熱組件之間的距離；

圖4(d)為發熱組件和散熱片基板位置均不變，散熱片與模塊封裝外殼接觸面基板的長度增加５ｍｍ，該條件下光模塊功率密度為1.14Ｗ/cm2，功率密度等級為pd12 。

圖４ 發熱組件和散熱片基板的相對位置

2 仿真結果分析

       使用某商業仿真軟件，針對不同殼體材料、接觸熱阻、器件布局，對建立的QSFP+光模塊的熱模型進行仿真分析，輸出模塊殼溫數據，建立相關曲線。根據MSA協議規定，QSFP+光模塊的散熱性能重點關注模塊殼溫以及模塊殼體和散熱器之間的溫差。圖5為QSFP+光模塊殼體導熱系數、器件布局、接觸熱阻與模塊最大殼溫的關系。圖5為QSFP+光模塊殼體導熱系數、器件布局、接觸熱阻與模塊殼體和散熱器之間溫差的關系。

       由圖５、圖６可知，光模塊散熱的重要影響因素包括：

1. 殼體導熱系數:

在相同散熱條件下，提高殼體導熱系數有利于降低模塊殼溫，同時有利于降低模塊殼體和散熱器之間的溫差。

2. 器件布局:

縮短散熱片基板與發熱組件之間的距離，有利于降低模塊殼溫及模塊殼體和散熱器之間的溫差。由圖5和圖6可知，提高殼體導熱系數，有利于降低器件布局對模塊散熱的影響。

3. 接觸熱阻。

       模塊殼體與散熱器之間的接觸熱阻是模塊散熱的重要影響因素。降低接觸熱阻有利于提高模塊的散熱性能，進而降低模塊殼溫及模塊殼體與散熱器之間的溫差。由圖5,圖6可知，在相同散熱條件下，接觸熱阻為Rc2時模塊的殼溫及模塊與散熱器之間的溫差比接觸熱阻為Rc1時低2℃～3℃。

4. 散熱器與模塊殼體的接觸面積。

由圖6可知，通過增加散熱器接觸面長度，模塊殼溫及模塊殼體與散熱器之間的溫差可以降低約1.5℃。

綜合采用提高殼體導熱系數、降低接觸熱阻以及增大模塊殼體與散熱片的接觸面積的多種措施，最大可以改善模塊殼溫及模塊殼體與散熱器之間的溫差約5℃，可以有效改善QSFP+光模塊的散熱。

3 結束語

       本文主要圍繞與可靠性相關的散熱問題對QSFP+光收發模塊展開研究。在分析模塊內熱傳導路徑的基礎上，通過建立QSFP+光模塊的熱模型，仿真得出不同材料、接觸熱阻以及發熱器件布局對光模塊溫度場的影響。仿真結果表明，減小接觸熱阻、提高材料的導熱系數、縮短發熱器件與散熱片之間的距離可以有效提高光模塊的散熱性能。

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