QSFP-DD光模塊熱設計研究

葉 宇，馬雁潮

(1.深圳市恒寶通光電子股份有限公司，廣東 深圳 518000； 2.深圳恒樸光電科技有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著第五代移動通信技術(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)通信網絡和大容量數據中心在全球的建設快速鋪開，通信帶寬需求也隨之快速增長，5G光傳送網在匯聚層和核心層的超100 Gbit/s光傳輸能力需求以及數據中心內帶寬需求的飛速增長，都促使具備更高傳輸速率的200/400 Gbit/s光模塊快速規模部署。另一方面，低成本和綠色低碳需求推動著光模塊不斷往小型化封裝發展，雙密度四通道小型可插拔封裝(Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD)和八通道小型可插拔封裝(Octal Small Form Factor Pluggable，OSFP)等緊湊型封裝形式開始逐步取代100 Gbit/s 可插拔封裝(Centum Form-factor Pluggable，CFP)及其改進型CFP2，成為200/400 Gbit/s光模塊的主流封裝形式[1-2]。

QSFP-DD是一種新型高速可插拔模塊的封裝，其規范在2016年發布后受到廣泛關注，經多次修改完善后，相應產品也于2018年得到實用[3]。該封裝的電氣接口擁有8通道，可通過不歸零(Non Return to Zero，NRZ)碼調制或4脈沖幅度調制(4 Pulse Amplitude Modulation，PAM4)實現200或400 Gbit/s的網絡傳輸,且其具備向后兼容性，可兼容QSFP+/QSFP28/QSFP56等QSFP，這些特性很好地滿足了行業對于下一代高密度和高速度可插拔光模塊的需求，采用QSFP-DD形式的200/400 Gbit/s光模塊也得到了越來越多的應用。

隨著100 Gbit/s以上速率高速光模塊的廣泛部署，模塊散熱問題也受到更多的關注[4]。本文以200 Gbit/s QSFP-DD 4通道長距離(Long Range 4，LR4)光模塊為研究對象，建模分析了導熱墊對模塊工作時內部溫度變化的影響，研究了不同參數下模塊內部的散熱效果，為合理選擇導熱墊參數，優化QSFP-DD光模塊散熱效果提供了參考。

1 QSFP-DD光模塊熱學分析仿真模型

200/400 Gbit/s QSFP-DD光模塊與QSFP光模塊相比，其在內部尺寸空間變化很小的情況下，成倍提升了傳輸速率，最大功耗也顯著增長。以LR4光模塊為例，100 Gbit/s QSFP28 LR4光模塊功耗僅為3.5 W[5]，而200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊的功耗則達6 W以上。這將使得同等條件下模塊內發熱量和溫度大大升高，而商業級光模塊對殼溫的要求為70 ℃，這就使得模塊內部對散熱的要求變得更加嚴苛，因此有必要針對QSFP-DD光模塊內部散熱情況進行分析研究。

本文采用穩態熱分析的方法，基于能量守恒原理的熱平衡方程，考慮熱傳導、熱對流和熱輻射3種熱傳遞方式，給定恒定溫度的邊界條件以及光模塊內各個部件的功率和導熱系數等信息，用有限元方法計算出模塊內部穩定狀態下的溫度分布[6]。對于QSFP-DD商業級光模塊，仿真中參照協議規定殼溫不超過70 ℃的要求，設置溫度邊界條件為70 ℃。

200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊內部主要發熱元器件包括光發射組件(Transmitter Optical Subassembly，TOSA)、光接收組件(Receiver Optical Subassembly，ROSA)、數字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)芯片、微控制器(Microcontroller Unit，MCU)芯片和電源芯片等，實際模塊中，為了能在緊湊的內部空間放下足夠的元器件，這些芯片往往被貼裝在印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)的正反兩面，這也同樣有利于熱量通過模塊的正反兩面傳遞。根據QSFP-DD光模塊的尺寸規范，建立了熱學仿真模型如圖1所示。

圖1 200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊熱學仿真模型

根據實測結果給出各主要元器件的熱學分析相關參數如表1所示。

表1 主要元器件仿真參數

2 仿真結果

2.1 模塊內部溫度分布

由上述模型通過熱穩態分析方法，得到光模塊殼溫70 ℃時內部的溫度分布情況如圖2所示。

圖2 殼溫70 ℃時200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊內部溫度分布

各主要元器件溫度如表2所示。

表2 殼溫70 ℃時200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊內部各主要器件溫度

由表可知，在殼溫為70 ℃的情況下，內部穩態時模塊內大部分區域溫度均大大高于70 ℃。為了保證模塊的電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)和電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)性能，模塊內部需要做到封閉，故模塊內部無法像儀器那樣做到有空氣進行對流換熱，即主要散熱方式是熱傳導。模塊發熱元件只能通過空氣進行熱傳導，而空氣的熱導率非常低(0.03 W/(m·K))，意味著各元器件產生的熱量在狹小的模塊內部空間難以有效散熱，尤其是DSP，模塊殼溫為70 ℃時的溫升超過30 ℃，已經超過DSP正常工作的溫度范圍，長時間處于如此高的溫度下，會影響各個元器件的正常工作，甚至導致器件失效損壞。如果不采取措施，200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊在70 ℃的高溫環境下將存在很大的失效隱患，因此必須改善散熱條件，有效降低工作時各個元器件的溫度使其在安全范圍內，保障光模塊在70 ℃殼溫下能長期正常工作。

2.2 導熱墊對散熱的改善作用仿真

陶瓷顆粒填充硅膠片是一種具備良好導熱性能的間隙填充材料，常作為導熱墊填充于發熱元器件與產品外殼間的間隙，除了本身良好的熱傳導率外，其良好的粘性和壓縮性能能夠使得發熱器件和外殼之間的空氣排出，以達到接觸充分，提升散熱效果的目的[7]。隨著光模塊功耗的不斷提升，導熱墊已開始被廣泛用于改善模塊內部的散熱條件。

仿真中將導熱墊貼在5個主要發熱元器件上，如圖3所示。在DSP、MCU、電源芯片上表面以及TOSA和ROSA上下表面都貼上導熱墊，使導熱墊兩面與元器件表面和外殼分別接觸，起到將其產生的熱量傳導到外殼的目的。仿真所采用導熱墊的導熱系數為7 W/(m·K)，填充間隙為1 mm。

圖3 模塊內放置導熱墊示意圖

仿真得到模塊內部的溫度分布如圖4所示。有和沒有貼裝導熱墊的主要元器件溫度的對比如圖5所示。

圖4 填充導熱墊后模塊內部溫度分布圖

圖5 填充導熱墊前后模塊內部主要器件溫度對比

由圖5可知，填充導熱墊后，各主要元器件穩態時的溫度均大幅下降，DSP芯片的溫度降至80 ℃以下，TOSA和ROSA器件的溫度也降至接近70 ℃，均處于正常工作溫度范圍。可見，填充導熱墊能夠有效改善模塊內的散熱條件，保障模塊在高溫下各元器件的正常工作。

2.3 導熱墊導熱系數對散熱效果的影響

保持其他變量不變，改變所填充導熱墊的導熱系數，仿真考察填充不同導熱系數的導熱墊時模塊內部溫度的變化，如圖6所示。

圖6 填充不同導熱系數的導熱墊時，模塊內部主要器件溫度變化

由圖可知，隨著導熱墊導熱系數的增加，各發熱元件的溫度會隨之下降，尤其是針對DSP這種發熱量大的器件，其降溫效果相對明顯。然而溫度隨導熱墊導熱系數變化的關系不是線性的，隨著導熱系數的增加，溫度下降趨勢減小。

2.4 填充間隙對發熱元件溫度的影響

保持其他變量不變，導熱墊導熱系數設定為7 W/(m·K)。改變發熱元件表面與模塊外殼的間隙，仿真不同填充間隙時，模塊內部溫度分布的變化如圖7所示。

圖7 不同填充間隙條件下對應模塊內部主要器件溫度變化

由圖可知，隨著填充間隙的增加，各發熱元件的溫度會隨之上升，尤其是針對DSP這種發熱量大的器件，溫度上升效果相對明顯，這是由于芯片和殼體相對導熱墊的導熱系數高出近15倍，發熱元件和殼體的散熱通路里，導熱墊的厚度越大，熱阻就越大，進而導致溫升變大。如圖所示，填充間隙和溫度接近線性關系，這是由于導熱墊完全覆蓋在發熱元件表面上，使得發熱元件的所有熱量都通過導熱墊傳遞到殼體。

由仿真結果可知，需采用較高導熱系數的導熱墊，但高導熱系數導熱墊的成本較高，并且材料較硬，不易被壓縮。故選取導熱墊的導熱系數時，需綜合考慮導熱性能、材料硬度和成本。雖然填充間隙越小溫升越小，但間隙的設計尺寸還要考慮殼體和發熱元件的高度誤差以及導熱墊的適宜壓縮率。一般業界對導熱墊的壓縮率維持在20%～25%之間，這樣既能保證導熱墊能完全填充在間隙里，又能保證器件不會因為導熱墊過大的壓縮率導致因受到應力而影響正常工作的性能。故一般設計間隙尺寸為0.6 mm，填充0.8 mm的導熱墊。

3 實測模塊性能

經過優化設計，我們采用了導熱系數為7 W/(m·K)、間隙為0.8 mm的導熱墊，按照圖3所示貼在模塊主要內部元器件上。在環境溫度為70 ℃狀態下測試模塊的收發性能，如圖8所示。

圖8 實測70 ℃下200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊的4路眼圖

模塊主要性能指標包括發射色散眼圖閉合四相(Transmitter Dispersion Eye Closure Quaternary，TDECQ)、消光比(Extinction Ratio ，ER)和接收靈敏度等參數，如表3所示，高溫下各項指標均滿足協議要求，模塊能夠正常工作。同時，還測試了3種環境溫度下光模塊的功耗和內置傳感器測得的溫度值。實測光模塊內溫度要明顯高于環境溫度。在環境溫度及模塊外殼所處溫度為70 ℃時，模塊內部測得溫度約76 ℃，表明模塊內部總體散熱狀況良好，各芯片能夠處于正常的工作溫度之內。

表3 實測70 ℃下200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊主要性能指標

表4 實測模塊3溫功耗及內部溫度

4 結束語

實際應用場景中，光模塊的總體散熱情況與模塊內部和外部環境緊密相關。一些研究結果顯示，光模塊所處的外部結構和周圍氣流等都會影響光模塊整體的散熱效果，進而對光模塊穩定工作產生影響[8]。本文則重點研究了光模塊環境對散熱的影響，特別是導熱墊的各項參數對200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊散熱效果的影響，驗證了貼裝導熱墊對降低QSFP-DD光模塊內部溫度有明顯效果，并實測驗證了該模塊在70 ℃高溫環境下的各項指標性能均滿足標準。這些結果為各種規格的200 Gbit/s QSFP-DD光模塊提供了熱設計參考，并可推廣至400 Gbit/s乃至800 Gbit/s QSFP-DD光模塊，為即將到來的QSFP-DD形式光模塊的大規模實用提供了有益的經驗。