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(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)通信網(wǎng)絡(luò)和大容量數(shù)據(jù)中心在全球的建設(shè)快速鋪開，通信帶寬需求也隨之快速增長，5G光傳送網(wǎng)在匯聚層和核心層的超100 Gbit/s光傳輸能力需求以及數(shù)據(jù)中心內(nèi)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(guī)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(fā)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(jìn)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(guī)范在2016年發(fā)布后受到廣泛關(guān)注，經(jīng)多次修改完善后，相應(yīng)產(chǎn)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(diào)制或4脈沖幅度調(diào)制(4 Pulse Amplitude Modulation，PAM4)實現(xiàn)200或400 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)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(yè)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(yīng)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(guān)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(dǎo)熱墊對模塊工作時內(nèi)部溫度變化的影響，研究了不同參數(shù)下模塊內(nèi)部的散熱效果，為合理選擇導(dǎo)熱墊參數(shù)，優(yōu)化QSFP-DD光模塊散熱效果提供了參考。

1 QSFP-DD光模塊熱學(xué)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(nèi)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(dá)6 W以上。這將使得同等條件下模塊內(nèi)發(fā)熱量和溫度大大升高，而商業(yè)級光模塊對殼溫的要求為70 ℃，這就使得模塊內(nèi)部對散熱的要求變得更加嚴(yán)苛，因此有必要針對QSFP-DD光模塊內(nèi)部散熱情況進(jìn)行分析研究。

本文采用穩(wěn)態(tài)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(dǎo)、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(nèi)各個部件的功率和導(dǎo)熱系數(shù)等信息，用有限元方法計算出模塊內(nèi)部穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度分布[6]。對于QSFP-DD商業(yè)級光模塊，仿真中參照協(xié)議規(guī)定殼溫不超過70 ℃的要求，設(shè)置溫度邊界條件為70 ℃。

200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊內(nèi)部主要發(fā)熱元器件包括光發(fā)射組件(Transmitter Optical Subassembly，TOSA)、光接收組件(Receiver Optical Subassembly，ROSA)、數(shù)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(nèi)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?zhèn)鬟f。根據(jù)QSFP-DD光模塊的尺寸規(guī)范，建立了熱學(xué)仿真模型如圖1所示。

圖1 200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊熱學(xué)仿真模型

根據(jù)實測結(jié)果給出各主要元器件的熱學(xué)分析相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 主要元器件仿真參數(shù)

2 仿真結(jié)果

2.1 模塊內(nèi)部溫度分布

由上述模型通過熱穩(wěn)態(tài)分析方法，得到光模塊殼溫70 ℃時內(nèi)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(nèi)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(nèi)部各主要器件溫度

由表可知，在殼溫為70 ℃的情況下，內(nèi)部穩(wěn)態(tài)時模塊內(nèi)大部分區(qū)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(nèi)部需要做到封閉，故模塊內(nèi)部無法像儀器那樣做到有空氣進(jìn)行對流換熱，即主要散熱方式是熱傳導(dǎo)。模塊發(fā)熱元件只能通過空氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)，而空氣的熱導(dǎo)率非常低(0.03 W/(m·K))，意味著各元器件產(chǎn)生的熱量在狹小的模塊內(nèi)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(jīng)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(dǎo)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(huán)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(nèi)，保障光模塊在70 ℃殼溫下能長期正常工作。

2.2 導(dǎo)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(dǎo)熱性能的間隙填充材料，常作為導(dǎo)熱墊填充于發(fā)熱元器件與產(chǎn)品外殼間的間隙，除了本身良好的熱傳導(dǎo)率外，其良好的粘性和壓縮性能能夠使得發(fā)熱器件和外殼之間的空氣排出，以達(dá)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(dǎo)熱墊已開始被廣泛用于改善模塊內(nèi)部的散熱條件。

仿真中將導(dǎo)熱墊貼在5個主要發(fā)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(dǎo)熱墊，使導(dǎo)熱墊兩面與元器件表面和外殼分別接觸，起到將其產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到外殼的目的。仿真所采用導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)為7 W/(m·K)，填充間隙為1 mm。

圖3 模塊內(nèi)放置導(dǎo)熱墊示意圖

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

圖4 填充導(dǎo)熱墊后模塊內(nèi)部溫度分布圖

圖5 填充導(dǎo)熱墊前后模塊內(nèi)部主要器件溫度對比

由圖5可知，填充導(dǎo)熱墊后，各主要元器件穩(wěn)態(tài)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?？梢姡畛鋵?dǎo)熱墊能夠有效改善模塊內(nèi)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(dǎo)熱墊導(dǎo)熱系數(shù)對散熱效果的影響

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

圖6 填充不同導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱墊時，模塊內(nèi)部主要器件溫度變化

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

2.4 填充間隙對發(fā)熱元件溫度的影響

保持其他變量不變，導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為7 W/(m·K)。改變發(fā)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(nèi)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(yīng)模塊內(nèi)部主要器件溫度變化

由圖可知，隨著填充間隙的增加，各發(fā)熱元件的溫度會隨之上升，尤其是針對DSP這種發(fā)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(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)高出近15倍，發(fā)熱元件和殼體的散熱通路里，導(dǎo)熱墊的厚度越大，熱阻就越大，進(jìn)而導(dǎo)致溫升變大。如圖所示，填充間隙和溫度接近線性關(guān)系，這是由于導(dǎo)熱墊完全覆蓋在發(fā)熱元件表面上，使得發(fā)熱元件的所有熱量都通過導(dǎo)熱墊傳遞到殼體。

由仿真結(jié)果可知，需采用較高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱墊，但高導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱墊的成本較高，并且材料較硬，不易被壓縮。故選取導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)時，需綜合考慮導(dǎo)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(shè)計尺寸還要考慮殼體和發(fā)熱元件的高度誤差以及導(dǎo)熱墊的適宜壓縮率。一般業(yè)界對導(dǎo)熱墊的壓縮率維持在20%～25%之間，這樣既能保證導(dǎo)熱墊能完全填充在間隙里，又能保證器件不會因為導(dǎo)熱墊過大的壓縮率導(dǎo)致因受到應(yīng)力而影響正常工作的性能。故一般設(shè)計間隙尺寸為0.6 mm，填充0.8 mm的導(dǎo)熱墊。

3 實測模塊性能

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，我們采用了導(dǎo)熱系數(shù)為7 W/(m·K)、間隙為0.8 mm的導(dǎo)熱墊，按照圖3所示貼在模塊主要內(nèi)部元器件上。在環(huán)境溫度為70 ℃狀態(tài)下測試模塊的收發(fā)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(biāo)包括發(fā)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(shù)，如表3所示，高溫下各項指標(biāo)均滿足協(xié)議要求，模塊能夠正常工作。同時，還測試了3種環(huán)境溫度下光模塊的功耗和內(nèi)置傳感器測得的溫度值。實測光模塊內(nèi)溫度要明顯高于環(huán)境溫度。在環(huán)境溫度及模塊外殼所處溫度為70 ℃時，模塊內(nèi)部測得溫度約76 ℃，表明模塊內(nèi)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(nèi)。

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

表4 實測模塊3溫功耗及內(nèi)部溫度

4 結(jié)束語

實際應(yīng)用場景中，光模塊的總體散熱情況與模塊內(nèi)部和外部環(huán)境緊密相關(guān)。一些研究結(jié)果顯示，光模塊所處的外部結(jié)構(gòu)和周圍氣流等都會影響光模塊整體的散熱效果，進(jìn)而對光模塊穩(wěn)定工作產(chǎn)生影響[8]。本文則重點研究了光模塊環(huán)境對散熱的影響，特別是導(dǎo)熱墊的各項參數(shù)對200 Gbit/s QSFP-DD LR4光模塊散熱效果的影響，驗證了貼裝導(dǎo)熱墊對降低QSFP-DD光模塊內(nèi)部溫度有明顯效果，并實測驗證了該模塊在70 ℃高溫環(huán)境下的各項指標(biāo)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)。這些結(jié)果為各種規(guī)格的200 Gbit/s QSFP-DD光模塊提供了熱設(shè)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(guī)模實用提供了有益的經(jīng)驗。