来源 | 光通信研究
题目 | QSFP-DD 光模块热设计研究
作者 | 叶宇1，马雁潮2
单位 | 1.深圳市恒宝通光电子股份有限公司；2.深圳恒朴光电科技有限公司
原文 | https://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1266.TN.20220329.1302.002.html
摘要：近年来，双密度四通道小型可插拔封装（QSFP-DD）形式的 200/400 Gbit/s 光模块，以其相对低功耗和体积小便于高密度部署的优势得到电信市场和数据中心市场的青睐，但高速率和小体积带来的散热条件恶化问题限制了 QSFP-DD 封装光模块的使用环境。文章采用有限元方法对 QSFP-DD 模块进行热学建模仿真，研究了 200 Gbit/s QSFP-DD 4 通道长距离(LR4)光模块在高温环境下的内部温度场，验证了导热垫对改善模块内部散热条件的效果，并实测了模块在高温环境下的性能，为 QSFP-DD 封装光模块的设计和应用提供了参考。
关键词：双密度四通道小型可插拔封装光模块；导热垫；热分析
00 引言
随着第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，
5G）通信网络和大容量数据中心在全球的建设快速铺开，通信带宽的需求也随之快速增长，5G 光传送网在汇聚层和核心层的超 100 Gbit/s 光传输能力需求以及数据中心内带宽需求的飞速增长，都促使具备更高传输速率的 200/400 Gbit/s 光模块快速规模部署。
另一方面，低成本和绿色低碳需求推动着光模块不断往小型化封装发展，双密度四通道小型可插拔封装（Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD）和八通道小型可插拔封装（Octal Small Form Factor Pluggable，OSFP）等紧凑型封装形式开始逐步取代 100 Gbit/s 可插拔封装（Centum Form-factor Pluggable，CFP）及其改进型 CFP2 成为 200/400 Gbit/s 光模块的主流封装形式。
QSFP-DD 是一种新型高速可插拔模块的封装，其规范在 2016 年发布后受到广泛关注，经多次修改完善后，相应产品也于 2018 年得到实用。该封装的电气接口拥有 8 通道，可通过不归零码（Non Return to Zero，NRZ）调制或 4 脉冲幅度调制（4 Pulse Amplitude Modulation，PAM4）实现 200 或 400 Gbit/s 的网络传输。且其具备向后兼容性，可兼容 QSFP+/QSFP28/QSFP56 等 QSFP 封装，这些特性很好地满足了行业对于下一代高密度和高速度可插拔光模块的需求，采用 QSFP-DD 封装形式的 200/400 Gbit/s 光模块也得到越来越多的应用。
随着 100 Gbit/s 以上速率高速光模块的广泛部署，模块散热问题也受到更大的关注。本文以 200 Gbit/s QSFP-DD 4 通道长距离（Long Range 4，LR4）光模块为研究对象，建模分析了散热片对模块工作时内部温度变化的影响，研究了不同参数下模块内部的散热效果，为合理选择散热片参数，优化 QSFP-DD 光模块散热效果提供了参考。
01 QSFP-DD 光模块热学分析仿真模型
200/400 Gbit/s QSFP-DD 封装光模块与 QSFP 封装光模块相比，其在内部尺寸空间变化很小的情况下，成倍提升了传输速率，最大功耗也显著增长。以 LR4 光模块为例，100 Gbit/s QSFP28 LR4 光模块功耗仅为 3.5 W，而 200 Gbit/s QSFP-DD LR4 光模块功耗则达 6 W 以上。这将使得同等条件下模块内发热量和温度大大升高，而商业级光模块对壳温的要求为 70℃，这就使得模块内部对散热的要求变得更加严苛，因此有必要针对 QSFP-DD 光模块内部散热情况进行分析研究。
本文采用了稳态热分析的方法，基于能量守恒原理的热平衡方程，考虑热传导、热对流和热辐射 3 种热传递方式，给定恒定温度的边界条件以及光模块内各个部件的功率和导热系数等信息，用有限元方法计算出模块内部稳定状态下的温度分布。对于 QSFP-DD 商业级光模块，仿真中参照协议规定壳温不超过 70℃的要求，设置温度边界条件 70℃。
200 Gbit/s QSFP-DD LR4 光模块内部主要发热元器件包括光发射组件（Transmitter
Optical Subassembly，TOSA）、光接收组件（Receiver Optical Subassembly，ROSA）、数字信号处理芯片（Digital Signal Processing，DSP）、微控制器芯片（Microcontroller Unit，MCU）和电源芯片等，实际模块中，为了能在紧凑的内部空间放下足够的元器件，这些芯片往往被贴装在印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）的正反两面，这也同样有利于热量通过模块的正反两面传递。根据 QSFP-DD 封装的尺寸规范，建立了仿真模型如图 1 所示。
图 1 200 Gbit/s QSFP-DD LR4 热学仿真模型
根据实测结果给出各主要元器件的热学分析相关参数如表 1 所示。
表 1 主要元器件仿真参数
02 仿真结果
2.1 模块内部温度分布
由上述模型通过热稳态分析方法，得到光模块壳温 70℃时内部的温度分布情况如图 2 所示。
图 2 壳温 70 ℃时 200 Gbit/s QSFP-DD LR4 模块内部温度分布
各主要元器件温度如表 2 所示。
表 2 壳温 70 ℃时 200 Gbit/s QSFP-DD LR4 模块内部各主要器件温度
由表 2 可知，在壳温为 70℃的情况下，内部稳态时模块内大部分区域温度均大大高于70℃。为了保证模块的电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）和电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)性能，模块内部需要做到封闭，故模块内部无法像仪器那样做到内部有空气进行对流换热，即主要散热方式是热传导。
模块发热元件只能通过空气进行热传导，而空气的热导率非常低（0.03 W/m•K），意味着各元器件产生的热量在狭小的模块内部空间难以有效散热，尤其是 DSP，模块壳温为 70℃时的温升已经超过 30℃，已经超过 DSP 正常工作的温度范围，长时间处于如此高的温度下，会影响各个元器件的正常工作，甚至导致器件失效损坏。
如果不采取措施，200 Gbit/s QSFP-DD LR4 模块在 70℃的高温环境下将存在很大的失效隐患，因此必须要改善散热条件，有效降低工作时各个元器件的温度在安全范围内，保障光模块在 70℃壳温下长期正常工作。
2.2 导热垫对散热的改善作用仿真
陶瓷颗粒填充硅胶片是一种具备良好导热性能的间隙填充材料，常作为导热垫填充于发热元器件与产品外壳间的间隙，除了本身良好的热传导率外，其良好的粘性和压缩性能能够使得发热器件和外壳之间的空气排出，以达到接触充分，提升散热效果的目的。随着光模块功耗的不断提升，导热垫片已开始被广泛用于改善模块内部的散热条件。
仿真中将导热垫贴在 5 个主要发热元器件上，如图 3 所示。在 DSP、MCU、电源芯片上表面以及 TOSA 和 ROSA 上下表面都贴上导热垫，使导热垫两面与元器件表面和外壳分别接触，起到将其产生的热量传导到外壳的目的。仿真所采用导热垫的导热系数为 7 w，填充间隙为 1 mm。
图 3 模块内放置导热垫示意图
仿真得到模块内部的温度分布如图 4 所示。有和没有贴装导热垫的主要元器件温度的对比如图 5 所示。
图 4 填充导热垫后模块内部温度分布图
图 5 填充导热垫前后模块内部主要器件温度对比
由图 5 可知，填充导热垫之后，各主要元器件稳态时的温度均大幅下降，DSP 芯片的温度降至 80℃以下，TOSA 和 ROSA 器件的温度也降至接近 70℃，均处于正常工作温度范围。因此，填充导热垫能够有效改善模块内的散热条件，保障模块在高温下各元器件的正常工作。
2.3 导热垫系数对散热效果影响
保持其他变量不变，改变所填充导热垫的导热系数，仿真考察填充不同导热系数的导热垫时模块内部温度的变化，如图 6 所示。
图 6 填充不同导热系数的导热垫时，模块内部主要器件温度变化
由图 6 可知，随着导热垫导热系数的增加，各发热元件的温度会随之下降，尤其是针对DSP 这种发热量大的器件，其降温效果相对明显。然而温度随导热垫导热系数变化的关系不是线性的，随着导热系数的增加，温度下降趋势减小。
2.4 填充间隙对发热元件温度的影响
保持其他变量不变，导热垫导热系数设定为 7 W/m•K。改变发热元件表面与模块外壳的间隙，仿真不同填充间隙时，模块内部温度分布的变化如图 7 所示。
图 7 不同填充间隙条件下对应模块内部主要器件温度变化
由图可知，随着填充间隙的增加，各发热元件的温度会随之上升，尤其是针对 DSP 这种
发热量大的器件，温度上升效果相对明显，这是由于芯片和壳体相对导热垫的导热系数高出近 15 倍，发热元件和壳体的散热通路里，导热垫的厚度越大，热阻就越大，进而导致温升变大。如图所示，填充间隙和温度接近线性关系，这是由于导热垫完全覆盖在发热元件表面上，使得发热元件的所有热量都通过导热垫传递到壳体。
由仿真结果可知，需采用越高导热系数导热垫，但高导热系数导热垫的成本较高，并且材料较硬，不易被压缩。故选取导热垫的导热系数时，需综合考虑导热性能、材料硬度和成本。虽然填充间隙越小温升越小，但间隙的设计尺寸还要考虑壳体和发热元件的高度误差以及导热垫的适宜压缩率。一般业界对导热垫的压缩率维持在 20%~25%之间，这样既能保证导热垫能完全填充在间隙里，又能保证器件不会因为导热垫过大的压缩率导致因受到应力而影响正常工作的性能。故一般设计尺寸为间隙 0.6 mm，填充 0.8 mm 的导热垫。
03 实测模块性能
经过优化设计，我们采用了导热系数为 7 w、间隙为 0.8 mm 的导热垫片，按照图 3 所示贴在模块主要内部元器件上。在环境温度为 70℃状态下测试模块的收发性能如图 8 所示。
图 8 实测 70 ℃下 200 Gbit/s QSFP-DD LR4 光模块 4 路眼图
模块主要性能指标，包括发射色散眼图闭合四相（Transmitter Dispersion Eye Closure
Quaternary，TDECQ）、消光比（Extinction Ratio ，ER）和接收灵敏度等参数如表 3 所示，高温下各项指标均满足协议要求，模块能够正常工作。同时还测试了 3 种环境温度下光模块的功耗和内置传感器测得的温度值。实测光模块内温度要明显高于环境温度。在环境温度及模块外壳所处温度为 70℃时，模块内部测得温度约 76℃，表明模块内部总体散热状况良好，各芯片能够处于正常的工作温度之内。
表 3 实测 70℃下 200 Gbit/s QSFP-DD LR4 光模块主要性能指标
表 4 实测模块 3 温功耗及内部温度
04 结束语
实际应用场景中，光模块的总体散热情况与模块内部环境和外部环境紧密相关。一些研究结果显示，光模块所处的外部结构和周围气流等都会影响光模块整体的散热效果，进而对光模块稳定工作产生影响。
本文则重点研究了光模块环境对散热的影响，特别是导热垫的各项参数对 200 Gbit/s QSFP-DD LR4 光模块散热效果的影响，验证了贴装散热垫片对降低 QSFP-DD 封装光模块内部温度有明显效果，并实测验证了该模块在 70℃高温环境下的各项指标性能均满足标准。这些结果为各种规格的 200 Gbit/s QSFP-DD 光模块提供了热设计参考，并可推广至 400 Gbit/s 乃至 800 Gbit/s QSFP-DD 光模块，为即将到来的 QSFP-DD 封装形式光模块的大规模实用提供有益的经验。
参考文献 略
不错