光收发合一模块的热设计技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研究报告要点 本研究报告对光收发合一模块所涉及的热设计技术进行了研究，内容包括： 热设计技术应用背景； 光收发合一模块热设计关键技术 ; 光收发合一模块热设计技术的技术指标； 光收发合一模块热设计技术未来发展趋势 (传送网与接入网技术工件委员会光器件工作组 ) 研究单位：烽火科技集团有限公司、中兴通讯股份有限公司、武汉华工正源光子技术有限公司、深圳新飞通光电子技术有限公司、海信集团有限公司 项目负责人：杨明冬、江毅 项目参加人：何万晖、杨宇翔、全本庆、武成宾、刘王来、陈悦、张华 完成日期 : 2017 年 8 月 20 日 目 录 1 引言 . 1 2 缩略语 . 1 3 光收发合一模块热设计技术应用背景 . 2 4 光收发合一模块热设计关键技术 . 3 4.1 热传导技术 . 3 4.2 热仿真分析及优化技术 . 5 4.3 热测试技术 . 9 5 光收发合一模块热设计技术指标 . 10 5.1 光收发合一模块的功率及功率密度等级 . 10 5.2 热 界面区域 . 12 5.3 界面热阻及界面热阻等级 . 12 5.4 光收发合一模块的热设计参数 . 13 6 热设计技术未来发展趋势 . 14 7 总结 . 16 1 光收发合一模块的热设计技术研究 1 引言 随着通信设备的迅速发展，通信设备的集成度和组装密度不断提高，在提供强大的使用功能的同时，也导致设备功耗和发热量的急剧增加。而在通信设备的所有元器件中，光模块的温度规格相对较低，通常情况下商用光模块的壳温限制在 70或 75以内，空间的紧缩、可插拔性要求和低温度规格为光模块的散热带来了挑战，甚至成为整个通信产品开发的散热瓶颈。 据统计，电子设备的失效有 55%因高温导致，随着温度的升高，其失效率成指数形式增长。热失效是电子设备的主要失效形式，高温会导致焊点和焊料连接界面的热应力增加，加速焊点及连接的疲劳破坏；影 响材料的绝缘性能、加速老化；高温还会影响器件的电性能，增加芯片 P-N 结的电流放大系数，降低电容的绝缘电阻等。因此，对电子设备进行热设计，采取有效的散热措施对提高产品可靠性意义重大。由于光收发模块一般要求长期不间断工作，热量大、持续时间长，需要达到电信运营商级别 99.999%的可靠性，因此，对光收发模块的散热设计提出了更高的要求。 目前国际上 OIF 完成了可插拔光模块散热管理的最新可实施协议，但是对于光收发模块热设计技术的国际标准还未建立，应及时开始国内标准的制定，促进该技术的发展和成熟。 2 缩略语 下列缩略语适用于本文件。 ACO：模拟相干光（ Analogue Coherent Optics） ASHRAE：美国采暖、制冷与空调工程师学会（ American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers） BOL：寿命初期（ Beginning of Life） CFD：计算流体动力学（ Computational Fluid Dynamics） CFP： 100Gb/s 可插拔封装（ Centum Form-factor Pluggable） DoE：实验设计（ Design of Experiment） EOL：寿命终结（ End of Life） ETSI：欧洲电信标准化协会（ European Telecommunications Standards Institute) FEM：有限元法（ Finite Element Method） FVM：有限体积法（ Finite Volume Method） MSA: 多源协议（ Multi-Source Agreement） NEBS：网络设备构建系统（ Network Equipment-Building System） OSFP：八通道小型化可插拔（ Octal Small Form-factor Pluggable） QSFP： 4 通道小型可插拔（ Quad Small Form-factor Pluggable） 2 SFP：小型化可插拔（ Small Form-factor Pluggable） SFP+：增强型小型化可插拔（ Enhanced Small Form-factor Pluggable） SO：循序优化 （ Sequential Optimization） TIM：热界面材料 （ Thermal Interface Material） 3 光收发合一模块热设计技术应用背景 互联网技术的快速发展 ,对光网络传输能力的要求也越来越髙。光网络传输技术从早期的单波长低阶调制格式到多波长高阶调制格式 ,后又发展到多载波调制格式 ,大大提高的光网络的宽带灵活性 ,且大幅提升了传输速率 ,从低速的 1Gb/s、 10Gb/s 发展到高速的 40Gb/s及目前己经广泛商用化的 100Gb/s。而随着髙清视频 ,云计算等应用的快速发展 ,未来光网络传输速率将达到 400Gb/s 乃至 1Tb/s。 随着光网络的迅速发展，光模块经历了系列变革，不断向高速率、热插拔、小型化、低功耗、低成本等方向演进。一方面，为了适应 25GE、 50GE、 200GE、 400GE 等新的光网络传输速率，出现了新的光电接口标准，以及 SFP28、 SFP56、 QSFP56、 CDFP、 CFP8、 QSFP-DD、OSFP 等新的封装形式。另一方面，以 100G 速率为例，为了满足以太网高密度端口互连、低功耗、低成本等发展需求，模块封装也从第一代的 CFP、 CXP 逐渐向 CFP2/4、 QSFP28、以及microQSFP 等更小尺寸、更低功耗的方向演 进 ,如图 1 所示为不同封装形式的光模块。 图 1 不同封装形式的宽度比较示意图 1 随着光模块向小型化方向发展，光模块在一块 1RU 线卡内可实现的总容量逐渐增大（如图 2 所示），这导致 1RU 线卡内的集成度进一步提高，有限空间里的热流密度也相应提高，构成光模块组件的热设计技术必须与其高集成度、立体化、微小型化技术同步发展，这就需要开发新的热设计方案，另一方面，光学器件和电学器件的热分布不同，光学器件和电学器件完全不同的温度和温度控制要求对热设计也是一个挑战。 3 图 2 多种光模块的 1RU 容量 2 4 光收发合一模块热设计关键技术 4.1 热传导技术 光收发合一模块进行散热的过程，热量从光收发合一模块传输到系统中的主要途径如下图 3 所示，包括热传导、热对流和热辐射三种方式。光收发合一模块绝大多数的热量通过热传导的方式传导到散热片（ heatsink）上再以对 流的方式散掉。热传导技术是光收发合一模块热设计最关键的技术之一。 图 3 光收发合一模块的工作热环境及散热路径 热流自芯片（热源）流向外部环境会受到阻碍，称为热阻。如果将光收发合一模块的热流路径以封装（壳体）外表面为界划分为内、外两部分，与它们对应的热阻分别称为内热阻和外热阻，光收发合一模块热设计的原则是自芯片（热源）至耗散环境之间构建一条热阻尽可能低的热流路径，热传导技术主要围绕如何降低光收发合一模块内热阻和外热阻（主要是接触热阻）两方面展开。 4 光收发合一模块内热阻的控制，主要是通过采用提高封装壳体的导热系数、壳体与热源采用高导热系数的 TIM 材料、缩短热源与封装壳体的导热路径三种方式。常用的导热材料见下表 1 所示。光收发模块常用的主要是导热绝缘材料这一类。选择导热材料所需要考虑的因素主要是材料的导热系数、力学性能、绝缘性、耐温性、成本及可维护性这几个方面考虑。 表 1 导热材料分类及性能特点 大类 小类 性能特点 导热不绝缘材料 普通白色硅脂油 成份为碳矽 胶状 化合物 。 导热效果一般 ，用在没有绝缘要求的场合，主要是填充元器件与散热器间的微小间隙，减少元器件与散热器的热阻，提高导热效果 银硅脂油 成份为 氧化银或银粉 的胶状 化合物 。 导热性能 较好 ， 有较好的导热效果，用在没有绝缘要求的场合 。 主要是填充元器件与散热器的微小间隙，减少元器件与散热器的热阻，提高导热效果 替代硅脂或硅油的导热材料 成份通常为硅胶加铝箔、硅胶加石墨或聚合物加铝箔。有较好的导热效果，适合于较大间隙的填充，用在没有绝缘要求的场合，且可彻底解决硅脂或硅油不易清理、易结灰尘、挥发物会腐蚀电极接头等缺点 导热绝缘材料 替代硅脂或硅油的导热绝缘材料 该材料具有较高的导热系数，适用于替代硅脂或硅油来填充散热器与元器件的空气间隙且有绝缘要求的场合 免涂硅脂或硅油的导热绝缘材料 该材料既具有较高的导热系数，又具备一定的绝缘强度，且填充物为硅胶，质较软，在一定压力下，能够填充满空气间隙，从而可以完全不用硅脂或硅油 免涂硅脂或硅油的导热绝缘材料，且双面附胶 该材料既具有较高的导热系数，有具备一定绝缘强度，且填充物为硅胶，质较软，材料两面都附有粘胶，适用于有些器件与散热器间无法实施紧固的场合。胶可以保证器件、导热绝缘材料及散热器三者紧密结合，从而降低接触面的接触热阻 形状适应型空气间隙填充材料 该材料较软，具有形状适应性，能够填充满 PCB 板与散热器或外壳间的空气间隙，适应与 PCB 与外壳之间，元器件与外壳间的热传递 光收发合一模块的外热阻主要包括封装壳体与散热片接触界面的接触热阻以及散热器热阻两部分构成。由于光收发合一模块需要支持热插拔，无法在散热片与模块封 装壳体之间增加 TIM 材料，所以目前常用的降低接触热阻的方法主要有降低模块封装壳体表面粗糙度和平面度，以及提高施加在散热片上的压力等方式。 下图 4 所示为光收发合一模块的热阻，由散热器热阻 RHeatsink、散热器与光收发合一模块接触界面热阻 Rcontact 和封装壳体热阻 Rlid 三部分组成。 5 图 4 光收发合一模块的热阻 2016 年 1 月，博通、博科、思科、戴尔、富士康、华为、英特尔等公司成立了 microQSFP MSA,2016 年 11 月， Arista、 Acacia、光迅、 Adva 等公司组建了 OSFP MSA。 microQSFP 和 OSFP封装（见下图 5）通过在封装外壳上设计散热翅片，消除了散热器与光收发合一模块接触界面热阻，降低了光收发合一模块的外热阻，改善了模块的热管理。 图 5 microQSFP 及 OSFP 模块结构外形图 4.2 热仿真分析及优化技术 热仿真分析及优化技术是通过进行产品的环境热效应分析，从而获取相关数据和实现热控制目的的技术方法，它的理论基础是计算传热学和计算流体力学，基于该技术发展的电子产品热设计软件可以帮助热设计工程师验证、优化热设计方案，降低产品热测试的工作量，加快产品的开发速 度。 热仿真分析及优化技术的实现概括地讲通过三大步骤来实现，即：建模、仿真实验及优化。下图 6 所示为热仿真分析求解流程图，其中建模是进行热仿真分析的核心，其建模的精准程度是决定热仿真精度的最关键因素。对光收发合一模块热分析建模而言，目前主要有三种热模型：详细热模型、两热阻模型及 Delphi 热阻模型。 6 图 6 热仿真分析求解流程图 光收发合一模块的详细 热模型信息需要列出以下信息： 1) 模块外壳和盖子的几何尺寸信息。此信息可以简化，但是需要包括与散热和温度有关的关键部件表面信息与连接信息； 2) 模块外壳与盖子的材料属性或者材料导热系数； 3) PCB 元器件的布局、尺寸和热功耗，以及 PCB 的导热系数； 4) 所有元器件在额定电压及短期或长期最大壳温条件下的热功耗； 5) TIM 的导热系数以及厚度。如果没有使用 TIM，则需要外壳与发热元器件接触界面的信息，比如接触点、触点压力、接触界面区域的平面度和表面粗糙度。 对于光收发合一模块的两热阻模型，只需要用总的热功耗和两个热阻结壳热阻 Rjc、结板热阻 Rjb来建立热分析模型，其中结壳热阻指由模块内温度最高的组件传递到封装外壳的热阻，结板热阻是指热量由模块内温度最高的组件传递到下方测试板时的热阻。 Delphi 热阻模型则是由多个热阻所组成，这些热阻连接了模块结和几个表面节点，同时也允许表面节点之间存在热阻连接，这些连接代表了热留传递的 路径。 图 7 所示为 SFP+光模块的三种热模型示例。 根 据 热 流 密 度 ， 判 断 模 块 采 用 的 散 热 方 式 （ 自 然 、 强 迫 、 混 合 冷 却 ）开 始在 热 仿 真 软 件 中 建 立 热 模 型 （ 冷 却 方 式 的 热 路 ） ， 赋 予 模 块 内 器 件 的 材 料 属 性输 入 各 种 边 界 条 件 ： 风 量 风 速 、 热 边 界 等输 入 模 块 内 各 器 件 热 功 耗 、 环 境 温 度 、 流 态 、 辐 射 设 置 、 迭 代 步 数 、 监 控 点 等 。根 据 建 立 的 几 何 模 型 ， 通 过 加 密 网 格 方 式 ， 划 分 出 高 质 量 的 贴 体 网 格计 算 求 解 、 准 确 判 断 模 型 收 敛后 处 理 ： 器 件 各 种 变 量 云 图 、 切 面 云 图 、 速 度 矢 量 图 、 等 值 图 等仿 真 结 束根 据 计 算 结 果 ， 可 以 进 行 各 种 参 数 的 优 化 ， 得 到 最 优 的 设 计 方 案 ， 热 设 计 工 作 完 成