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从OIF协议了解易飞扬光模块热设计能力

浏览次数: 日期:2018年4月25日 14:58

摘要:

随着数据通信和电信传输技术的快速发展,光网络信息容量激增,高速宽带光模块成为当前光通信领域的一大研究热点。电信运营商竞相部署 100G乃至 400G的网络建设,对光路由器线卡和 40G/100G 光模块需求激增。网络节点、终端设备必将进入小型化、集成化、智能化的阶段。通信设备的集成程度和组装密度不断提高,在提供强大的使用功能的同时,也导致了设备功耗和发热量的急剧增加。而在所有的元器件中,光模块的温度规格相对较低,通常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,甚至成为整个产品开发的散热瓶颈。
 

目前光模块的研发除了在产品性能、散热的基础上达标还需满足业界一些标准协议,本文将从OIF协议介绍易飞扬光模块的热设计能力。OIF(OPTICAL INTERNET FORUM)指的是光互联论坛,目的是完善网络互用性的规范,包括物理层协议、网络接口以及安全性,定义了可插拔光学模块和主机系统散热器之间的热接口的要求和实现方法和测试方法。OIF目前对包括CFP,CFP2、CFP4,XFP,SFP,SFP+,QSFP,QSFP+,CDFP等光模块都展开了规范性的工作。

1. 模块热截面定义: OIF协议规定散热热界面处任何一个散热片接触的模块热界面区域都应该保持不受标签或其他传热障碍的影响,并通过设计应尽量减少任何增加的热界面热阻。以100G-QSFP28-SR4为例,外壳设计时将公司标签设置在模块下盖处,模块上盖的热界面处保持平整光滑来减少界面传导热阻,并在模块尾部增加类似散热器的翅片来增加模块散热面,如下图

                              OFI协议中规定的QSFP模块热界面区域

    100G-QSFP28-SR4上盖设计                           100G-QSFP28-SR4下盖设计

 

2.热测试点定义: OIF规定外壳热监测点必须位于模块的上盖表面和散热器接触部位范围内(如上图热界面红色虚线方框区域),通过热测试点的位置定义,这样模块设计者就可以测量外壳温度和散热器温度,来验证散热器的性能及该处的接触热阻,还能校准内部温度传感器(MCU)的监控温度,并规定内部传感器(MCU)的读取温度和监测点处实测温度的误差在3℃以内的温度输出。 热阻:Rt=△T/W

3. 模块热流密度等级:为模块设计人员估算模块到散热器的热损失和比较各种模块设计的热性能提供了依据,如下表:

                                  热流密度=功耗/热界面面积 

根据上述表格与公式即可算出模块的热流密度,还可查询光模块的所对应功耗等级,以100G-QSFP28-AOC模块为例,目易飞扬模块功耗<2W, 友商A模块功耗<2W, 友商I公司模块功耗〈2.5W;易飞扬和友商A公司对应的最大热流密=2W/9.62cm=0.2[W/cm2]属于pd02,友商I公司对应的最大热流密度=2.5W/9.62cm=0.25[W/cm2]属于pd03,对于同等性能的模块来说,模块功耗和热流密度越低越好。

4.外壳表面粗糙度:通过减少外壳与散热器接触面的粗糙度已被证明可以降低其界面的热阻,并定义外壳表面粗糙度应小于0.8μM。对功耗为4.5W的CXP模块且表面粗糙分别为>0.8μM 与<0.6μM进行相关热测试,结果得出随着温度升高粗糙度<0.6μM比粗糙度>0.8μM的表面温度至少低1°C以上。易飞扬对于外壳粗糙度控制0.8μM以内符合协议的标准,更利于模块热量迅速散去。

5.热仿真:指根据实际的物理模型建立成数学模型,然后应用专业的CAE软件参照相应的热设计理论对数学模型进行分析,根据分析结果得到我们所关心产品的温度,热流密度,压力、流速等等并将分析结结果应用于改善实际产品散热上。在OIF协议也建议模块设计者在前期的研发工作尽可能的使用热仿真来发现和改善模块中的高温风险点,当前主流的热仿真软件有 Icepak,Flotherm,FloEFD, 6SigmaET等。

5-1 热仿真的优缺点:
优点:
1.高温风险点预知
2.位热设计提供多种方案的模拟对比
3.能模拟某些热测试监控不到的地方
4.减少实验次数,节约研发成本
5.可了解风道中大致的流场分布,发现回流与低速区,指导风道结构的改进设计
6.参数化优化设计
缺点:
1.仿真精度的控制
2.湍流模型的局限
3.对工程设计的可靠性


5-2 热仿真应用对象及功能:
1.自然对流、强迫对流模型分析
2.PCB板Trace以及导体的焦耳热计算
3.热传导模型、流体与固体耦合、热与电磁耦合等散热分析
4.丰富的辐射模型分析
5.瞬态与稳态问题的求解
6.TEC制冷模型分析
7.热阻分析
8.轴流、离心风机与风道分析
9.高海拔及真空环境分析
10.器件级、板级、系统级的物理模型散热分析。

5-3 热仿真方案对比优化:


     通过对比不同TO壳的焊接形式来降低做功器件的温度,由上右图可知改变外壳的焊接形式可使做功器件的最高温度降低5°C左右。

通过对比不同散热支架的形式和材料来降低光器件内部的温度,由上图可知使用方案三的锌合金散热支架可使光器件内部温度较方案一SUS304散热支架下降9°C左右。


       

通过对比不同散热支架的形式和材料来降低光器件内部的温度,由上图可知使用方案三的锌合金散热支架可使光器件内部温度较方案一SUS304散热支架下降9°C左右。 通过仿真对比Checker内流速轨迹线分布可知,风扇处有无导流盖对checker的散热影响较大,无导流盖时,空气排出去的效果较差,造成热气体一直在checker内循环,导致整体温度升高,优化后可将Checker内部温度下降13度左右。

 

5-4 热仿真与热测试精度对比: 上述对比是易飞扬某款高速光模块在环温25°C时自然对流的情况下工作至稳态的条件下,通过模块内外4点的实测温度与仿真结果进行对比,由上可知热测试结果和仿真结果的误差精度均在5%之内,证实仿真温度的可信度。

 

易飞扬在前期的模块热设计研发中紧紧遵循着OIF协议中规范从光模块热界面、模块热流密度等级、 热测试点区域、外壳表面粗糙度等方面去设计光模块的散热结构,此外还从产品的实际情况出发利用热仿真软件对光模块不同的散热方案进行比较与优化,帮助我们及时发现模块的高温危险点并做出改善,快速的推进整个光模块的研发进程。

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