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100G/200G光模块热设计现状及展望

2019-4-3 16:38:56  354 热设计 芯片 光纤通信
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随着电子器件性能的迅速攀升,其能效比虽然也在优化,但是器件的发热功率也随之提高。热量如果不能及时转移,发热量的增加将使得器件温度极速恶化,造成产品失效。
电子设备市场上有55%的电子设备失效是由于温度引起,并且温度每上升10℃, 失效率将增加一倍。
热设计在产品设计环节意义重大,其主要目的是用来保证产品在制定的环境规格条件下正常工作并达到产品可靠性目标,从而满足对产品各部分温升的限制性要求。
光模块热设计基本原则
在光模块的设计中,由于加工精度的影响,元器件接触面并不是完全平整,实际上往往如下图所示。
◮接触面的几种状况
接触面不平整就意味着中间是空气,而空气导热系数0.026, 比导热垫片差了十倍以上。表1用数据说明了导热垫片没有贴合好对芯片的影响。
这种情况下模块外壳温度差别并不大,芯片温度大多数时候没办法实测,这就导致了原本能够满足散热要求的模块最终因为导热垫片没有贴合好还要进行进一步优化。
而这往往意味着要延长产品开发周期,甚至重新布局,从而增加成本。
◮表1
如何才能进行有效的散热呢?
热量传递主要有三种方式:
• 传导
• 对流
• 辐射
热传导
热传导指物体本身或当物体与物体接触时,分子间进行能量传递的现象
热对流
热对流指的是流动的流体(液体或气体)与固体或者流体表面接触,造成流体从固体表面(或流体)将热量带走的热传递方式。比如我们常说的风冷、冷水降温。
热辐射
热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下,不需要接触就能够发生热交换的热量传递方式。这主要是以电磁波的形式达到热交换的目的。
了解了这三种相对教科书式的介绍之后,我们可以发现,所谓散热就是一个减小热阻的过程。热阻就是阻碍热量传递的因素。
表二列举了实际情况下电子产品常用降低热阻的方法:
◮表2
需要注意的是,对于安装密度高的光模块内部而言,对流和辐射换热都比较困难,且当元件间隔小于3mm时,自然对流几乎停止,只能依靠传导散热。
热设计的几种常规思路
一般的热设计思路有三个措施:
• 降耗
• 导热
• 布局
降耗是不让热量产生;导热是把热量导走不产生影响;布局是热也没散掉但通过一些措施隔离热敏感器件。
如果导热方案行不通,那就只有通过降耗(选择发热低的芯片)或者重新布局。表三列举几种不同散热方法对比:
◮表3 PCB散热优化对比
模块外部主要优化方向是减小接触热阻,如提高导热系数、增加散热面积等。提高导热系数主要是通过选择导热系数高的材料进行替换。
减小热阻可以通过降低接触面粗糙度、提高平整度、减小传热路径的厚度等、增加导热垫片的压力、选择热阻小的导热材料等。
在不考虑加工成本的情况下,简单看下模块外壳材料对芯片温度的影响:
光模块热源主要在PCB芯片和TOSA和ROSA。下面介绍从内部优化这两处散热的方法:
TOSA(ROSA)
通常TOSA有以下两种封装方式:
• 同轴封装
• Box封装
以同轴封装为例,表四说明了同轴封装有散热措施和无散热措施的温度分布情况:
◮表4 同轴封装TOSA/ROSA常用优化方式
PCB芯片
主板上芯片散热主要难点在于子母板或单板时,发热量大的元件在Bottom面,芯片热量无法及时传到主散热面;想要解决光模块散热问题,导热和散热都必须要满足条件。
目前比较难以解决的情况就是子母板时,发热量大的芯片热量不能直接导到主散热面,这种情况下即使模块外部散热做得再好也很难解决问题。
还有一种就是内部导热做得很好,发热量很大,而外部散热差,对于发热量大的模块,也会存在热量因为无法及时被带走导致热量积聚的问题。
目前用到的铜箔纳米碳,跟石墨片类似,作为均热材料是不错的选择,但是其厚度方向导热系数很低,导致效率大打折扣。因此遇到类似的PCB布局时,优先考虑对应芯片主板开窗,采用嵌铜设计。其次是采用过孔提高主板厚度方向的导热性能。
光模块热设计实例演示
下面主要结合易飞扬(Gigalight)的两款特色产品——100G QSFP28 PSM4和200G QSFP DD PSM8光模块做一个实例说明。
▶ 100G QSFP28 PSM4(硅光)
100G QSFP28 PSM4是当前应用于数据中心的热门产品,主要应用于500m到2km距离范围的Spine交换机和Leaf交换机之间的互连,与CWDM4产品不同, PSM4采用四路单模光纤并行的方式传输。尤其是在引入硅光芯片之后,高度集成了内部的无源器件,降低了成本和功耗。
其内部结构和外观如下图所示。
100G PSM4在样品测试时出现了激光器芯片温度偏高,光功率偏低现象,经分析原因就是导热垫片未贴好,为进一步降低散热风险,我们通过改变内部相关器件的材料、增加导热面积等方式使芯片温度大幅下降。
▶ 200G QSFP-DD PSM8
200G QSFP-DD PSM8是易飞扬(Gigalight)面向200G数据中心解决方案推出的新产品。
该产品外观和内部结构如下图所示。
该产品的芯片散热主要是两个思路:
• 将其面向底壳
• 引入铜箔纳米碳的材料将温度传导至主散热面进行散热。
铜箔纳米碳的散热效果相比其他材料不是特别理想,但是在未来随着散热材料的优化可以进一步改进。
正是得益于优秀的散热设计,该产品功耗低于6W。充分代表了未来数据中心高速率、低功耗的发展趋势。
◮易飞扬(Gigalight)200G数据中心并行解决方案
光模块热设计未来的几点看法
要想更好地理解光模块的热设计,手机、电脑行业是比较好的参照。手机的散热极限由外壳的自然对流和辐射能力决定,内部采用热管、石墨片等均热;而内部散热采用了均温板、相变金属材料和热管等。
举个比较现实的例子:华为Mate 20X首次运用了真空腔均热板(即均温板),可快速将SOC(CPU)芯片温度快速传导至冷端,再搭载石墨烯。
据悉, Mate 20X中的石墨烯膜由99%以上单层率的氧化石墨烯悬浮液做原材料加工而成,基本结构单元就是石墨烯。这种新材料新工艺,不用胶粘直接烧结出高导热石墨烯片,具有高热通量,完全突破了传统高导热石墨片的厚度限制。
另一个现实例子就是华硕电竞游戏手机ROG, 它也采用了均温板和石墨片,但是其功耗最高可达8W,一般手机最多承受4W左右的发热量。为了解决这个高功耗问题,华硕增加了外置风扇作为附件,目的就是增加对流换热量,降低温度。
光模块受限于狭小的内部空间,只能靠自然对流和热传导来降温,相对于手机、电脑行业来说,光模块热流密度更大,散热面积更小。但大部分高功耗模块工作环境都有强制对流存在,相对手机、电脑来说也算是一个优势。
未来我们可以考虑引入相变热技术如均温板、热管技术等。均温板可以用于模块内部,其主要作用是将局部发热量高的芯片温度均匀散开,而热管可将发热量大的芯片从热端传导到冷端,再借由模块外部强制对流措施将冷端热量迅速散掉。如下图所示:
◮光模块均温板或热管散热技术
甚至我们还可以脑洞大开地配合厂商在散热鳍片上做文章,比如散热鳍片底部用嵌铜设计、用均温板、热管甚至于压电风扇等。受安装条件、尺寸等限制,光模块热设计相对其他行业的热设计存在很多挑战,需要更先进的散热材料以及散热技术支持。此处略而不表。

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