100G/200G光模块热设计现状及展望

时间:2019-4-3 分享到:

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。

光模块热设计基本原则

100G/200G光模块热设计现状及展望

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。

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。

热量传递主要有三种方式:

? 对流

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。

表二列举了实际情况下电子产品常用降低热阻的方法:

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。

一般的热设计思路有三个措施:

? 导热

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。

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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。

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:

通常TOSA有以下两种封装方式:

? Box封装

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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。

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。

光模块热设计实例演示

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。

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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。

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? 将其面向底壳

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。

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光模块热设计未来的几点看法

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。

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。

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:

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。了解更多,请访问https://www.gigalight.com/cn/bbs/technical/100g-200g-thermal-design.html

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