XFP光模块散热分析与优化

1.前言XFP光模块散热分析与优化 随着通信设备的迅速发展，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。光模块的散热分为两个部分：内 部散热和外部散热。外部散热主要是 通过配置散热器等手段来增强换热， 而内部散热就是光模块厂家对内部热 传导路径和热阻网络的优化设计。本 文通过模块壳温、反馈温度测试、及 模块拆解分析等手段，详细分析了造 成光波漂移的原因，对指导后续公司光模块器件的选型有着重要的意义。烽火通信 王冬模块内部散热设计存在问题。3.问题分析光模块的主要功耗部件为激光器图1 8路10G线路接口盘表1光模块常温高温测试结果 2.问题描述如图1所示，为某光网络OTN设备中的8路10G线路接口盘，该机盘布局有8个3.5W的XFP光模块，采用了多路光 模块共用散热器散热设计方案。在50 高温下进行测试，出现数据丢包故障。 通过检查发现，部分光模块反馈温度超 过了70，而且光模块出现了光波漂 移，如表1所示。而在2 5常温工况 下，光模块工作正常，没有光波漂移现象出现。因此推断，造成光波漂移的主要原因就是光模块内部器件温度过高。实际上通过实测光模块壳温，所 有光模块的壳温均位于6065之间， 并没有超过光模块规格书给出的壳温 不大于70的要求，理论上讲光模块 完全可以满足散热要求，结合光模块 高温50波长漂移现象，初步判断为驱动芯片以及控制激光器工作温度的热电制冷模块。为了提高模块的散热 性能，降低器件与光模块壳体之间的 导热热阻，通常需要在功耗器件和光 模块壳体之间采用导热垫片强化器件 散热。根据温度测试结果，初步判断为表3加厚导热垫片的测试结果光模块自身散热设计问题导致光模块波长漂移现象。通过对测试光模块的 拆解，发现安装在光模块内部主要功 耗器件与壳体之间的导热垫片没有明 显压痕（如图2所示），同时由于线路 板上器件高度的差异，高度较小的器 件与导热垫片之间确定存在一定的空 气间隙。空气的导热系数为0.023W/m- k左右，远小于导热材料的导热系数 58W/m-K，忽略界面润湿性等方面 的因素，界面热阻与导热系数成反比 关系，狭小空间内的空气传热为纯传 导机理，因此空气层的存在严重削弱了模块的散热性能。图3导热垫压缩率与热阻关系原器件采用的导热垫片厚度分别为0.5mm、1.5mm两种规格，通过导热垫片 厚度方向尺寸的优化设计，在相同的导热 材料的情况下，根据导热垫片的压缩率及 器件的有效作用面积，计算得到导热热阻 的变化情况如表2所示（计算数据未考虑 界面润湿性等因素造成的影响）：表2导热垫片优化前后的导热热阻 根据分析及验证结果表明，本文所述测试过程中遇到的光模块光波漂移问 题，主要由光模块内部散热不良所致， 通过优化导热垫片的设计可以得到有效 解决，充分说明光模块的内部结构和散 热设计对光模块的整个性能有很大影 响。因此，在光模块应用选型中，除考 虑相关功能指标外，必须充分考虑光模 块散热设计和测试结果，否则可能因为 光模块自身问题影响到产品开发进度和 产品的整体性能。4. 结论总结根据光模块内部情况和导热填料的导热机理，初步确定通过添加加厚的 导热垫片来改善散热。如图4所示，更 改后内部器件对导热垫的压痕非常明 显，导热垫被充分压缩并与所有主要功 耗器件、壳体紧密接触。添加导热垫片 后，重新在50环境规格下进行测试， 结果如表3所示。激光器的实际反馈和 表面测试温度都在6065之间，满足 模块规格书指定的工作温度要求，并且 光模块波长漂移现象得到解决。 通过光模块波长漂移问题的分析和解决，对后续光模块器件选型和性能 分析判断工作具有较强的指导意义，结 论如下：图2原有导热垫片除狭小空间的空气层影响模块内的热传导外，导热垫片的压缩率也是 影响传导热阻的主要因素之一。导热 垫片为柔性材料，通过施加一定的外 力可以在一定程度上被压缩，同时保 证导热垫片与接触面的紧密结合，将 导热垫与接触面间的空气挤出，降低 界面热阻。另一方面，热阻与导热垫 的厚度成正比，厚度越大则热阻越 大，图3给出了某品牌导热垫的压缩率 与热阻之间的关系曲线，可以明显看 出减小导热垫的厚度可以降低导热热阻。1)通过光模块内部导热垫片的优化设计，可以有效解决测试中遇到的光波长漂移现象，满足设备整体性能要求；2)包括光模块在内的器件选型过程中，除关注器件功能性指标需求外，散热性能指标同样需要重点考虑， 并作为关键衡量因素；3)设备整体散热性能的提升需要所有器件自身热设计性能的保证，散热设计重在器件散热性能的均衡化设 计，任何短板都会制约设备整体指标。 图4加厚导热垫片安装后的压痕HTTP:WWW.WRI.COM.CN12file:/D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txtAppliance Error (configuration_error)Your request could not be processed because of a configuration error: Could not connect