QSFP

随着第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，

另一方面，低成本和绿色低碳需求推动着光模块不断往小型化封装发展，双密度四通道小型可插拔封装（Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD）和八通道小型可插拔封装（Octal Small Form Factor Pluggable，OSFP）等紧凑型封装形式开始逐步取代 100 Gbit/s 可插拔封装（Centum Form-factor Pluggable，CFP）及其改进型 CFP2 成为 200/400 Gbit/s 光模块的主流封装形式。

随着 100 Gbit/s 以上速率高速光模块的广泛部署，模块散热问题也受到更大的关注。本文以 200 Gbit/s QSFP-DD 4 通道长距离（Long Range 4，LR4）光模块为研究对象，建模分析了散热片对模块工作时内部温度变化的影响，研究了不同参数下模块内部的散热效果，为合理选择散热片参数，优化 QSFP-DD 光模块散热效果提供了参考。

200/400 Gbit/s QSFP-DD 封装光模块与 QSFP 封装光模块相比，其在内部尺寸空间变化很小的情况下，成倍提升了传输速率，最大功耗也显著增长。以 LR4 光模块为例，100 Gbit/s QSFP28 LR4 光模块功耗仅为 3.5 W，而 200 Gbit/s QSFP-DD LR4 光模块功耗则达 6 W 以上。这将使得同等条件下模块内发热量和温度大大升高，而商业级光模块对壳温的要求为 70℃，这就使得模块内部对散热的要求变得更加严苛，因此有必要针对 QSFP-DD 光模块内部散热情况进行分析研究。

200 Gbit/s QSFP-DD LR4 光模块内部主要发热元器件包括光发射组件（Transmitter

根据实测结果给出各主要元器件的热学分析相关参数如表 1 所示。

2.1 模块内部温度分布

各主要元器件温度如表 2 所示。

模块发热元件只能通过空气进行热传导，而空气的热导率非常低（0.03 W/m·K），意味着各元器件产生的热量在狭小的模块内部空间难以有效散热，尤其是 DSP，模块壳温为 70℃时的温升已经超过 30℃，已经超过 DSP 正常工作的温度范围，长时间处于如此高的温度下，会影响各个元器件的正常工作，甚至导致器件失效损坏。

2.2 导热垫对散热的改善作用仿真

仿真中将导热垫贴在 5 个主要发热元器件上，如图 3 所示。在 DSP、MCU、电源芯片上表面以及 TOSA 和 ROSA 上下表面都贴上导热垫，使导热垫两面与元器件表面和外壳分别接触，起到将其产生的热量传导到外壳的目的。仿真所采用导热垫的导热系数为 7 w，填充间隙为 1 mm。

                         图 3 模块内放置导热垫示意图

由图 5 可知，填充导热垫之后，各主要元器件稳态时的温度均大幅下降，DSP 芯片的温度降至 80℃以下，TOSA 和 ROSA 器件的温度也降至接近 70℃，均处于正常工作温度范围。因此，填充导热垫能够有效改善模块内的散热条件，保障模块在高温下各元器件的正常工作。

保持其他变量不变，改变所填充导热垫的导热系数，仿真考察填充不同导热系数的导热垫时模块内部温度的变化，如图 6 所示。

图 6 填充不同导热系数的导热垫时，模块内部主要器件温度变化

2.4 填充间隙对发热元件温度的影响

由图可知，随着填充间隙的增加，各发热元件的温度会随之上升，尤其是针对 DSP 这种

由仿真结果可知，需采用越高导热系数导热垫，但高导热系数导热垫的成本较高，并且材料较硬，不易被压缩。故选取导热垫的导热系数时，需综合考虑导热性能、材料硬度和成本。虽然填充间隙越小温升越小，但间隙的设计尺寸还要考虑壳体和发热元件的高度误差以及导热垫的适宜压缩率。一般业界对导热垫的压缩率维持在 20%~25%之间，这样既能保证导热垫能完全填充在间隙里，又能保证器件不会因为导热垫过大的压缩率导致因受到应力而影响正常工作的性能。故一般设计尺寸为间隙 0.6 mm，填充 0.8 mm 的导热垫。

经过优化设计，我们采用了导热系数为 7 w、间隙为 0.8 mm 的导热垫片，按照图 3 所示贴在模块主要内部元器件上。在环境温度为 70℃状态下测试模块的收发性能如图 8 所示。

图 8 实测 70 ℃下 200 Gbit/s QSFP-DD LR4 光模块 4 路眼图

Quaternary，TDECQ）、消光比（Extinction Ratio ，ER）和接收灵敏度等参数如表 3 所示，高温下各项指标均满足协议要求，模块能够正常工作。同时还测试了 3 种环境温度下光模块的功耗和内置传感器测得的温度值。实测光模块内温度要明显高于环境温度。在环境温度及模块外壳所处温度为 70℃时，模块内部测得温度约 76℃，表明模块内部总体散热状况良好，各芯片能够处于正常的工作温度之内。

实际应用场景中，光模块的总体散热情况与模块内部环境和外部环境紧密相关。一些研究结果显示，光模块所处的外部结构和周围气流等都会影响光模块整体的散热效果，进而对光模块稳定工作产生影响。

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