Comment la structure thermique des modules optiques OSFP est-elle conçue ?

La consommation d'énergie des modules optiques ultra-rapides avec OSFP 400G et les taux plus élevés ont considérablement augmenté, ce qui fait de la gestion thermique un défi critique.

Pour les modules optiques de type boîtier OSFP, le protocole spécifie explicitement la plage d'impédance des ailettes du dissipateur thermique. Plus précisément, lorsque la pression du gaz de refroidissement ne dépasse pas le seuil TH1 et que le flux d'air ne dépasse pas le seuil TH2, la température du module doit être inférieure ou égale à la valeur spécifiée, et l'impédance du flux d'air des ailettes du dissipateur thermique doit rester dans la zone de sécurité entre les courbes limites supérieure et inférieure.

Si la structure du dissipateur thermique change, amenant sa courbe caractéristique à se rapprocher de sa limite supérieure, la température du module augmentera sous une pression de vent constante. Pour maintenir une température constante, il est nécessaire d'augmenter la pression du flux d'air.

Examinons d’abord la solution d’emballage OSFP existante, comme illustré dans le schéma ci-dessous, qui illustre la structure interne d’un module optique avec un dissipateur thermique lorsque les composants générateurs de chaleur sont relativement grands.

Dans ce schéma, lorsque la hauteur des composants générateurs de chaleur est importante, leur rendement thermique élevé comprime la hauteur des ailettes du dissipateur thermique à la position correspondante, créant un défaut de dissipation thermique.

Dans les schémas traditionnels, la hauteur des ailettes du dissipateur thermique diminue progressivement, réduisant la section des canaux d'écoulement d'air entre les ailettes et rapprochant l'impédance de la limite supérieure du protocole (comme illustré sur le diagramme de pression du vent et de flux d'air ci-dessus). Cela rend difficile la pénétration du gaz de refroidissement à l'arrière du module, ce qui présente un risque de surchauffe localisée. Pour remédier à ce problème, FiberMall propose une structure innovante de dissipation thermique dynamique : la hauteur des ailettes du dissipateur thermique est ajustée inversement à celle des composants caloporteurs correspondants. Plus le composant caloporteur est élevé, plus la hauteur des ailettes du dissipateur thermique est faible ; plus le composant caloporteur est bas, plus la hauteur des ailettes du dissipateur thermique est élevée. Dans certains cas, les ailettes situées directement au-dessus du composant caloporteur le plus élevé peuvent même être entièrement supprimées. Le schéma du module optique FiberMall doté de cette structure thermique est le suivant :

Le schéma du module optique de FiberMall avec cette structure thermique est le suivant :

Dans ce schéma de gestion thermique interne, des ailettes de dissipateur thermique très basses ou inexistantes sont placées à l'entrée d'air et au-dessus du premier composant générateur de chaleur, permettant à davantage de gaz de refroidissement d'atteindre les zones de composants générateurs de chaleur suivantes.

Cette approche permet d'augmenter la section d'entrée de 40 % et, en supprimant ou en abaissant les ailettes dans la zone du composant à haute température, d'augmenter le canal d'écoulement d'air de 30 à 50 %. Des hauteurs d'ailettes progressivement croissantes sont appliquées au-dessus des deuxième et troisième composants générateurs de chaleur.

Le système de FiberMall propose des hauteurs d'ailettes progressivement croissantes, s'attaquant principalement aux blocages des canaux de flux d'air dans les zones de composants à haute température (en supprimant ou en abaissant les ailettes), réduisant ainsi l'impédance globale du dissipateur thermique.

Le schéma de base décrit ci-dessus ne dispose pas d'un couvercle de dissipateur thermique, ce qui entraîne un goulot d'étranglement thermique à l'arrière.

Pour améliorer les performances thermiques, un couvercle de dissipateur thermique amovible en alliage d'aluminium, d'une épaisseur de 0.5 à 1 mm, est ajouté sur le dessus du module et fixé avec précision via un système de support.

La hauteur plus élevée des ailettes à l'arrière du dissipateur thermique crée des espaces plus grands entre elles. Le couvercle du dissipateur thermique, combiné à l'espace au-dessus des ailettes du troisième composant générateur de chaleur, forme une cavité favorisant la circulation interne et externe du gaz de refroidissement. De plus, l'arrière des ailettes du dissipateur thermique reste ouvert, permettant à une partie du gaz de refroidissement de s'échapper par l'espace entre le couvercle du dissipateur thermique et la cage.

Les ailettes arrière ouvertes permettent également au gaz de refroidissement de s'écouler à partir de cet espace.

L'ensemble de la structure s'appuie sur des principes thermodynamiques pour guider le flux d'air : le gaz de refroidissement est injecté depuis l'entrée, circulant préférentiellement à travers les canaux à faible résistance à l'avant, puis redirigé vers le bas en direction du substrat dans la zone arrière à ailettes hautes.

À mesure que le gaz chaud monte, il s'échappe par l'espace entre le couvercle du dissipateur thermique et la cage. La cavité étanche formée par le couvercle du dissipateur thermique et les composants de support est un élément essentiel de ce flux d'air.

Les données expérimentales vérifient que, pour une consommation électrique de 40 W, par rapport au schéma traditionnel à ailettes uniformes :

La température de la zone arrière est réduite de 12 à 15 °C ;

L'impédance du flux d'air est réduite de 35 % ;

La courbe pression du vent-débit d'air reste stable au milieu de la zone de sécurité du protocole.