OSFP 광 모듈의 열 구조는 어떻게 설계되나요?

초고속 광모듈의 전력소모는 400G OSFP 그리고 더 높은 비율이 상당히 증가하면서 열 관리가 중요한 과제가 되었습니다.

OSFP 패키지 유형 광 모듈의 경우, 프로토콜은 방열판 핀의 임피던스 범위를 명시적으로 지정합니다. 구체적으로, 냉각 가스 풍압이 임계값 TH1을 초과하지 않고 공기 흐름이 임계값 TH2를 초과하지 않을 때, 모듈 온도는 지정된 값 이하이어야 하며, 방열판 핀의 공기 흐름 임피던스는 상한 곡선과 하한 곡선 사이의 안전 영역 내에 있어야 합니다.

방열판 구조가 변화하여 특성 곡선이 상한에 가까워지면, 일정한 풍압 하에서 모듈 온도가 상승합니다. 일정한 온도를 유지하려면 기류 압력을 높여야 합니다.

아래 다이어그램에 표시된 대로 기존 OSFP 패키징 솔루션을 먼저 살펴보겠습니다. 이 다이어그램은 열을 발생시키는 구성 요소가 비교적 큰 경우 방열판이 있는 광 모듈의 내부 구조를 보여줍니다.

이 방식에서는 열을 발생시키는 부품의 높이가 클 경우, 높은 열 출력으로 인해 해당 위치의 방열판 핀 높이가 압축되어 열 방출 결함이 발생합니다.

기존 방식에서는 방열판 핀의 높이가 점진적으로 낮아져 핀 사이의 공기 흐름 통로 단면적이 감소하고 임피던스가 프로토콜의 상한선에 가까워집니다(위의 풍압 및 공기 흐름 다이어그램 참조). 이로 인해 냉각 가스가 모듈 후면으로 침투하기 어려워 국부적인 과열 위험이 발생합니다. 이 문제를 해결하기 위해 FiberMall은 혁신적인 동적 방열 구조를 제안합니다. 방열판 핀의 높이는 해당 발열 부품의 높이에 따라 반비례하여 조정됩니다. 발열 부품이 높을수록 방열판 핀 높이는 낮아지고, 발열 부품이 낮을수록 방열판 핀 높이는 높아집니다. 경우에 따라 가장 높은 발열 부품 바로 위에 있는 핀을 완전히 제거할 수도 있습니다. 이러한 열 구조를 적용한 FiberMall 광 모듈의 개략도는 다음과 같습니다.

이러한 열 구조를 갖춘 FiberMall의 광 모듈의 개략도는 다음과 같습니다.

이러한 내부 열 관리 방식에서는 공기 유입구와 첫 번째 발열 구성 요소 위에 방열판 핀을 매우 낮게 배치하거나 전혀 배치하지 않아 더 많은 냉각 가스가 후속 발열 구성 요소 영역에 도달할 수 있습니다.

이 접근 방식은 입구 단면적을 40%까지 확장하고, 고열 부품 영역의 핀을 제거하거나 낮춤으로써 공기 흐름 채널을 30~50%까지 증가시킵니다. 두 번째 및 세 번째 발열 부품 위의 핀 높이는 점진적으로 증가합니다.

FiberMall의 방식은 핀 높이를 점진적으로 높이는 방식을 채택하여 주로 고열 구성 요소 영역의 공기 흐름 채널 막힘을 해결(핀을 제거하거나 낮춤)하고, 이를 통해 방열판의 전반적인 임피던스를 줄입니다.

위에 설명된 기본 구성에는 방열판 커버가 없어 후면에 열 병목 현상이 발생합니다.

열 성능을 강화하기 위해 두께 0.5~1mm의 분리형 알루미늄 합금 방열판 커버를 모듈 상단에 추가하고 지지 시스템을 통해 정밀하게 고정합니다.

방열판 후면의 핀 높이가 높아져 핀 사이의 단면 간극이 더 커집니다. 방열판 덮개는 세 번째 발열 부품의 핀 위의 간극과 결합하여 냉각 가스의 내외부 순환을 촉진하는 공간을 형성합니다. 또한, 방열판 핀 후면은 열린 상태로 유지되어 방열판 덮개와 케이지 사이의 간극을 통해 냉각 가스가 배출될 수 있습니다.

끝이 열린 후면 날개는 냉각 가스가 이 틈새로 흘러나갈 수 있도록 해줍니다.

전체 구조는 열역학 원리를 활용해 공기 흐름을 유도합니다. 냉각 가스는 입구에서 주입되어 앞쪽의 저항이 적은 채널을 통해 우선적으로 흐른 다음, 높은 핀이 있는 뒤쪽 영역의 기판을 향해 아래쪽으로 재지향됩니다.

가열된 가스가 상승하면 방열판 덮개와 케이지 사이의 틈을 통해 배출됩니다. 방열판 덮개와 지지 부품에 의해 형성된 밀폐된 공간은 이 공기 흐름 경로의 중요한 부분입니다.

실험 데이터는 기존의 균일 핀 방식과 비교했을 때 40W의 전력 소모에서 다음이 확인된다는 것을 보여줍니다.

후방 지역의 온도는 12-15°C 낮아집니다.

공기 흐름 임피던스는 35% 감소합니다.

풍압-기류 곡선은 프로토콜의 안전 구역의 중간에서 안정적으로 유지됩니다.