Warum optische Transceiver Thermal Interface Materials brauchen

Es besteht kein Zweifel daran, dass das Aufkommen von Netzwerkarchitekturen für Rechenzentren ohne Bandbreitenbeschränkungen den akutellen optischen QSFP-Transceiver-Technologien (Quad Small Form Pluggable) zu verdanken ist. Bei dem vor Kurzem eingeführten QSFP-DD (Quad Small Form Pluggable – Double Density) handelt es sich um ein optisches Modul- und Cage-/Steckverbindersystem, das über eine zusätzliche Kontaktreihe verfügt und somit für eine achtspurige elektrische Schnittstelle sorgt. So kann der Transceiver mit 25 G/s NRZ- oder 50 G/s PAM-4-Modulation über 16 Paare von Doppelachsleitern oder Glasfasern arbeiten und eine aggregierte Ethernet-Bandbreite von 200 G/s oder 400 G/s unterstützen.

Bei allen Vorteilen in der Leistung kann die Kühlung von optischen Transceivern eine Herausforderung darstellen. Luftspalte von typischerweise 0,2 bis 0,3 mm zwischen dem Modulgehäuse und dem Cage – und zwischen dem Cage und der Leiterplatte – sind üblich. Diese Luftspalte entstehen durch mechanische Toleranzen und führen zu einer inkonsistenten thermischen Leistung.

QSFP-DD-Module sind die Transceiver mit dem kleinsten Formfaktor von 400 G/s und bieten die höchste Bandbreitendichte bei gleichzeitiger Abwärtskompatibilität zu steckbaren QSFP-Modulen und -Kabeln mit niedrigerer Geschwindigkeit. Die Leistung von 400 G/s wird durch hoch integrierte und fortschrittliche PAM-4 DSP-Chips, extern modulierte Laserdioden (EML) und GaAs-Laserdioden erreicht. Diese Leistung bringt jedoch erhebliche thermische Herausforderungen mit sich. Optische Module erwärmen sich durch den Einsatz von Lasern zur Datenübertragung. Darüber hinaus sorgen Leistungen von bis zu 25 W dafür, dass Konstrukteure die Wärmeableitung und die Verwendung geeigneter thermischer Interfacematerialien sorgfältig berücksichtigen müssen.

Unterschiedliche Materialien sind verfügbar, darunter thermisch leitfähige Gap Filler, Wärmeleitpasten und dispenserbare Gap Filler Diese Materialien verbessern die Wärmeableitung, indem sie winzige Luftspalte und Lücken zwischen rauen oder unebenen Kontaktflächen füllen oder durch direkten Kontakt mit wärmeerzeugenden Chipsätzen.

Die thermische Impedanz ist eine wichtige Eigenschaft von thermisch leitfähigen Materialien. Zur Definition: Die thermische Impedanz ist ein Maß für den Widerstand gegen den Wärmefluss von einer heißen Oberfläche durch ein thermisch leitfähiges Material zu einer kalten Oberfläche.

Da thermisch leitfähige Materialien eine höhere thermische Leitfähigkeit haben als die Luft, die sie verdrängt, sinkt die thermische Impedanz an der Verbindung. Dadurch verringert sich die Temperatur im Bauteil. Zusätzlich sinkt die Maximierung der Kontaktfläche zwischen dem Kühlkörper und dem optischen Modul den Wärmewiderstand und verbessert die Fähigkeit des Systems, den Transceiver zu kühlen.

Thermogele mit hoher thermischer Leitfähigkeit und guten Fließeigenschaften beim Dispensen eignen sich etwa für die Dosierung mit Robotern in Anwendungen mit hohem Volumen, wie beispielsweise Optikmodule. Mit dem Dosierroboter ist es möglich, Zuverlässigkeit und Konsistenz zu gewährleisten und gleichzeitig Zeit und Kosten zu reduzieren. Thermische Gele sind Ein-Komponenten-Materialien mit hoher Formanpassungsfähigkeit, die nicht vernetzen müssen. Nach dem Auftragen sind diese hochentwickelten Gele, die in silikonhaltigen und silikonfreien Formulierungen erhältlich sind, formbeständig und eignen sich für Anwendungen, bei denen eine langfristige Stabilität erforderlich ist.

Leistungsstarke Einkomponenten-Pasten ("thermal greases") sind eine weitere gute Option für die automatische Dosierung, wenn eine dünnere Verbindungslinie erforderlich ist. Kurz gesagt, Wärmeleitpasten bieten eine niedrige thermische Impedanz bei einer geringen Spaltdicke, was die Verwendung gängiger Wärmeleitpasten ermöglicht.

Eine weitere Alternative sind thermisch leitfähige Gapfiller Pads, die sich in die gewünschte Form stanzen lassen, um die Wärme von einer wärmeerzeugenden Komponente hocheffizient abzuleiten. Die weiche Beschaffenheit der thermischen leitfähigen Materialien kann auch bei der Dämpfung von Stoßbelastungen und der Reduzierung von Vibrationsbelastungen unterstützen. Hier ist anzumerken, dass zwar ein gewisses Maß an Automatisierung der Plazierung der Pads möglich ist, dass aber die erforderlichen Geräte und Vorrichtungen in der Regel spezieller sind als die für das dispensern von thermischen Gels und Pasten. Außderdem können sie nicht ohne weiteres von einer Anwendung zur nächsten angepasst werden.

Die Erfahrung zeigt, dass bei etwa 5000 Teilen pro Jahr der Schwellenwert erreicht ist, ab dem es wirtschaftlicher ist, thermische Gele und ein automatisches Dosiersystem zu verwenden. Dieses Kriterium gilt mit Sicherheit für die meisten Anwendungen von optischen Transceivern.

Seriöse Anbieter von thermisch leitfähigen Materialien sind in der Lage, mit vollautomatischen Fertigungsdienstleistungen zu unterstützen. Automatisierte Produktionseinheiten dosieren die thermischen Materialien – oft zusammen mit den erforderlichen EMI-Abschirmungsmaterialien – bevor sie eine automatisierte 100-Prozent-Kontrolle mit einer hochspezialisierten Industriekamera durchführen und die Teile per Roboter in eine geeignete Schutzverpackung einlegen.

Die jüngsten Fortschritte im Bereich der thermischen Gele ermöglichen eine bessere Leistung, eine einfachere Herstellung und Montage sowie niedrigere Kosten bei bestimmten Großserienanwendungen, insbesondere da die elektronischen Anwendungen immer kleiner, dichter und komplexer werden.

Unabhängig von der Bauform des Transceivers, und der Art des Cages, ist es von entscheidender Bedeutung, eine wirksame thermische Schnittstelle zwischen dem optischen Kabelverbindermodul und dem am äußeren Gehäuse/Cage befestigten Kühlkörper zu schaffen. Mit Geschwindigkeiten von nunmehr 400 G/s und 800 G/s in der näheren Zukunft müssen die Konstrukteure die Anforderungen an die Wärmeableitung nicht nur für das Modul, sondern auch für die Anbindung der Schnittstelle auf der Leiterplatte sowie für die Rackeinheit oder den Schrank berücksichtigen. Schränke mit 40U- bis 46U-Racks erfordern eine immense Wärmeableitung. Höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten, geringe Latenz und ständige Verfügbarkeit erfordern mehr Rechenleistung, was wiederum höhere Leistungsdichten pro Rack bedeutet.

Letztendlich hängen die Leistung und die Langlebigkeit von Transceiver-Lasern von ihrer Umgebungstemperatur ab. Um diese Temperatur innerhalb spezifizierter Grenzen zu halten, stellen sorgfältig ausgewählte und angewandte thermisch leitfähige Materialien die optimale Lösung dar. Gleichzeitig können die Konstrukteure die thermischen Ausbreitungsverluste verringern, indem sie die Wärmequellen in der Nähe der thermischen Schnittstelle halten und die thermische Leitfähigkeit der Gehäusematerialien erhöhen.

Jede neue Generation elektronischer Produkte benötigt höhere Leistungen in kleineren Gehäusen. Damit sind die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Wärmemanagement deutlich angestiegen. In jedem Fall ist es am besten, sich von ausgewiesenen Spezialisten für thermisch leitfähige Materialien beraten zu lassen. Sie können Unterstützung bei der Konstruktion, der Produktauswahl und den optimalen Fertigungsmöglichkeiten bieten. (prm)