Los materiales de interfaz térmica son esenciales para los transceptores ópticos de última generación

Por Paul Dawidczyk, Gerente de Ventas del Mercado Global de Telecomunicaciones/TI, División Chomerics de Parker Hannifin

La industria se enfrenta a un nuevo desafío con la introducción de los transceptores ópticos QSFP-DD (Quad Small Form Pluggable – Double Density) para aplicaciones inalámbricas de mayor ancho de banda. Al duplicar efectivamente el número de interfaces eléctricas de alta velocidad que admite el módulo (en comparación con un módulo QSFP28 estándar), existe una necesidad aún mayor de disipar el calor de manera eficiente y efectiva. De lo contrario, podría poner en peligro el rendimiento operativo, la fiabilidad y la seguridad de estos dispositivos ópticos de alta velocidad.

No hay duda de que la llegada de arquitecturas de red para centros de datos sin restricciones de ancho de banda se debe a las últimas tecnologías de transceptores ópticos QSFP. El QSFP-DD es un módulo óptico y un sistema de jaula/conector introducido recientemente que cuenta con una fila adicional de contactos, lo que proporciona una interfaz eléctrica de ocho líneas. Como resultado, el transceptor puede utilizar una modulación NRZ de 25 G/s o PAM-4 de 50 G/s en 16 pares de conductores biaxiales o fibras ópticas para admitir un ancho de banda Ethernet agregado de 200 G/s o 400 G/s.

Mayor densida, mayor calentamiento

A pesar de todos sus beneficios de rendimiento, los transceptores ópticos pueden ser difíciles de enfriar. Los huecos de aire entre la caja del módulo y la jaula -y entre la jaula y la PCB- suelen ser de 0,2 a 0,3 mm. Estos huecos de aire se crean debido a las tolerancias mecánicas y dan como resultado un rendimiento térmico inconsistente.

Los módulos QSFP-DD son los transceptores de factor de forma más pequeños de 400 G/s, que ofrecen la mayor densidad de ancho de banda a la vez que proporcionan compatibilidad con versiones anteriores de módulos y cables QSFP conectables de menor velocidad. El rendimiento de 400 G/s se produce gracias a los chips PAM-4 DSP altamente integrados y avanzados, diodos láser de modulación externa (EML) y diodos láser de GaAs. Sin embargo, este impresionante rendimiento no está exento de desafíos térmicos significativos. Los módulos ópticos se calientan por el uso de láseres para la transmisión de datos. Además, las cargas de potencia de hasta 25 W garantizan que los ingenieros de diseño deban considerar cuidadosamente la disipación del calor y la aplicación de materiales de interfaz térmica adecuados.

Tiempo para TIM (materiales de interfaz térmica)

Existen varios materiales de interfaz térmica disponibles, incluidas almohadillas de rellenadores de huecos de conductividad térmica, grasas térmicas y geles térmicos. Estos materiales mejoran la disipación del calor al rellenar pequeños huecos de aire y huecosentre superficies de acoplamiento rugosas o desiguales, y a través del contacto con conjuntos de chips que generan calor.

La impedancia térmica es una propiedad importante para un material de interfaz térmica. Como definición, la impedancia térmica es una medida de la resistencia al flujo de calor desde una superficie caliente, a través de un material de interfaz, hacia una superficie fría.

Como el material de la interfaz térmica tiene una conductividad térmica mayor que el aire que reemplaza, la impedancia térmica a través de la junta disminuye y la temperatura de la unión del componente se reduce. Además, la maximización del área de contacto entre el disipador de calor y el módulo óptico reduce la corriente eléctrica y mejora la capacidad del sistema para enfriar el transceptor.

Geles, grasas, almohadillas

Los geles térmicos con alta conductividad térmica y buen caudal son ideales para la dispensación robótica en aplicaciones de alto volumen, como los módulos ópticos. Con la dispensación robótica, es posible garantizar la fiabilidad y la consistencia, a la vez que se reduce el tiempo y los costos. Los geles térmicos son compuestos altamente conformables de un solo componente que no requieren curado. Una vez dispensados, estos geles avanzados (que están disponibles en formulaciones con silicona y sin silicona) mantienen su forma y son perfectos para aplicaciones en las que se requiere estabilidad a largo plazo.

Las grasas térmicas de un solo componente de alto rendimiento son otra buena opción para la dispensación automatizada cuando se requiere una línea de unión más delgada. En resumen, las grasas térmicas proporcionan una impedancia térmica baja en huecos pequeños, lo que permite el uso de espaciadores de calor comunes.

Otra alternativa son las almohadillas (gap fillers) para huecos térmicos, que se pueden troquelar en la forma exacta requerida para proporcionar una forma altamente efectiva de disipar el calor de un componente generador de calor específico. La constitución suave de las almohadillas de huecos térmicos también sirve para amortiguar las cargas de choque y reducir la tensión de vibración. Cabe destacar que, aunque es posible un cierto grado de colocación automatizada de la almohadilla, el equipo y los accesorios necesarios son normalmente más especializados que los de los geles térmicos y las grasas, y es posible que no se puedan adaptar fácilmente de una aplicación a otra.

Automatizar para acumular

La experiencia sugiere que alrededor de 5000 piezas al año es el umbral en el que resulta más económico utilizar geles térmicos y un sistema de dispensación automatizado. Prácticamente este criterio es de utilización regular en la mayoría de aplicaciones de transceptores ópticos.

Los proveedores acreditados de materiales de interfaz térmica podrán ofrecer asistencia con servicios de fabricación totalmente automatizados. Las unidades de producción automatizadas dispensan los materiales térmicos, a menudo junto con cualquier requisito para dispensar materiales de protección EMI (interferencia electromagnética), antes de realizar una inspección automatizada del 100 % a través de una cámara de alta especificación y la descarga del robot de las piezas en un embalaje protector adecuado.

Cabe destacar que los avances recientes en geles térmicos proporcionan un rendimiento superior, una mayor facilidad de fabricación y montaje, y un menor coste en ciertas aplicaciones de alto volumen, particularmente a medida que las aplicaciones de diseño electrónico se vuelven más pequeñas, más densas y más complejas.

TIM para cada aplicación

Independientemente del diseño del transceptor, ya sea una jaula de tarjetas apilada o acumulada, es vital implementar una interfaz térmica efectiva entre el módulo conector del cable óptico y el disipador de calor conectado a la caja/jaula exterior. Con velocidades de 400 G/s alcanzables hoy día y 800 G/s en el horizonte cercano, los ingenieros de diseño deben considerar las necesidades de disipación del calor térmico no solo del módulo, sino también de la conexión de la interfaz en el PCB, así como en la unidad de bastidor o armario. Los armarios con bastidores de 40U a 46U requieren una inmensa dispersión de calor térmico. Las mayores velocidades de transferencia de datos, la baja latencia y la disponibilidad constante exigen mayor potencia informática, lo que a su vez significa mayores densidades de potencia por bastidor.

En última instancia, el rendimiento y la longevidad de los láseres del transceptor dependen de su temperatura ambiente de funcionamiento. Para ayudar a mantener esta temperatura dentro de los límites especificados, los materiales de interfaz térmica cuidadosamente seleccionados y aplicados representan la solución óptima. Al mismo tiempo,los diseñadores pueden reducir las pérdidas por dispersión térmica manteniendo las fuentes de calor cerca del área de interfaz térmica y aumentando la conductividad térmica de los materiales de la carcasa.

A medida que cada nueva generación de productos electrónicos requiere una mayor potencia en paquetes más pequeños, los desafíos asociados con la gestión térmica se vuelven más complejos. En todos los casos, la mejor manera de avanzar es buscar el asesoramiento de un especialista experto en materiales de interfaz térmica, uno que pueda proporcionar asistencia con el diseño, la selección de productos y las mejores prácticas de fabricación.