Simulation zur erfolgreichen Optimierung des Kühlkörpers für einen optischen Sender


March 2005

Ein bedeutendes asiatisches Ingenieurbüro hat die thermische Simulation erfolgreich zur Optimierung eines Kühlkörpers für einen optischen Sender eingesetzt und so die Zeit sowie die Kosten zur Entwicklung dieses Bauteils erheblich senken können. Ziel des Beratungsprojekts war es, die Gehäusetemperatur durch reine Konvektion - also ohne einen Lüfter - auf oder unter 70 °C zu halten. Die größte Herausforderung hierbei war die Entwicklung eines Kühlkörpers für das Treiber-IC mit einem sehr hohen Wärmefluss. Die Techniker entwarfen und simulierten sechs verschiedene Kühlkörperkonstruktionen mit Hilfe der Kühlungs-Simulationssoftware von Flomerics. Diese Simulation lieferte den Technikern alle Informationen, die sie für eine optimierte Konstruktion des Kühlkörpers benötigten. Der Wärmeübergang zwischen Laserarray und Treiber-IC wurde durch einen günstigeren Kompromiss zwischen den thermischen und den elektrischen Eigenschaften ebenfalls verbessert. Die thermische Simulation hat bei diesem Projekt in erheblichem Umfang Zeit und Kosten eingespart, und das Ingenieurbüro hat in vielen anderen Anwendungen ähnlich gute Ergebnisse erreicht.

Das hier beschriebene Projekt wurde für den Hersteller eines 12kanaligen steckbaren optischen Senders in einer parallelen Konfiguration durchgeführt. Dieser Sender baut auf der VCSEL-Technologie (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) auf. Das Modul kann für Anwendungen mit Datenraten bis 2,5 Gbps pro Kanal oder Gesamt-Datenraten bis 30 Gbps bei zwölf unabhängigen optischen Signalen und Übertragungsentfernungen bis 300 m eingesetzt werden. Es besteht hauptsächlich aus einem Laserarray aus 12 VCSEL, die auf einer Wellenlänge von 850 nm arbeiten. Die Modultemperatur ist ein kritischer Faktor, da bei zu hohen Temperaturen die ausgesendete Wellenlänge ansteigt und die Schwellenstromdichte zunimmt. Dadurch könnte die Ausgangsleistung des Lasers verringert, die Breite der Spektrallinie erhöht, und so auch die Übertragungsgeschwindigkeit beeinträchtigt oder gar das Modul beschädigt werden. Der Wärmefluss des ICs ist mit 24 W/cm² sehr hoch. Damit steht der Konstrukteur vor zwei Hauptproblemen: 1. der Entwicklung eines Kühlkörpers, der die Gehäusetemperatur des Moduls unter 70 °C hält, und 2. der Optimierung des Wärmeübergangs, um den Einfluss der Verlustleistung des ICs auf die Temperatur des Laserarrays zu minimieren.

Ein Ingenieur, der für das Büro arbeitet, erstellte hierzu eine Simulation des Kühlkörpers in FloTHERM auf der Grundlage der natürlichen Konvektion und der normalen Umgebungstemperatur. Er erprobte verschiedene mögliche Konstruktionen und ließ sich das Ergebnis der Simulationen hinsichtlich des Luftstroms, des Drucks und der Temperatur im gesamten Modul darstellen. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse konnte die optimale Form mit wenigen weiteren Versuchen gefunden werden. Der Ingenieur untersuchte auch verschiedene Abstände zwischen IC und Laserarray, um ein besseres Verständnis zum Verhältnis zwischen den thermischen und elektrischen Eigenschaften zu erhalten. Eine stärkere Trennung verbessert die thermischen Eigenschaften, beeinträchtigt jedoch die elektrische Leistungsfähigkeit. Er entwarf einen Hohlraum und eine Wärmeableitfläche unter dem Laserarray, um das thermische Verhalten zu verbessern. Als die Entwicklungsarbeiten abgeschlossen waren, wurden Prototypen hergestellt, und die gemessenen Ergebnisse stimmten mit der Simulation sehr gut überein. Die Temperaturen bleiben beim fertigen Produkt mit natürlicher Konvektion und dem optimierten Kühlkörper unter 70 °C. Das Projekt konnte in deutlich kürzerer Zeit und mit geringeren Kosten abgeschlossen werden, als dies bei einer konventionellen Entwicklung mit einer Reihe von Prototypen möglich gewesen wäre.

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