散熱管理
隨著 IC 處理幾何縮小到 90 奈米及以下,FPGA密度增加,管理電源成為FPGA設計的重要因素。雖然在大多數FPGA設計中,電力傳統上都是第三或第四階的問題,但現今的設計群組所面對的困境是如何在不超出電力預算的情況下,提供市場需求的所有功能。裝置消耗的電力越多,產生的熱量就越多。必須消散這種熱量,才能在規格範圍內維持作業溫度。
散熱管理是 90 奈米Stratix® II 裝置的重要設計考慮因素。Intel® FPGA裝置套件的設計,可將散熱能力降至最低,並將耗電量最大化。有些應用程式耗電量增加,需要外部散熱解決方案(包括散熱片)。
散熱
輻射、導電和對流是三種從裝置散熱的方法。PCB 設計使用散熱器來改善散熱。散熱器的散熱能源傳輸效率是由於散熱器與環境空氣之間的低散熱阻力所致。耐熱性是測量物質散熱的能力,或是不同媒體之間跨邊界散熱的效率。具有龐大表面面積和良好空氣迴圈 (氣流) 的散熱器,可提供最佳的散熱。
散熱片可協助裝置保持在指定作業溫度以下的介面溫度。透過散熱器,裝置產生的熱量會從晶粒路口流到箱子,然後從箱子流到散熱器,最後從散熱器流到環境空氣。由於目標是降低整體的散熱阻力,設計師可以使用散熱電路模型和方程來計算散熱阻力,以判斷裝置是否需要散熱器來進行散熱管理。這些散熱電路模型類似于使用 Ohm 法則的電阻電路。圖 1 顯示具有或未搭載散熱器的裝置的散熱電路模型,反映透過封裝頂部的散熱傳輸路徑。
圖 1。散熱電路型號。
表 1 定義散熱電路參數。裝置的散熱阻力取決於圖 1 所示散熱電路模型的散熱阻力總和。
表 1。熱電路參數
參數 |
名字 |
單位 |
描述 |
---|---|---|---|
θJA |
介面到環境的散熱阻力 |
oC/W |
資料表中指定 |
θJC |
介面到外殼的散熱阻力 |
oC/W |
資料表中指定 |
θCS |
主機殼對散熱器的散熱阻力 |
oC/W |
散熱介面材料散熱 |
θCA |
案例對環境的散熱阻力 |
oC/W |
|
θSA |
散熱片到環境的散熱阻力 |
oC/W |
由散熱器製造商指定 |
TJ |
介面溫度 |
oC |
裝置建議操作條件下指定的介面溫度 |
TJMAX |
最大介面溫度 |
oC |
裝置建議操作條件下所指定的最大介面溫度 |
TA |
環境溫度 |
oC |
元件附近本機環境空氣溫度 |
TS |
散熱器溫度 |
oC |
|
TC |
裝置主機殼溫度 |
oC |
|
P |
權力 |
W |
來自操作裝置的總功率。使用選取散熱器的估計值 |
耐熱性
有限元素模型用於預測封裝裝置的散熱阻力,其值與 Stratix II 裝置手冊中提供的散熱值非常吻合。表 2 顯示具有或沒有散熱器的裝置的散熱方程。
表 2。裝置散熱方程
判斷散熱器使用方式
為了判斷散熱器的必要性,設計師可以使用下列方程計算介面溫度:
TJ = TA + P × θ JA
如果計算的介面溫度 (TJ) 大於指定的最大允許介面溫度 (TJMAX),則需要外部散熱解決方案 (散熱器、新增氣流或兩者)。在上表 2 中重制方程:
θJA = θJC + θCS + θSA = (TJMAX - TA) / P
θSA = (TJMAX - TA) / P - θJC - θCS
判斷散熱器必要性的範例
以下程式提供了一種可以用來判斷是否需要散熱器的方法。此範例使用 EP2S180F1508 Stratix II 裝置,下表 3 所列條件:
表 3。操作條件
1. 使用介面溫度方程,計算所列作業條件下的介面溫度:TJ = TA + P × θJA = 50 + 20 × 4.7 = 144 °C
144 °C 的介面溫度高於指定的最高介面溫度 85 °C,因此絕對需要散熱器才能保證正常運作。
2. 使用一般熱介面材料的散熱片至環境方程 (以及 θCS 為 0.1 °C/W)計算所需的散熱片到環境散熱阻力:
3. 選取符合 1.52 °C/W 散熱需求的散熱器。散熱器也必須實際安裝在裝置上。Intel FPGA檢視多家供應商的散熱器,並參考了 Alpha Novatech (Z40-12.7B) 的散熱器。
每分鐘 400 英尺的氣流中 Z40-12.7B 的散熱阻力為 1.35 °C/W。因此,此散熱器會正常運作,因為發佈的散熱阻力 ΘSA 低於所需的 1.52 °C/W。
使用此散熱器,並重新驗證:
81.6 °C 是在指定的最高介面溫度 85 °C 之下,驗證 Z40-12.7B 散熱器解決方案能否運作。
散熱器評估
散熱器供應商提供的散熱器散熱能力的準確性,對於選擇適當的散熱器至關重要。Intel FPGA使用有限的元素模型和實際測量來確認供應商提供的資料是否正確。
有限元件模型
有限的元素模型代表套件包含散熱器的應用程式。Intel FPGA使用四個Intel FPGA裝置,在 Alpha Novatech 的兩個散熱器上測試了散熱性。表 4 顯示模型所預測的散熱阻力與供應商技術資料所計算出的散熱阻力非常接近。
表 4。每分鐘 θJA 400 英尺的氣流
測量
散熱性是根據 JEDEC 標準 JESD51-6 進行測量。Intel FPGA測量了 Alpha Novatech 下列散熱器的散熱阻力:UB35-25B、UB35-20B、Z35-12.7B 和 Z40-6.3B。有關這些散熱器的詳細資訊,請參閱 Alpha Novatech 網站 (HTTPs://www.Alphanovatech.com/en/index.html)。這些散熱片包含預先連接的散熱帶 (Chomerics T412)。
四個Intel FPGA裝置用於測量表 5 中顯示的散熱器,顯示所取得的測量結果與供應商技術資料所取得的散熱阻力之間有良好的相關性。
表 5。每分鐘 θJA 400 英尺的氣流
圖 2 中的下列圖形顯示氣流速率對 θJA的影響。
圖 2。氣流速率對 θJA的影響。
散熱介面材料
散熱介面材料 (TIM) 是用來將散熱片連接到封裝表面的媒介。它可提供從封裝到散熱器的最小散熱路徑。下列章節說明 TIM 的主要類別。
油脂
用來將散熱器結合成套件的油脂是矽矽或碳氫化合物油,其中包含各種填料。油脂是歷史最悠久的材料,也是連接散熱片最廣泛使用的材料。
表 6。潤滑脂
凝 膠
Gels 是最近開發的 TIM。凝膠會像油脂一樣分配,然後再固化為部分交叉連結的結構,從而消除抽水問題。
表 7。凝 膠
散熱導電式膠合器
導熱式膠合劑通常是以唗氧層或矽晶片為基礎的含填料,提供優異的機械結合。
表 8。散熱導電式膠合器
散熱帶
散熱帶是充滿壓力敏感的膠合劑 (PSAs),塗在支援矩陣上,例如 polyimide 薄膜、玻璃纖維墊或鋁鋁片。
表 9。散熱帶
Elastomeric 墊片
Elastomeric 墊片是聚合式矽晶橡膠,採用易於處理的固態。一般厚度為 0.25 公釐,大多數墊片都結合了交的玻璃纖維載板,以改善處理能力,並且像油脂一樣含有無機填料。它們會以應用程式所需的精准形狀作為剪切效能提供。
表 10。Elastomeric 墊片
相變材料
相變材料是低溫熱塑性膠合劑(通常採用瓦片),通常在 50 至 80 °C 範圍內熔化。當在熔點上方運作時,它們無法作為膠合劑有效且需要機械支援,因此始終使用套用約 300 kPa 壓力的夾子。
表 11。相變材料
散熱器供應商
以下是散熱片供應商清單:
- Alpha Novatech (www.Alphanovatech.com)
- Malico Inc. (www.malico.com.tw)
- Aavid Thermalloy (www.aavidthermalloy.com)
- Wakefield 散熱解決方案 (www.wakefield.com)
- Radian 散熱器 (www.radianheatsinks.com)
- 酷炫創新(www.coolinnovations.com)
- Heat Technology, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)
散熱介面材料供應商
以下是散熱介面材料供應商清單:
- Shin-Etsu MicroSi (www.microsi.com)
- 大律師公司 (www.lord.com)
- Thermagon Inc. (www.thermagon.com)
- Chomerics (www.chomerics.com)
- 漢凱 (www.henkel-adhesives.com)
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