Zarządzanie termiczne

W miarę jak geometria procesów IC skurczy się do 90 nm i poniżej oraz FPGA wzrost gęstości, zarządzanie mocą staje się istotnym czynnikiem w FPGA projektowaniu. Władza w większości projektów FPGA tradycyjnie stanowi problem dotyczący zamówień na trzeci lub trzeci porządek, ale obecnie grupom projektowym, przed którymi stoi, zależy na tym, jak zapewnić wszystkie funkcje, których oczekuje rynek, bez przekraczania budżetów na energię. Im więcej energii zużywa urządzenie, tym więcej wydzielanego ciepła. To ciepło musi zostać rozproszone, aby utrzymać temperaturę roboczą w specyfikacji.

Zarządzanie termiczne jest istotnym czynnikiem projektowym dla urządzeń Stratix® II 90 nm. Intel® FPGA pakiety urządzeń zostały zaprojektowane tak, aby zminimalizować odporność termiczną i zmaksymalizować rozproszenie zasilania. Niektóre aplikacje rozpraszają więcej energii i wymagają zewnętrznych rozwiązań termicznych, w tym radiatorów.

Rozpraszanie ciepła

Promieniowanie, przewodzenie i konwekcja to trzy sposoby rozpraszania ciepła z urządzenia. Projekty PCB wykorzystują radiatory w celu poprawy rozpraszania ciepła. Oszczędność energii cieplnej w radiatorach wynika z niskiej odporności termicznej między radiatorem a powietrzem otoczenia. Odporność termiczna to miara zdolności substancji do rozpraszania ciepła lub efektywności przenoszenia ciepła przez granicę między różnymi nośnikami. Radiator z dużą powierzchnią i odpowiednią przestrzenią powietrza (przepływ powietrza) zapewnia najlepsze rozpraszanie ciepła.

Radiator pomaga utrzymać urządzenie w temperaturze poniżej określonej zalecanej temperatury roboczej. W przypadku radiatora ciepło z urządzenia przepływa z matrycy do obudowy, a następnie od obudowy do radiatora, a na koniec z radiatora do otoczenia powietrza. Ponieważ celem jest zmniejszenie ogólnej odporności termicznej, projektanci mogą ustalić, czy urządzenie wymaga radiatora do zarządzania termicznego, obliczając odporność termiczną przy użyciu modeli obwodów termicznych i równań. Te modele obwodów termicznych są podobne do obwodów rezystorów, korzystając z prawa Ohm. Rys. 1 przedstawia model obwodu termicznego urządzenia z radiatorem i bez go, odzwierciedlający ścieżkę transferu termicznego przez górną część opakowania.

W tabeli 1 zdefiniowano parametry obwodów termicznych. Odporność termiczna urządzenia zależy od sumy odporności termicznej z modelu obwodu termicznego przedstawionego na rys. 1.

Tabela 1. Parametry obwodów termicznych

Odporność termiczna

Wykorzystano modele elementów skończonych, aby przewidzieć odporność termiczną pakowanych urządzeń, których wartości są ściśle zgodne z wartościami odporności termicznej określonymi w podręczniku urządzenia Stratix II. W tabeli 2 przedstawiono równania odporności termicznej dla urządzenia z radiatorem i bez jego użycia.

Tabela 2. Równania termiczne urządzenia

Określanie sposobu korzystania z radiatora

Projektanci, aby określić konieczność radiatora, mogą obliczyć temperaturę przegrzeczenia przy użyciu następującego równania:

T_J = T_A + × P O _JA

Jeśli obliczona temperatura przegrzeby (T_J) jest większa niż określona maksymalna dopuszczalna temperatura (T_JMAX), wymagane jest zewnętrzne rozwiązanie termiczne (radiator, dodatkowy przepływ powietrza lub oba). Przeprojektowanie równania w tabeli 2 powyżej:

O_JA = OJMAX₊ OS + 0_CS + 0_SA = (T_JMAX - T_A) / P

O_SA = (T_JMAX - T_A) / P - OJ_JC - O_CS

Przykład określania konieczności radiatora

Poniższa procedura zapewnia metodę, którą można użyć w celu ustalenia, czy radiator jest wymagany. W tym przykładzie zastosowano urządzenie EP2S180F1508 Stratix II z warunkami wymienionymi poniżej w tabeli 3:

Tabela 3. Warunki użytkowania

1. Korzystając z równania temperatury przesuwu, oblicz temperaturę przywłaszczenia w wymienionych warunkach operacyjnych: TJ = TA + P × OS= 50 + 20 × 4.7 = 144 °C

Temperatura 144 °C jest wyższa niż określona temperatura maksymalna 85 °C, więc radiator jest całkowicie wymagany do zagwarantowania właściwego działania.

2. Korzystając z równania "radiator do temperatury otoczenia" (oraz równania OC 0,1 °C/W dla typowego materiału termoprzewodzącego_), oblicz wymaganą odporność termiczną radiatora na temperaturę otoczenia:

3. Wybierz radiator spełniający wymagania termiczne 1,52 °C/W. Radiator musi również być fizycznie dopasowany do urządzenia. Intel FPGA przejrzał radiatory od kilku dostawców i odniósł się do przykładu radiatora firmy AlphaTech (Z40-12.7B).

Odporność termiczna Z40-12,7B przy przepływie powietrza wynoszącym 400 przepływów na minutę wynosi 1,35 °C/w. Dlatego radiator ten będzie działał, ponieważ opublikowana odporność termiczna naSA jest mniejsza niż wymagana 1,52 °C/W.

Korzystając z tego radiatora i ponownie sprawdź:

Temperatura radiatora Z40-12.7B może wynosić 81,6°C, przy określonej maksymalnej temperaturze wynoszącej 85°C. Sprawdza się, czy rozwiązanie radiatora Z40-12.7B będzie działać.

Oceny radiatorów

Dokładność odporności termicznej radiatora zapewniana przez dostawców radiatorów ma kluczowe znaczenie przy wyborze odpowiedniego radiatora. Intel FPGA wykorzystuje zarówno modele elementów skończonych, jak i rzeczywiste pomiary, aby sprawdzić, czy dostarczone dane od dostawcy są dokładne.

Modele elementów skończonych

Modele elementów skończonych reprezentują zastosowania, w których pakiet zawiera radiator. Intel FPGA przetestowane odporności termiczne na dwóch radiatorach firmy AlphaTech, przy użyciu czterech urządzeń Intel FPGA. W tabeli 4 podano, że rezystancja termiczna modeli oraz rezystancja termiczna obliczona na podstawie danych katalogowych dostawcy są zbliżone do tych samych.

Tabela 4. Przepływ powietrza na minutę_ZDM 400

Pomiary

Odporność termiczna mierzona jest zgodnie ze standardem JEDEC JESD51-6. Intel FPGA zmierzone odporności termiczne następujących radiatorów firmy AlphaTech: UB35-25B, UB35-20B, Z35-12,7B i Z40-6,3 B. Szczegółowe informacje na temat tych radiatorów są dostępne na stronie internetowej AlphaTech (https://www.alphanovatech.com/en/index.html). Te radiatory zawierają wstępnie podłączoną taśmę termiczną (Chomerics T412).

Do pomiaru radiatorów przedstawionych w tabeli 5 wykorzystano cztery urządzenia Intel FPGA, co wykazuje dobrą korelację między uzyskanymi pomiarami a odpornością termiczną uzyskaną w danych katalogowych dostawcy.

Tabela 5. Przepływ powietrza na minutę_ZDM 400

Poniższy wykres na _{rys. 2} ukazuje wpływ prędkości przepływu powietrza na OIO.

Materiał interfejsu termicznego

Thermal Interface Material (TIM) to medium wykorzystywane do przymocowania radiatora do powierzchni obudowy. Funkcja ta zapewnia minimalną ścieżkę odporności termicznej od pakietu do radiatora. Poniższe sekcje opisują główne kategorie tim.

Smaru

Powodem było łączenie radiatorów z pakietami. Jest to silikonowy lub naftowy z wodorowęglowodorem, który zawiera różne wypełniacze. Jest to najstarszy rodzaj materiałów i najczęściej używany materiał używany do podłączania radiatorów.

Tabela 6. Smary

Żel

Żele to niedawno opracowana firma TIM. Żele są częściowo połączone ze sobą, co eliminuje problem problemów związanych z wyłapywaną strukturą.

Tabela 7. Żele

Termicznie przewodzące".

Termicznie przewodzące piszczenia są zazwyczaj formułami epoksydowymi lub silikonowymi zawierającymi wypełniacze, co zapewnia doskonałą pastę mechaniczną.

Tabela 8. Termicznie przewodzące".

Taśma termiczna

Taśma termiczna wypełniana jest piekielnymi korekcjami (PSA), które są wypełniane na macierzy pomocniczej, np. na filmie z polyimide, światłowodach i aluminium.

Tabela 9. Taśma termiczna

E-blokomeryczne podkładki

Poduszek krzemowych są w formie łatwych w obsłudze podzespołów. Przy typowym 0,25 mm, większość podkładek zawiera tkane światłowody w celu poprawy obsługi i zawiera wypełniacze inor- Dostarczamy je w postaci płytki półprzewodnikowej o precyzyjnym kształcie wymaganym do zastosowania.

Tabela 10. E-blokomeryczne podkładki

Materiały do wymiany etapów

Materiały do wymiany fazowej to niskiej temperatury termomoderniki (zazwyczaj w zakresie od 50 do 80 °C). Pracując ponad punktem zaczepienia, nie są skuteczni i wymagają mechanicznego podparcia, więc zawsze są używane z zaciskiem nakładającym nacisk na około 300 kPa.

Tabela 11. Materiały do wymiany etapów

Sprzedawcy radiatorów

Poniżej znajduje się lista dostawców radiatorów:

• Alpha-Www.alphanovatech.com
• Malico Inc. (www.malico.com.tw)
• Aavid Thermalloy (www.aavidthermalloy.com)
• Rozwiązania termiczne Firmy Intel z firmy Firmy Intel (www.wakefield.com)
• Radian radiator (www.radianheatsinks.com)
• Chłodne innowacje (www.coolinnovations.com)
• Heat Technology, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)

Dostawcy materiałów thermal interface

Poniżej znajduje się lista dostawców materiałów termoprzewodzących:

• Shin-Etsu MicroSi (www.microsi.com)
• Lord Corporation (www.lord.com)
• Thermagon Inc. (www.thermagon.com)
• Chomerics (www.chomerics.com)
• Www.henkel-adhesives.com Firmy Wyszyńskiego