Quản lý nhiệt
Khi các hình học quy trình IC thu nhỏ xuống 90 nm và mật độ FPGA tăng lên, việc quản lý năng lượng trở thành một yếu tố đáng kể trong thiết kế FPGA sáng tạo. Mặc dù sức mạnh truyền thống là mối quan tâm thứ ba hoặc thứ tự theo yêu cầu đối với hầu hết các thiết kế FPGA, nhưng các nhóm thiết kế tiến công phải đối mặt ngày nay là làm thế nào để cung cấp tất cả các chức năng mà thị trường yêu cầu mà không vượt quá ngân sách năng lượng. Càng tiêu thụ nhiều điện năng, thiết bị càng tiêu thụ nhiều nhiệt. Nhiệt này phải được tiêu tán để duy trì nhiệt độ vận hành trong thông số kỹ thuật.
Quản lý nhiệt là một cân nhắc thiết kế quan trọng cho các thiết bị 90 nm Stratix® II. Intel® FPGA được thiết kế để giảm thiểu khả năng chịu nhiệt và tối đa hóa việc tiêu thụ điện năng. Một số ứng dụng tiêu tán nhiều điện năng hơn và sẽ yêu cầu các giải pháp nhiệt bên ngoài, bao gồm cả tản nhiệt.
Tản nhiệt
Bức xạ, dẫn điện và đối lưu là ba cách để tiêu tán nhiệt từ một thiết bị. Các thiết kế PCB sử dụng tản nhiệt để cải thiện tản nhiệt. Hiệu quả truyền năng lượng nhiệt của tản nhiệt là do khả năng chịu nhiệt thấp giữa tản nhiệt và không khí xung quanh. Khả năng chống nhiệt là thước đo khả năng tản nhiệt của một chất hoặc hiệu quả truyền nhiệt qua ranh giới giữa các phương tiện khác nhau. Tản nhiệt với khu vực bề mặt lớn và luồng không khí tốt (luồng không khí) giúp tản nhiệt tốt nhất.
Tản nhiệt giúp giữ cho thiết bị ở nhiệt độ giao điểm dưới nhiệt độ vận hành được chỉ định. Với một tản nhiệt, nhiệt từ một thiết bị chảy từ giao điểm chết đến đầu máy, sau đó, từ đầu máy đến tản nhiệt, và cuối cùng là từ tản nhiệt đến không khí xung quanh. Vì mục tiêu là giảm khả năng chịu nhiệt tổng thể, các nhà thiết kế có thể xác định xem thiết bị có cần tản nhiệt để quản lý nhiệt bằng cách tính toán khả năng chống nhiệt bằng cách sử dụng các mô hình mạch nhiệt và bộ chỉnh nhiệt hay không. Các mô hình mạch nhiệt này tương tự như các mạch điện trở sử dụng định luật Ohm. Hình 1 cho thấy một mô hình mạch nhiệt cho một thiết bị có và không có tản nhiệt, phản ánh đường truyền nhiệt qua đầu gói.
Hình 1. Mô hình mạch nhiệt.
Bảng 1 xác định các thông số mạch nhiệt. Khả năng chống nhiệt của một thiết bị phụ thuộc vào tổng của các điện trở nhiệt từ mô hình mạch nhiệt được hiển thị trong Hình 1.
Bảng 1. Thông số mạch nhiệt
Tham số |
Tên |
Đơn vị |
Mô tả |
---|---|---|---|
CẢICHÍNH |
Khả năng chống nhiệt từ giao điểm đến môi trường |
O C/W |
Được chỉ định trong bảng dữ liệu |
NGAYJC |
Khả năng chống nhiệt giao điểm-trường hợp |
O C/W |
Được chỉ định trong bảng dữ liệu |
CS RẰNG |
Khả năng chống tản nhiệt từ đầu đến nhiệt |
O C/W |
Khả năng chịu nhiệt của vật liệu giao diện nhiệt |
CẢICÁCH CA |
Khả năng chống nhiệt từ đầu đến lớn |
O C/W |
|
CẢICÁCH SA |
Khả năng chống tản nhiệt từ môi trường đến môi trường |
O C/W |
Được chỉ định bởi nhà sản xuất tản nhiệt |
TJ |
Nhiệt độ giao điểm |
O C |
Nhiệt độ giao điểm như được chỉ định trong Điều kiện vận hành được khuyên dùng cho thiết bị |
TJMAX |
Nhiệt độ giao điểm tối đa |
O C |
Nhiệt độ giao điểm tối đa như được chỉ định trong Điều kiện vận hành khuyên dùng cho thiết bị |
TA |
Nhiệt độ môi trường |
O C |
Nhiệt độ của không khí xung quanh cục bộ gần thành phần |
TS |
Nhiệt độ tản nhiệt |
O C |
|
TC |
Nhiệt độ đầu máy của thiết bị |
O C |
|
P |
Điện |
W |
Tổng điện năng từ thiết bị vận hành. Sử dụng giá trị ước tính để chọn tản nhiệt |
Khả năng chống nhiệt
Các mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để dự đoán khả năng chống nhiệt của các thiết bị đóng gói, các giá trị trong đó khớp chặt chẽ với các giá trị kháng nhiệt được cung cấp trong Sổ tay thiết bị Stratix II. Bảng 2 cho thấy khả năng chịu nhiệt của thiết bị có và không có tản nhiệt.
Bảng 2. Hệ thống tản nhiệt của thiết bị
Thiết bị |
Equation |
---|---|
Không có tản nhiệt |
NGAYJA = NGAYJC + NGAYCA = (TJ - TA) / P |
Với tản nhiệt |
NGAYJA = NGAYJC +NGAYCS +NGAYSA = (TJ - TA) / P |
Xác định việc sử dụng tản nhiệt
Để xác định sự phù hợp của tản nhiệt, các nhà thiết kế có thể tính nhiệt độ giao điểm bằng cách sử dụng bộ tản nhiệt sau:
TJ = TA + P × NGAY
Nếu nhiệt độ giao điểm được tính toán (TJ) nhiều hơn nhiệt độ giao điểm cho phép tối đa được chỉ định (TJMAX), cần có giải pháp nhiệt bên ngoài (tản nhiệt, luồng không khí bổ sung hoặc cả hai). Làm lại tác vụ chỉnh lý trong Bảng 2 ở trên:
NGAYJA = NGAYJC + NGAYCS + NGAYSA = (TJMAX - TA) / P
NGAYSA = (TJMAX - TA) / P - NGAYJC - NGAYCS
Ví dụ về xác định khả năng chi trả của tản nhiệt
Quy trình sau đây cung cấp một phương pháp mà người ta có thể sử dụng để xác định xem cần có tản nhiệt hay không. Ví dụ này sử dụng thiết bị EP2S180F1508 Stratix II, với các điều kiện được liệt kê dưới đây trong Bảng 3:
Bảng 3. Điều kiện vận hành
Tham số |
Giá trị |
---|---|
Điện |
20 W |
T A tốiđa |
50oC |
T J tốiđa |
85oC |
Tốc độ luồng không khí |
400 chân mỗi phút |
NGAYJA dưới luồng không khí 400 độ mỗi phút |
4,7oC/W |
NGAYJC |
0,13oC/W |
1. Sử dụng cấu trúc nhiệt độ giao nhau, tính nhiệt độ giao điểm trong điều kiện hoạt động được liệt kê: TJ = TA + P × SỐNGJA = 50 + 20 × 4.7 = 144 °C
Nhiệt độ giao điểm 144 °C cao hơn nhiệt độ giao điểm tối đa được chỉ định là 85 °C, vì vậy cần có tản nhiệt để đảm bảo hoạt động bình thường.
2. Sử dụng cấu trúc tản nhiệt từ môi trường đến môi trường (và một CS 0,1 °C/W cho vật liệu giao diện nhiệt điển hình), tính toán khả năng chịu nhiệt môi trường cần thiết:
Tham số |
Equation |
---|---|
CẢICÁCH SA | = (TJmax -TA) / P - NGAYJC - NGAYCS |
|
= (85 -50) / 20 - 0,13 - 0,1 |
|
= 1,52 °C/W |
3. Chọn tản nhiệt đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu nhiệt của 1,52 °C/W. Tản nhiệt cũng phải vừa với vật lý vào thiết bị. Intel FPGA tản nhiệt đã được xem xét từ một số nhà cung cấp và tham khảo một tản nhiệt từ Alpha Novatech (Z40-12,7B) cho ví dụ này.
Khả năng chống nhiệt của Z40-12,7B ở luồng không khí 400 chân mỗi phút là 1,35 °C/W. Do đó, tản nhiệt này sẽ hoạt động vì khả năng chịu nhiệt được công bố NGAYSA nhỏ hơn 1,52 °C/W bắt buộc.
Sử dụng tản nhiệt này và xác minh lại:
Tham số |
Equation |
---|---|
TJ |
= TA + P × FPJA |
|
= TA + P × (NGAYJC + NGAYCS + NGAY) |
|
= 50 + 20 × (0,13 + 0,1 + 1,35) |
|
= 81,6 °C |
81,6 °C nằm trong nhiệt độ giao điểm tối đa được chỉ định là 85 °C, xác minh rằng giải pháp tản nhiệt Z40-12,7B sẽ hoạt động.
Đánh giá tản nhiệt
Độ chính xác của khả năng chống nhiệt của tản nhiệt được cung cấp bởi các nhà cung cấp tản nhiệt là rất quan trọng trong việc chọn một tản nhiệt thích hợp. Intel FPGA sử dụng cả mô hình phần tử hữu hạn và các phép đo thực tế để xác minh rằng nhà cung cấp cung cấp dữ liệu là chính xác.
Mô hình phần tử hữu hạn
Các mô hình phần tử hữu hạn đại diện cho các ứng dụng trong đó một gói chứa một tản nhiệt. Intel FPGA nghiệm về khả năng chịu nhiệt trên hai bộ tản nhiệt từ Alpha Novatech sử dụng bốn Intel FPGA thiết bị khác nhau. Bảng 4 cho thấy các khả năng chống nhiệt do các mô hình dự đoán và các điện trở nhiệt được tính từ bảng dữ liệu của nhà cung cấp là một đối sánh chặt chẽ.
Bảng 4. Luồng khôngkhí mỗi phút chân thực NGAY JA 400
Tản nhiệt |
Gói |
ÔJA từmô hình hóa (oC/W) |
ÔJAtừ bảng dữ liệu (oC/W) |
---|---|---|---|
Z35-12,7B |
Thiết bị EP2S90 trong gói BGA® FineLine 1.020 chân |
2.6 |
2.2 |
Z35-12,7B |
Thiết bị EP2S180 trong gói BGA FineLine 1.020 chân |
2.3 |
2.1 |
Z40-6,3B |
Thiết bị EP2S90 trong gói BGA FineLine 1.020 chân |
3.3 |
3 |
Z40-6,3B |
Thiết bị EP2S180 trong gói BGA FineLine 1.020 chân |
3 |
2.8 |
Đo lường
Khả năng chịu nhiệt được đo theo Tiêu chuẩn JESD51-6 của JEDEC. Intel FPGA được đo nhiệt của các tản nhiệt sau đây từ Alpha Novatech: UB35-25B, UB35-20B, Z35-12,7B và Z40-6,3B. Thông tin chi tiết về các tản nhiệt này có sẵn tại trang web Alpha Novatech (https://www.alphanovatech.com/en/index.html). Các tản nhiệt này chứa keo tản nhiệt gắn sẵn (Chomerics T412).
Bốn thiết bị Intel FPGA được sử dụng để đo tản nhiệt được hiển thị trong Bảng 5, cho thấy mối tương quan tốt giữa các phép đo thu được và các điện trở nhiệt thu được từ bảng dữ liệu của nhà cung cấp.
Bảng 5. Luồng khôngkhí mỗi phút chân thực NGAY JA 400
Tản nhiệt |
SJA(oC/W) thực tế |
Bảng dữ liệu RẰNGJA(oC/W) |
---|---|---|
UB35-25B |
2.2 |
2.2 |
UB35-25B |
2.5 |
2.4 |
Z35-12,7B |
2.8 |
2.6 |
Z40-6,3B |
3.8 |
3.4 |
Đồ thị sau đây trong Hình 2 cho thấy ảnh hưởng của tốc độ luồng không khí trên NGAYJA.
Hình 2. Ảnh hưởng của Tốc độ luồng không khí lên NGAYJA.
Vật liệu giao diện nhiệt
Vật liệu giao diện nhiệt (TIM) là phương tiện được sử dụng để gắn tản nhiệt vào bề mặt gói. Bộ phận này hoạt động để cung cấp một đường dẫn chịu nhiệt tối thiểu từ gói đến tản nhiệt. Các phần sau mô tả các nhóm TIM chính.
Mỡ
Dầu nhớt được sử dụng để liên kết tản nhiệt để đóng gói là một dầu silicone hoặc hydrocarbon có chứa các chất độn khác nhau. Grease là loại vật liệu lâu đời nhất và là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất được sử dụng để gắn tản nhiệt.
Bảng 6. Dầu nhờn
Thuận |
Chống |
---|---|
Khả năng chịu nhiệt thấp |
Lộn xộn và khó áp dụng vì có độ nhớt cao. |
Cần kẹp cơ học (áp lực trong phạm vi 300 kPa). |
|
Trong các ứng dụng có chu kỳ bật/tắt nguồn lặp lại, "bơm ra" xảy ra, trong đó dầu nhờn bị ép buộc từ giữa đế bán dẫn silicon và tản nhiệt mỗi khi đế bán dẫn được đun nóng và làm mát. Điều này gây ra sự suy giảm hiệu suất nhiệt theo thời gian và có khả năng làm giảm các thành phần lân cận. |
Gel
Các dạng keo là MỘT TIM đã phát triển gần đây. Các loại keo được phối hợp như dầu nhờn và sau đó được chữa khỏi thành một cấu trúc liên kết chéo một phần, giúp loại bỏ vấn đề bơm ra.
Bảng 7. Gel
Hiệu ứng dẫn nhiệt
Các kết cấu dẫn nhiệt thường là các công thức dựa trên epoxy hoặc silicone có chứa chất độn, mang lại một liên kết cơ học vượt trội.
Bảng 8. Hiệu ứng dẫn nhiệt
Thuận |
Chống |
---|---|
Khả năng chịu nhiệt thấp |
Không thể làm lại được. |
Không cần kẹp cơ học. |
Thiết bị tản nhiệt
Các đầu nối nhiệt chứa đầy các cấu trúc nhạy cảm với áp suất (PSAs) được phủ trên ma trận hỗ trợ, chẳng hạn như màng đa năng, tấm kính sợi thủy tinh hoặc lá nhôm.
Bảng 9. Thiết bị tản nhiệt
Thuận |
Chống |
---|---|
Lắp ráp đơn giản. |
Khả năng chịu nhiệt cao |
Không cần kẹp cơ học. |
Thường không phù hợp với các gói không có bề mặt phẳng. |
Miếng đệm Elastomeric
Miếng đệm elastomeric là các miếng đệm silicone polymer hóa dưới dạng các chất rắn dễ xử lý. Với độ phân giải điển hình là 0,25 mm, hầu hết các miếng đệm đều kết hợp một chất mang sợi thủy tinh đan xen để cải thiện việc xử lý và chứa chất độn vô cơ như các loại dầu nhờn. Chúng được cung cấp dưới dạng die-cut hoạt động trong hình dạng chính xác cần thiết cho ứng dụng.
Bảng 10. Miếng đệm Elastomeric
Thuận |
Chống |
---|---|
Lắp ráp đơn giản. |
Khả năng chịu nhiệt cao |
Cần kẹp cơ học. |
|
Cần áp suất cao (~700 kPa) để đạt được một giao diện đầy đủ. |
Vật liệu thay đổi pha
Vật liệu thay đổi pha là các vật liệu nhiệt kế nhiệt độ thấp (chủ yếu là sáp) thường tan chảy trong khoảng 50 đến 80 °C. Khi hoạt động trên điểm nóng chảy, chúng không hiệu quả như một chất chỉ dẫn và cần hỗ trợ cơ học, vì vậy chúng luôn được sử dụng với kẹp áp suất khoảng 300 kPa.
Bảng 11. Vật liệu thay đổi pha
Thuận |
Chống |
---|---|
Khả năng chịu nhiệt (0,3 đến 0,7 oC cm2/W). |
Khó khăn khi làm lại |
Cần kẹp cơ học (áp lực trong phạm vi 300 kPa). |
Nhà cung cấp tản nhiệt
Dưới đây là danh sách các nhà cung cấp tản nhiệt:
- Alpha Novatech (www.alphanovatech.com)
- Công ty Phát www.malico.com.tw Bóng tối Đa (Www.malico.com.tw)
- Aavid Thermalloy (Www.aavidthermalloy.com)
- Giải pháp tản nhiệt Wakefield (www.wakefield.com)
- Ra rằng Heatsinks (www.radianheatsinks.com)
- Những cải tiến tuyệt vời (www.coolinnovations.com)
- Công nghệ nhiệt, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)
Nhà cung cấp vật liệu giao diện nhiệt
Dưới đây là danh sách các nhà cung cấp vật liệu nhiệt giao diện:
- MicroSi Shin-Etsu (www.microsi.com)
- Tập Đoàn Phát Triển (www.lord.com)
- Thermagon Inc. (www.thermagon.com)
- Chomerics (www.chomerics.com)
- Henkel (www.henkel-adhesives.com)
Nội dung gốc bằng tiếng Anh trên trang này vừa do con người vừa do máy dịch. Nội dung này chỉ để cung cấp thông tin chung và giúp quý vị thuận tiện. Quý vị không nên tin đây là thông tin hoàn chỉnh hoặc chính xác. Nếu có bất kỳ mâu thuẫn nào giữa bản tiếng Anh và bản dịch của trang này, thì bản tiếng Anh sẽ chi phối và kiểm soát. Xem phiên bản tiếng Anh của trang này.