Gestione termica

Man mano che le geometrie del processo IC si riducono a 90 nm e inferiori e le densità FPGA aumentano, la gestione della potenza diventa un fattore significativo nella progettazione FPGA. Sebbene la potenza sia stata tradizionalmente una preoccupazione di terzo o quarto ordine per la maggior parte dei design FPGA, il dilemma che i gruppi di progettazione affrontano oggi è come fornire tutte le funzioni richieste dal mercato senza superare i budget di consumo energetico. Più energia consuma un dispositivo, più calore genera. Questo calore deve essere dissipato per mantenere le temperature operative entro le specifiche.

La gestione termica è un'importante considerazione di progettazione per i dispositivi a 90 nm Stratix® II. Intel® FPGA pacchetti di dispositivi sono progettati per ridurre al minimo la resistenza termica e massimizzare la dissipazione della potenza. Alcune applicazioni dissipano più energia e richiedono soluzioni termiche esterne, tra cui dissipatori di calore.

Dissipazione del calore

Radiazioni, conduzione e convezione sono tre modi per dissipare il calore da un dispositivo. I progetti PCB utilizzano dissipatori di calore per migliorare la dissipazione del calore. L'efficienza di trasferimento di energia termica dei dissipatori di calore èdovutaaa a causa della bassa resistenza termica tra il dissipatore di calore e l'aria ambiente. La resistenza termica è la misura della capacità di una sostanza di dissipare il calore o l'efficienza del trasferimento di calore attraverso il confine tra diversi supporti. Un dissipatore di calore con un'ampia superficie e una buona circolazione dell'aria (flusso d'aria) offre la migliore dissipazione del calore.

Un dissipatore di calore aiuta a mantenere un dispositivo a una temperatura di giunzione inferiore alla temperatura di funzionamento consigliata specificata. Con un dissipatore di calore, il calore proveniente da un dispositivo scorre dalla giunzione del die alla cassa, quindi dal caso al dissipatore di calore e, infine, dal dissipatore di calore all'aria ambiente. Poiché l'obiettivo è ridurre la resistenza termica complessiva, i progettisti possono determinare se un dispositivo richiede un dissipatore di calore per la gestione termica calcolando la resistenza termica utilizzando modelli ed equazioni dei circuiti termici. Questi modelli di circuiti termici sono simili ai circuiti di resistenza che utilizzano la legge di Ohm. La figura 1 mostra un modello di circuito termico per un dispositivo con e senza dissipatore di calore, che riflette il percorso di trasferimento termico tramite la parte superiore del pacchetto.

La tabella 1 definisce i parametri del circuito termico. La resistenza termica di un dispositivo dipende dalla somma delle resistenze termiche del modello del circuito termico mostrato nella figura 1.

Tabella 1. Parametri del circuito termico

Resistenze termiche

I modelli a elementi finiti sono stati utilizzati per prevedere la resistenza termica dei dispositivi confezionati, i cui valori corrispondono strettamente ai valori di resistenza termica forniti nel manuale dei dispositivi Stratix II. La tabella 2 mostra le equazioni di resistenza termica per un dispositivo con e senza dissipatore di calore.

Tabella 2. Equazioni termiche dei dispositivi

Determinare l'utilizzo del dissipatore di calore

Per determinare la necessità di un dissipatore di calore, i progettisti possono calcolare la temperatura di giunzione utilizzando la seguente equazione:

T_J = T_A + P × Θ _JA

Se la temperatura di giunzione calcolata (T_J) è superiore alla temperatura di giunzione massima consentita specificata (T_JMAX), è richiesta una soluzione termica esterna (dissipatore di calore, flusso d'aria aggiunto o entrambi). Rielaborazione dell'equazione nella tabella 2 sopra:

Θ_JA = Θ_JC + Θ_CS + Θ_SA = (T_JMAX - T_A) / P

Θ_SA = (T_JMAX - T_A) / P - Θ_JC - Θ_CS

Esempio di determinazione della necessità di un dissipatore di calore

La seguente procedura fornisce un metodo che si può utilizzare per determinare se è necessario un dissipatore di calore. Questo esempio utilizza un dispositivo EP2S180F1508 Stratix II, con le condizioni elencate di seguito nella tabella 3:

Tabella 3. Condizioni operative

1. Utilizzando l'equazione della temperatura di giunzione, calcolare la temperatura di giunzione nelle condizioni operative elencate: TJ = TA + P × ΘJA = 50 + 20 × 4,7 = 144 °C

La temperatura di giunzione di 144 °C è superiore alla temperatura massima di giunzione specificata di 85 °C, quindi è assolutamente necessario un dissipatore di calore per garantire il corretto funzionamento.

2. Utilizzando l'equazione da dissipatore di calore a ambiente (e un Θ_CS di 0,1 °C/W per il materiale tipico dell'interfaccia termica), calcolare la resistenza termica richiesta da dissipatore di calore a ambiente:

3. Selezionare un dissipatore di calore che soddisfi i requisiti di resistenza termica di 1,52 °C/W. Il dissipatore di calore deve anche adattarsi fisicamente al dispositivo. Intel FPGA esaminato i dissipatori di calore di diversi fornitori e fa riferimento a un dissipatore di calore di Alpha Novatech (Z40-12.7B) per questo esempio.

La resistenza termica di Z40-12,7B a un flusso d'aria di 400 piedi al minuto è di 1,35 °C/W. Pertanto, questo dissipatore di calore funzionerà poiché la resistenza termica pubblicata ΘSA è inferiore ai 1,52 °C/W richiesti.

Utilizzando questo dissipatore di calore e ri-verificando:

81,6 °C è sotto la temperatura massima di giunzione specificata di 85 °C, verificando che la soluzione del dissipatore di calore Z40-12,7B funzioni.

Valutazioni dei dissipatori di calore

La precisione delle resistenze termiche dei dissipatori di calore fornite dai fornitori di dissipatori di calore è fondamentale per selezionare un dissipatore di calore appropriato. Intel FPGA utilizza sia modelli a elementi finiti che misurazioni effettive per verificare che i dati forniti dal fornitore siano accurati.

Modelli di elementi finiti

I modelli a elementi finiti rappresentano applicazioni in cui un pacchetto contiene un dissipatore di calore. Intel FPGA testato le resistenze termiche su due dissipatori di calore di Alpha Novatech utilizzando quattro dispositivi Intel FPGA. La tabella 4 mostra che le resistenze termiche previste dai modelli e le resistenze termiche calcolate dai datasheet del fornitore sono una corrispondenza ravvicinata.

Tabella 4. Flusso d'aria_JA 400 piedi al minuto

Misure

La resistenza termica viene misurata in base allo standard JEDEC JESD51-6. Intel FPGA misurato le resistenze termiche dei seguenti dissipatori di calore di Alpha Novatech: UB35-25B, UB35-20B, Z35-12,7B e Z40-6,3B. Informazioni dettagliate su questi dissipatori di calore sono disponibili sul sito Web di Alpha Novatech (https://www.alphanovatech.com/en/index.html). Questi dissipatori di calore contengono nastro termico pre-collegato (Chomerics T412).

Sono stati utilizzati quattro dispositivi Intel FPGA per misurare i dissipatori di calore indicati nella tabella 5, che mostra una buona correlazione tra le misurazioni ottenute e le resistenze termiche ottenute dai datasheet del fornitore.

Tabella 5. Flusso d'aria_JA 400 piedi al minuto

Il seguente grafico nella figura 2 mostra l'effetto della velocità del flusso d'aria su Θ_JA.

Materiale di interfaccia termica

Il materiale di interfaccia termica (TIM) è il mezzo utilizzato per collegare un dissipatore di calore su una superficie del pacchetto. Funziona per fornire un percorso di resistenza termica minima dal pacchetto al dissipatore di calore. Le seguenti sezioni descrivono le principali categorie di TIM.

Grasso

Il grasso utilizzato per collegare i dissipatori di calore agli imballaggi è un olio di silicone o idrocarburi che contiene vari riempitivi. Il grasso è la più antica categoria di materiali e il materiale più utilizzato per collegare i dissipatori di calore.

Tabella 6. Grassi

Gel

I gel sono un TIM sviluppato di recente. I gel vengono erogati come grasso e vengono poi curati con una struttura parzialmente incrociata, che elimina il problema di pompaggio.

Tabella 7. Gel

Adesivi termicamente conduttivi

Gli adesivi termicamente conduttivi sono generalmente formulazioni a base epossidica o siliconica contenenti riempitivi, offrendo un legame meccanico superiore.

Tabella 8. Adesivi termicamente conduttivi

Nastri termici

I nastri termici sono adesivi sensibili alla pressione riempiti (PSA) rivestiti su una matrice di supporto come la pellicola di poliimide, il tappetino in fibra di vetro o la lamina di alluminio.

Tabella 9. Nastri termici

Cuscinetti elastomerici

I cuscinetti elastomerici sono gomme siliconiche polimerizzate sotto forma di solidi facili da maneggiare. Con uno spessore tipico di 0,25 mm, la maggior parte dei cuscinetti incorpora un supporto in fibra di vetro intrecciato per migliorare la manipolazione e contenere riempitivi inorganici come fanno i grassi. Vengono forniti in base alle prestazioni del taglio del die nella forma precisa necessaria per l'applicazione.

Tabella 10. Cuscinetti elastomerici

Materiali di cambiamento di fase

I materiali di cambiamento di fase sono adesivi termoplastici a bassa temperatura (prevalentemente cere) che in genere si fondono nell'intervallo da 50 a 80 °C. Quando operano al di sopra del punto di fusione, non sono efficaci come adesivo e hanno bisogno di supporto meccanico, quindi vengono sempre utilizzati con un morsetto che applica circa 300 kPa di pressione.

Tabella 11. Materiali di cambiamento di fase

Fornitori di dissipatori di calore

Di seguito è riportato un elenco dei fornitori di dissipatori di calore:

• Alpha Novatech (www.alphanovatech.com)
• Malico Inc. (www.malico.com.tw)
• Aavid Thermalloy (www.aavidthermalloy.com)
• Soluzioni termiche Wakefield (www.wakefield.com)
• Dissipatori di calore Radian (www.radianheatsinks.com)
• Innovazioni interessanti (www.coolinnovations.com)
• Heat Technology, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)

Fornitori di materiali per interfaccia termica

Di seguito è riportato un elenco dei fornitori di materiali di interfaccia termica:

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