Gestion thermique
Alors que les géométries de processus IC se réduisent à 90 nm et ci-dessous et que les densités de FPGA augmentent, la gestion de la puissance devient un facteur important dans la conception FPGA. Alors que la puissance était traditionnellement une préoccupation de troisième ou de quatrième ordre pour la plupart des conceptions FPGA, les groupes de conception répulseurs sont confrontés aujourd’hui à la façon d’offrir toutes les fonctions que le marché demande sans dépasser les budgets de puissance. Plus un appareil consomme d’énergie, plus il génère de chaleur. Cette chaleur doit être dissipée pour maintenir des températures de fonctionnement conformes aux spécifications.
La gestion thermique est un facteur de conception important pour les appareils 90 nm Stratix® II. Intel® FPGA les packages de périphériques sont conçus pour réduire la résistance thermique et maximiser la dissipation de l’alimentation. Certaines applications dissipent plus d’énergie et nécessiteront des solutions thermiques externes, y compris des dissipateurs thermiques.
Dissipation de la chaleur
La radiation, la conduction et la convection sont trois moyens de dissiper la chaleur d’un appareil. Les modèles de carte de circuits imprimés utilisent des dissipateurs thermiques pour améliorer la dissipation de la chaleur. L’efficacité de transfert d’énergie thermique des dissipateurs thermiques est due à la faible résistance thermique entre le dissipateur thermique et l’air ambiant. La résistance thermique est la mesure de la capacité d’un produit à dissiper la chaleur, ou l’efficacité du transfert de chaleur à travers la frontière entre les différents supports. Un dissipateur thermique doté d’une grande surface et d’une bonne circulation de l’air (flux d’air) offre la meilleure dissipation thermique.
Un dissipateur thermique aide à maintenir un appareil à une température de jonction inférieure à la température de fonctionnement recommandée. Avec un dissipateur thermique, la chaleur d’un appareil s’échappe de la jonction de la matrice vers le boîtier, puis du boîtier au dissipateur thermique, et enfin du dissipateur thermique à l’air ambiant. Comme l’objectif est de réduire la résistance thermique globale, les concepteurs peuvent déterminer si un appareil nécessite un dissipateur thermique pour la gestion thermique en calculant la résistance thermique à l’aide de modèles de circuits thermiques et d’équations. Ces modèles de circuit thermique sont semblables aux circuits de résistance en utilisant la loi d’Ohm. La Figure 1 présente un modèle de circuit thermique d’un périphérique avec et sans dissipateur thermique, qui reflète la trajectoire de transfert thermique par le haut du package.
Figure 1. Modèle de circuit thermique.
Le tableau 1 définit les paramètres des circuits thermiques. La résistance thermique d’un périphérique dépend de la somme des résistances thermiques du modèle de circuit thermique indiqué à la Figure 1.
Tableau 1. Paramètres du circuit thermique
Paramètre |
Nom |
Unités |
Description |
---|---|---|---|
JA Y |
Résistance thermique de jonction à ambiante |
O E/L |
Spécifié dans la fiche technique |
YJC |
Résistance thermique de jonction à cas |
O E/L |
Spécifié dans la fiche technique |
CS L |
Résistance thermique du boîtier au dissipateur thermique |
O E/L |
Résistance thermique du matériau d’interface thermique |
CA Y |
Résistance thermique de boîtier à ambiante |
O E/L |
|
YSA |
Résistance thermique du dissipateur thermique à l’ambiant |
O E/L |
Spécifié par le fabricant du dissipateur thermique |
TJ |
Température de jonction |
O C |
La température de jonction telle que spécifiée sous Conditions de fonctionnement recommandées pour le périphérique |
TJMAX |
Température maximale de jonction |
O C |
Température maximale de jonction spécifiée sous Conditions de fonctionnement recommandées pour l’appareil |
TA |
Température ambiante |
O C |
Température de l’air ambiant local près du composant |
ST |
Température du dissipateur thermique |
O C |
|
TC |
Température de l’étui de l’appareil |
O C |
|
P |
Pouvoir |
W |
Puissance totale provenant du périphérique d’exploitation. Utiliser la valeur estimée pour sélectionner un dissipateur thermique |
Résistances thermiques
Les modèles d’éléments finis ont été utilisés pour prévoir la résistance thermique des appareils emballés, dont les valeurs correspondent étroitement aux valeurs de résistance thermique fournies dans le Manuel des périphériques Stratix II. Le tableau 2 présente les équations de résistance thermique d’un appareil doté ou non d’un dissipateur thermique.
Tableau 2. Équations thermiques des périphériques
Appareil |
Équation |
---|---|
Sans dissipateur thermique |
YJA = YJC + YCA = (TJ - TA) / P |
Avec un dissipateur thermique |
YJA = YJC +LCS +LSA = (TJ - TA) / P |
Déterminer l’utilisation du dissipateur thermique
Pour déterminer la dissipation d’un dissipateur thermique, les concepteurs peuvent calculer la température de jonction à l’aide de l’équation suivante :
TJ = TA + P × L JA
Si la température de jonction calculée (TJ) est supérieure à la température maximale autorisée de jonction (TJMAX), une solution thermique externe (dissipateur thermique, flux d’air ajouté ou les deux) est nécessaire. Retravail de l’équation dans le Tableau 2 ci-dessus :
YJA = YJC + LCS + LSA = (TJMAX - TA) / P
≥SA = (TJMAX - TA) / P - YJC - CS
Exemple de détermination de la dissipation d’un dissipateur thermique
La procédure suivante fournit une méthode pouvant être utilisée pour déterminer si un dissipateur thermique est nécessaire. Cet exemple utilise un périphérique EP2S180F1508 Stratix II, dont les conditions sont indiquées ci-dessous dans le Tableau 3 :
Tableau 3. Conditions de fonctionnement
Paramètre |
Valeur |
---|---|
Pouvoir |
20 W |
T A maximum |
50oC |
TJ maximum |
85oC |
Débit d’air |
400 mètres par minute |
YJA inférieurà 400 mètres par minute de flux d’air |
4,7oC/W |
YJC |
0,13oC/W |
1. À l’aide de l’équation de température de jonction, calculez la température de jonction dans les conditions opérationnelles indiquées : TJ = TA + P × YJA = 50 + 20 × 4,7 = 144 °C
La température de jonction de 144 °C est supérieure à la température maximale de jonction spécifiée de 85 °C, de sorte qu’un dissipateur thermique est absolument nécessaire pour garantir le bon fonctionnement.
2. À l’aide de l’équation dissipateur thermique/ambiant (et un CS º 0,1 °C/W pour le matériau d’interface thermique typique), calculez la résistance thermique du dissipateur thermique à l’ambiant requise :
Paramètre |
Équation |
---|---|
YSA | = (TJmax -TA) / P - LJC - LCS |
|
= (85 -50) / 20 - 0,13 - 0,1 |
|
= 1,52 °C/W |
3. Sélectionnez un dissipateur thermique qui répond aux exigences de résistance thermique de 1,52 °C/W. Le dissipateur thermique doit également tenir physiquement sur l’appareil. Intel FPGA examiné les dissipateurs thermiques de plusieurs fournisseurs, et fait référence à un dissipateur thermique d’Alpha Sethtech (Z40-12,7B) pour cet exemple.
La résistance thermique de Z40-12,7B à un débit d’air de 400 mètres par minute est de 1,35 °C/W. Par conséquent, ce dissipateur thermique fonctionnera car la résistance thermique LSA publiée est inférieure à la température de 1,52 °C/W requise.
À l’aide de ce dissipateur thermique, et vérification à nouveau :
Paramètre |
Équation |
---|---|
TJ |
= TA + P × YJA |
|
= TA + P × (YJC + LCS + YSA) |
|
= 50 + 20 × (0,13 + 0,1 + 1,35) |
|
= 81,6 °C |
81,6 °C est sous la température maximale de jonction spécifiée de 85 °C, confirmant que la solution du dissipateur thermique Z40-12,7B fonctionnera.
Évaluations du dissipateur thermique
La précision des résistances thermiques des dissipateurs thermiques fournies par les fournisseurs de dissipateurs thermiques est essentielle pour sélectionner un dissipateur thermique approprié. Intel FPGA utilise à la fois des modèles d’éléments finis et des mesures réelles pour vérifier que les données fournies par le fournisseur sont exactes.
Modèles d’éléments finis
Les modèles d’éléments finis représentent les applications dans lesquelles un conditionnement contient un dissipateur thermique. Intel FPGA testé des résistances thermiques sur deux dissipateurs thermiques d’Alpha Quetech à l’aide de quatre dispositifs Intel FPGA. Le Tableau 4 montre que les résistances thermiques prédites par les modèles et les résistances thermiques calculées à partir des fiches techniques du fournisseur sont à la hauteur.
Tableau 4. Flux d’air YJA de 400 mètres par minute
Dissipateur thermique |
Paquet |
JA demodélisation (oC/W) |
YJAde la fiche technique (oC/W) |
---|---|---|---|
Z35-12,7B |
Appareil EP2S90 dans un package BGA® FineLine 1 020 broches |
2.6 |
2.2 |
Z35-12,7B |
Appareil EP2S180 dans un package BGA FineLine 1 020 broches |
2.3 |
2.1 |
Z40-6,3B |
Appareil EP2S90 dans un package BGA FineLine 1 020 broches |
3.3 |
3 |
Z40-6,3B |
Appareil EP2S180 dans un package BGA FineLine 1 020 broches |
3 |
2.8 |
Mesures
La résistance thermique est mesurée selon la norme JESD51-6 du JEDEC. Intel FPGA les résistances thermiques mesurées par les dissipateurs thermiques suivants d’Alpha Quetech : UB35-25B, UB35-20B, Z35-12,7B et Z40-6,3B. Des informations détaillées sur ces dissipateurs thermiques sont disponibles sur le site Web d’Alpha Ethtech (https://www.alphanovatech.com/en/index.html). Ces dissipateurs thermiques contiennent du ruban thermique prédéfinie (C scanners T412).
Quatre dispositifs Intel FPGA ont été utilisés pour mesurer les dissipateurs thermiques indiqués dans le Tableau 5, qui montre une bonne corrélation entre les mesures obtenues et les résistances thermiques obtenues à partir des fiches techniques du fournisseur.
Tableau 5. Flux d’air YJA de 400 mètres par minute
Dissipateur thermique |
JAactuel (oC/W) |
Fiche technique YJA(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 |
Le graphique suivant de la Figure 2 montre l’effet du débit d’air sur l’IA.
Figure 2. Effet du débit d’air surl’IA.
Matériau d’interface thermique
Le matériau d’interface thermique (TIM) est le support utilisé pour fixer un dissipateur thermique sur la surface d’un emballage. Il fonctionne pour fournir un chemin de résistance thermique minimal du conditionnement au dissipateur thermique. Les sections suivantes décrivent les principales catégories de TIM.
Graisse
Le diffuseur utilisé pour lier les dissipateurs thermiques aux conditionnements est un ssym ou une graisse d’hydrocarbure qui contient divers remplisseurs. Le lissage est la catégorie de matériaux la plus ancienne et le matériau le plus utilisé pour fixer les dissipateurs thermiques.
Tableau 6. Graisses
Avantages |
Contre |
---|---|
Faible résistance thermique |
Désordonnée et difficile à appliquer en raison de leur haute viscivité. |
Nécessite un serre-ment mécanique (application de la pression dans la plage de 300 kPa). |
|
Dans les applications utilisant à plusieurs reprises des cycles d’alimentation activée/désactivée, une « sortie de pompe » se produit, dans laquelle la matrice de silicium est contrainte de se réveiller et de se refroidir chaque fois que la matrice est répulsée. Cela entraîne une dégradation des performances thermiques au fil du temps et potentiellement cont mesures pour les composants voisins. |
Gel
Les gels sont un TIM récemment développé. Les gels sont distribués comme des éradiqués et sont ensuite guéris à une structure partiellement croisée, ce qui élimine le problème de pompe.
Tableau 7. Gels
Avantages |
Contre |
---|---|
Faible résistance thermique |
Nécessite un serre-ment mécanique. |
Vitesses de dissysivité thermique
Les esthérasseurs thermiques sont généralement des enfoirés epoxy ou à l’origine d’un ensorclysme à l’aide d’un ensembleur, qui contient des remplisseurs, offrant un lien mécanique supérieur.
Tableau 8. Vitesses de dissysivité thermique
Avantages |
Contre |
---|---|
Faible résistance thermique |
Pas retravaillé. |
Pas besoin de serre-ment mécanique. |
Bandes thermiques
Les bandes thermiques sont remplies de dissimateurs sensibles à la pression (PSA) insérés sur une matrice d’assistance telle qu’une film polyimide, un mat fibrelé ou un ensilage d’aluminium.
Tableau 9. Bandes thermiques
Avantages |
Contre |
---|---|
Assemblage simple. |
Haute résistance thermique |
Pas besoin de serre-ment mécanique. |
Généralement pas adapté aux boîtiers qui n’ont pas de surface plane. |
Pads E entrepont electrique
Les pads E amplifications sont des symétries de l’extériorisation de l’extériorisation, sous la forme de solides faciles à manier. La plupart des pastilles incorporent une porteuse fibre 3D tissage pour améliorer la manipulation et contenir des remplisseurs incurvés comme le font les adroits. Ils sont fournis au fur et à mesure des performances de la matrice dans la forme précise nécessaire à l’application.
Tableau 10. Pads E entrepont electrique
Avantages |
Contre |
---|---|
Assemblage simple. |
Haute résistance thermique |
Nécessite un serre-ment mécanique. |
|
Nécessite des pressions élevées (~700 kPa) pour obtenir une interface adéquate. |
Matériaux de modification de phase
Les matériaux de changement de phase sont des ordages thermoplastiques à faible température (en fait des enduts d’enduts d’austèments) qui fondent généralement dans la plage de 50 à 80 °C. Lorsqu’ils fonctionnent au-dessus du point d’aération, ils ne sont pas efficaces en tant que serdux et ont besoin d’une prise en charge mécanique, de sorte qu’ils sont toujours utilisés avec une serre-colle appliquant une pression d’environ 300 kPa.
Tableau 11. Matériaux de modification de phase
Avantages |
Contre |
---|---|
Résistance thermique (0,3 à 0,7 oC cm2/W). |
Retravail difficile |
Nécessite un serre-ment mécanique (application de la pression dans la plage de 300 kPa). |
Fournisseurs de dissipateurs thermiques
Vous trouverez ci-dessous la liste des fournisseurs de dissipateurs thermiques :
- Alpha Sethtech (www.alphanovatech.com)
- Couches de l’www.malico.com.tw, LacoCo Inc. (www.malico.com.tw)
- Aavid Thermalloy (www.aavidthermalloy.com)
- Solutions thermiques Denternt (www.wakefield.com)
- Dissipateurs thermiques Radian (www.radianheatsinks.com)
- Innovations cool (www.coolinnovations.com)
- Heat Technology, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)
Fournisseurs de matériaux d’interface thermique
Vous trouverez ci-dessous la liste des fournisseurs de matériaux d’interface thermique :
- MicroSi Shin-Etsu (www.microsi.com)
- Corporation Www.lord.com
- Thermagon Inc. (www.thermagon.com)
- Clectriques (www.chomerics.com)
- Ense 2008, en www.henkel-adhesives.com
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