Gestion thermique

À mesure que les géométries des processus ic diminuent à 90 nm et moins et que les densités FPGA augmentent, la gestion de la puissance devient un facteur important dans la conception FPGA. Alors que la puissance a traditionnellement été une préoccupation de troisième ou quatrième ordre pour la plupart des conceptions FPGA, le dilemme auquel les groupes de conception sont confrontés aujourd’hui est de savoir comment fournir toutes les fonctions que le marché exige sans dépasser les budgets d’énergie. Plus un appareil consomme d’énergie, plus il génère de chaleur. Cette chaleur doit être dissipée pour maintenir les températures de fonctionnement dans les limites des spécifications.

La gestion thermique est une considération de conception importante pour les appareils Stratix® II de 90 nm. Les ensembles d’appareils Intel® FPGA sont conçus pour minimiser la résistance thermique et maximiser la dissipation de puissance. Certaines applications dissipent plus d’énergie et nécessiteront des solutions thermiques externes, y compris des dissipateurs de chaleur.

Dissipation de chaleur

Le rayonnement, la conduction et la convection sont trois façons de dissiper la chaleur d’un appareil. Les conceptions de PCB utilisent des dissipateurs de chaleur pour améliorer la dissipation de la chaleur. L’efficacité du transfert d’énergie thermique des dissipateurs de chaleur est due à la faible résistance thermique entre le dissipateur de chaleur et l’air ambiant. La résistance thermique est la mesure de la capacité d’une substance à dissiper la chaleur, ou l’efficacité du transfert de chaleur à travers la frontière entre différents milieux. Un dissipateur de chaleur avec une grande surface et une bonne circulation d’air (flux d’air) donne la meilleure dissipation de chaleur.

Un dissipateur de chaleur permet de maintenir un appareil à une température de jonction inférieure à la température de fonctionnement recommandée spécifiée. Avec un dissipateur de chaleur, la chaleur d’un appareil circule de la jonction de la matrice au boîtier, puis du boîtier au dissipateur de chaleur, et enfin du dissipateur de chaleur à l’air ambiant. Étant donné que l’objectif est de réduire la résistance thermique globale, les concepteurs peuvent déterminer si un appareil nécessite un dissipateur de chaleur pour la gestion thermique en calculant la résistance thermique à l’aide de modèles et d’équations de circuits thermiques. Ces modèles de circuits thermiques sont similaires aux circuits de résistance utilisant la loi d’Ohm. La figure 1 montre un modèle de circuit thermique pour un appareil avec et sans dissipateur de chaleur, reflétant le chemin de transfert thermique via le dessus de l’emballage.

Le tableau 1 définit les paramètres du circuit thermique. La résistance thermique d’un appareil dépend de la somme des résistances thermiques du modèle de circuit thermique illustré à la figure 1.

Tableau 1. Paramètres du circuit thermique

Résistances thermiques

Des modèles d’éléments finis ont été utilisés pour prédire la résistance thermique des dispositifs emballés, dont les valeurs correspondent étroitement aux valeurs de résistance thermique fournies dans le Stratix II Device Handbook. Le tableau 2 présente les équations de résistance thermique d’un appareil avec et sans dissipateur de chaleur.

Tableau 2. Équations thermiques de l’appareil

Détermination de l’utilisation du dissipateur de chaleur

Pour déterminer la nécessité d’un dissipateur de chaleur, les concepteurs peuvent calculer la température de jonction à l’aide de l’équation suivante :

T_J = T_A + P × Θ _JA

Si la température de jonction calculée (T_J) est supérieure à la température de jonction maximale autorisée spécifiée (T_JMAX), une solution thermique externe (dissipateur de chaleur, débit d’air supplémentaire ou les deux) est requise. Retravailler l’équation du tableau 2 ci-dessus :

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

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

Exemple de détermination de la nécessité d’un dissipateur de chaleur

La procédure suivante fournit une méthode que l’on peut utiliser pour déterminer si un dissipateur de chaleur est nécessaire. Cet exemple utilise un périphérique EP2S180F1508 Stratix II, avec les conditions énumérées ci-dessous dans le tableau 3 :

Tableau 3. Conditions d’exploitation

1. À l’aide de l’équation de température de jonction, calculer la température de jonction dans les conditions de fonctionnement indiquées: TJ = TA + P × ΘJA = 50 + 20 × 4,7 = 144 ° C

La température de jonction de 144 °C est supérieure à la température de jonction maximale spécifiée de 85 °C, de sorte qu’un dissipateur de chaleur est absolument nécessaire pour garantir un bon fonctionnement.

2. À l’aide de l’équation du dissipateur de chaleur à l’environnement (et d’un CS Θ de 0,1 °C/W pour le matériau d’interface thermique typique), calculer la résistance thermique requise du dissipateur de chaleur à la résistance thermique ambiante :

3. Sélectionnez un dissipateur de chaleur qui répond à l’exigence de résistance thermique de 1,52 °C/W. Le dissipateur de chaleur doit également s’adapter physiquement à l’appareil. Intel FPGA a examiné les dissipateurs de chaleur de plusieurs fournisseurs et fait référence à un dissipateur de chaleur d’Alpha Novatech (Z40-12.7B) pour cet exemple.

La résistance thermique de Z40-12.7B à un débit d’air de 400 pieds par minute est de 1.35 °C/W. Par conséquent, ce dissipateur de chaleur fonctionnera puisque la résistance thermique publiée ΘSA est inférieure aux 1,52 ° C / W requis.

À l’aide de ce dissipateur de chaleur et à la vérification à nouveau :

81,6 °C est sous la température maximale de jonction spécifiée de 85 °C, ce qui vérifie que la solution de dissipateur de chaleur Z40-12.7B fonctionnera.

Évaluations des dissipateurs de chaleur

La précision des résistances thermiques des dissipateurs de chaleur fournies par les fournisseurs de dissipateurs de chaleur est essentielle au choix d’un dissipateur de chaleur 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 des applications où un emballage contient un dissipateur de chaleur. Intel FPGA a testé les résistances thermiques sur deux dissipateurs de chaleur d’Alpha Novatech à l’aide de quatre appareils 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 correspondent étroitement.

Tableau 4. Θ_JA 400 Pieds par minute Débit d’air

Mesures

La résistance thermique est mesurée conformément à la norme JEDEC JESD51-6. Intel FPGA a mesuré les résistances thermiques des dissipateurs de chaleur suivants d’Alpha Novatech : UB35-25B, UB35-20B, Z35-12.7B et Z40-6.3B. Des informations détaillées sur ces dissipateurs de chaleur sont disponibles sur le site Web d’Alpha Novatech (https://www.alphanovatech.com/en/index.html). Ces dissipateurs de chaleur contiennent du ruban thermique pré-attaché (Chomerics T412).

Quatre appareils Intel FPGA ont été utilisés pour mesurer les dissipateurs de chaleur 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. Θ_JA 400 Pieds par minute Débit d’air

Le graphique suivant de la figure 2 montre l’effet du débit d’air sur Θ_JA.

Matériau d’interface thermique

Le matériau d’interface thermique (TIM) est le milieu utilisé pour fixer un dissipateur de chaleur sur une surface d’emballage. Il fonctionne pour fournir un chemin de résistance thermique minimal de l’emballage au dissipateur de chaleur. Les sections suivantes décrivent les principales catégories de TIM.

Graisse

La graisse utilisée pour lier les dissipateurs de chaleur aux emballages est une huile de silicone ou d’hydrocarbure qui contient diverses charges. La graisse est la plus ancienne classe de matériaux et le matériau le plus largement utilisé pour fixer les dissipateurs de chaleur.

Tableau 6. Graisses

Gel

Les gels sont un TIM récemment développé. Les gels sont distribués comme de la graisse et sont ensuite durcis à une structure partiellement réticulée, ce qui élimine le problème de pompage.

Tableau 7. Gels

Adhésifs thermoconducteurs

Les adhésifs thermoconducteurs sont généralement des formulations à base d’époxy ou de silicone contenant des charges, offrant une liaison mécanique supérieure.

Tableau 8. Adhésifs thermoconducteurs

Rubans thermiques

Les rubans thermiques sont des adhésifs sensibles à la pression (APS) remplis recouverts d’une matrice de support telle qu’un film de polyimide, un tapis de fibre de verre ou une feuille d’aluminium.

Tableau 9. Rubans thermiques

Coussinets élastomères

Les tampons élastomères sont des caoutchoucs de silicone polymérisés sous forme de solides faciles à manipuler. Avec une épaisseur typique de 0,25 mm, la plupart des tampons incorporent un support en fibre de verre tissé pour améliorer la manipulation et contenir des charges inorganiques comme le font les graisses. Ils sont fournis au fur et à mesure que la découpe fonctionne dans la forme précise nécessaire à l’application.

Tableau 10. Coussinets élastomères

Matériaux à changement de phase

Les matériaux à changement de phase sont des adhésifs thermoplastiques à basse température (principalement des cires) qui fondent généralement dans la plage de 50 à 80 ° C. Lorsqu’ils fonctionnent au-dessus du point de fusion, ils ne sont pas efficaces comme adhésif et ont besoin d’un support mécanique, ils sont donc toujours utilisés avec une pince appliquant environ 300 kPa de pression.

Tableau 11. Matériaux à changement de phase

Fournisseurs de dissipateurs de chaleur

Voici une liste des fournisseurs de dissipateurs de chaleur :

• Alpha Novatech (www.alphanovatech.com)
• Malico Inc. (www.malico.com.tw)
• Aavid Thermalloy (www.aavidthermalloy.com)
• Wakefield Thermal Solutions (www.wakefield.com)
• Radian Heatsinks (www.radianheatsinks.com)
• Cool Innovations (www.coolinnovations.com)
• Heat Technology, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)

Fournisseurs de matériaux d’interface thermique

Ce qui suit est une liste des fournisseurs de matériaux d’interface thermique:

• 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)