Temperaturmanagement

Da die IC-Prozesse auf 90 nm und darunter schrumpfen und FPGA Dichte ansteigt, wird die Energieverwaltung zu einem bedeutenden Faktor im FPGA-Design. Während bei den meisten FPGA Designs traditionell die Power-Power ein Anliegen der dritten oder vierten Generation war, besteht das Aktuelle Problem darin, alle Funktionen bereitzustellen, die der Markt braucht, ohne die Energiebudgets zu übertreffen. Je mehr Energie ein Gerät verbraucht, desto mehr Wärme generiert es. Diese Wärme muss abgeführt werden, um die Betriebstemperaturen innerhalb der Spezifikation beizubehalten.

Die Temperaturverwaltung ist eine wichtige Designüberlegung für 90-nm-Stratix®-II-Geräte. Intel® FPGA Gerätepakete sind so konzipiert, dass die Temperaturbeständigkeit minimiert und die Energieableitung maximiert wird. Einige Anwendungen geben mehr Energie ab und erfordern externe Thermische Lösungen, einschließlich Kühlkörper.

Wärmeableitung

Strahlung, Leitung und Konvektion sind drei Möglichkeiten, um Wärme von einem Gerät abzuleiten. Leiterplattendesigns verwenden Kühlkörper, um die Wärmeableitung zu verbessern. Die Energieeffizienz von Kühlkörpern ist auf den niedrigen Temperaturbeständigkeitsgrad zwischen dem Kühlkörper und der Umgebungs luft zurückzuführen. Thermobeständigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Wärmeverteilers, Wärme abzuführen, oder die Effizienz der Wärmeübertragung über die Grenzen verschiedener Medien. Ein Kühlkörper mit einer großen Oberfläche und guter Luftzirkulation (Luftstrom) liefert die beste Wärmeableitung.

Ein Kühlkörper trägt dazu bei, dass ein Gerät eine Sperrschichttemperatur unterhalb der von ihnen empfohlenen Betriebstemperatur hält. Bei einem Kühlkörper strömt die Wärme eines Geräts von der Die-Schnittstelle zum Gehäuse, dann vom Gehäuse zum Kühlkörper und schließlich vom Kühlkörper in die Umgebungs luft. Da das Ziel darin besteht, den thermischen Widerstand insgesamt zu reduzieren, können Entwickler anhand von Temperaturschaltkreismodellen und -gleichungen feststellen, ob ein Gerät einen Kühlkörper für das Temperaturmanagement benötigt, indem sie den Temperaturbeständigkeitsbedarf berechnen. Diese Wärmeleitungsmodelle sind Widerstandsschaltkreisen nach dem Gesetz von Bgm. Abbildung 1 zeigt ein Wärmeleitungsmodell für ein Gerät mit und ohne Kühlkörper, das den Wärmeübertragungspfad über die Spitze des Gehäuses spiegelt.

Tabelle 1 definiert die Temperaturschaltkreisparameter. Der Temperaturbeständigkeit eines Geräts hängt von der Summe der Thermischen Beständigkeit aus dem In Abbildung 1 gezeigten Wärmeleitungsmodell ab.

Tabelle 1. Temperaturkreisparameter

Temperaturbeständigkeit

Die Modelle der Elemente wurden verwendet, um den Wärmebeständigkeitsfaktor von verpackten Geräten vorherzusagen, deren Werte genau mit den im Stratix II Gerätehandbuch angegebenen Temperaturbeständigkeitwerten übereinstimmen. Tabelle 2 zeigt die Temperaturbeständigkeitsgleichungen für ein Gerät mit und ohne Kühlkörper.

Tabelle 2. Thermische Gerätegleichungen

Bestimmung der Nutzung des Kühlkörpers

Um die Notwendigkeit eines Kühlkörpers zu bestimmen, können Entwickler die Knotentemperatur mithilfe der folgenden Gleichung berechnen:

T_J = T_A + P × SFÄHIGKEIT

Wenn die berechnete Sperrschichttemperatur (T_J) mehr als die angegebene maximal zulässige Sperrschichttemperatur (T_JMAX) beträgt, ist eine externe thermische Lösung (Kühlkörper, hinzugefügter Luftstrom oder beides) erforderlich. Überarbeitung der Gleichung in Tabelle 2 oben:

= keinem _JC + KEINEM_CS + keinem_SA = (T_JMAX - T_A) / P

NSA = (T_JMAX - T_A) / P - keinem_JC - sfähigkeit

Beispiel für die Bestimmung der Notwendigkeit eines Kühlkörpers

Das nachstehende Verfahren bietet eine Methode, mit der Sie feststellen können, ob ein Kühlkörper erforderlich ist. Dieses Beispiel verwendet ein EP2S180F1508 Stratix II Gerät, mit den unten in Tabelle 3 aufgeführten Bedingungen:

Tabelle 3. Betriebsbedingungen

1. Berechnen Sie mithilfe der Knotentemperaturgleichung die Knotentemperatur unter den aufgeführten Betriebsbedingungen: TJ = TA + P × SfähigkeitJA = 50 + 20 × 4,7 = 144 °C

Die Sperrschichttemperatur ist mit 144 °C höher als die angegebene maximale Sperrschichttemperatur von 85 °C. Daher ist ein Kühlkörper absolut erforderlich, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten.

2. Berechnen Sie mit der Kühlkörper-zu-Umgebungsgleichung (und einer Temperaturbeständigkeit_von 0,1 °C/W für typisches Thermisches Schnittstellenmaterial) den erforderlichen Temperaturbeständigkeitsbeständigkeitsgrad zwischen Kühlkörper und Umgebung:

3. Wählen Sie einen Kühlkörper, der die Temperaturbeständigkeitsanforderung von 1,52 °C/W erfüllt. Der Kühlkörper muss auch physisch auf das Gerät passen. Intel FPGA kühlkörper von mehreren Anbietern geprüft und bezieht sich für dieses Beispiel auf einen Kühlkörper von Alpha Novatech (Z40-12,7B).

Der Thermische Widerstand von Z40-12,7B bei einem Luftstrom von 400 Metern pro Minute beträgt 1,35 °C/W. Daher funktioniert dieser Kühlkörper, da der veröffentlichte Temperaturbeständigkeits-benachrichtigteKühler weniger als die erforderlichen 1,52 °C/W beträgt.

Verwenden dieses Kühlkörpers und erneute Verifizierung:

81,6 °C unter der angegebenen maximalen Sperrschichttemperatur von 85 °C, wodurch überprüft wird, ob die Kühlkörperlösung Z40-12,7B funktioniert.

Kühlkörperbewertungen

Die Genauigkeit der Kühlkörper-Temperaturbeständigkeit, die von den Kühlkörperanbietern bereitgestellt wird, ist bei der Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers von entscheidender Bedeutung. Intel FPGA verwendet sowohl Elementemodelle als auch tatsächliche Messungen, um zu überprüfen, ob die vom Anbieter gelieferten Daten korrekt sind.

Elemente-Modelle von "Alle Elemente"

Die Elementemodelle der Elemente stellen Anwendungen dar, bei denen ein Paket einen Kühlkörper enthält. Intel FPGA mit vier Intel FPGA Geräten Temperaturbeständigkeit an zwei Kühlkörpern von Alpha Novatech getestet. Tabelle 4 zeigt, dass die von den Modellen vorhergesagten Temperaturbeständigkeiten und die aus den Datenblättern des Lieferanten berechneten Temperaturbeständigkeiten genau übereinstimmen.

Tabelle 4. _SFÄHIGKEIT 400 Meter pro Minute Luftstrom

Messungen

Die Temperaturbeständigkeit wird gemäß dem JEDEC-Standard JESD51-6 gemessen. Intel FPGA gemessene Temperaturbeständigkeit der folgenden Kühlkörper von Alpha Novatech: UB35-25B, UB35-20B, Z35-12,7B und Z40-6,3B. Detaillierte Informationen zu diesen Kühlkörpern finden Sie auf der Alpha Novatech Website (https://www.alphanovatech.com/en/index.html). Diese Kühlkörper enthalten vorinstalliertes Wärmeband (Chomerics T412).

Vier Intel FPGA Geräte wurden verwendet, um die in Tabelle 5 aufgeführten Kühlkörper zu messen. Dies zeigt ein gutes Zusammenspiel zwischen den erhaltenen Messungen und den Temperaturbeständigkeiten, die aus den Datenblättern des Lieferanten erhalten wurden.

Tabelle 5. _SFÄHIGKEIT 400 Meter pro Minute Luftstrom

Das nachstehende Diagramm in Abbildung 2 zeigt die Auswirkung der Luftdurchflussrate auf die Ja_.

Material der thermischen Schnittstelle

Die Wärmeleitpaste (TIM) ist das Medium, das verwendet wird, um einen Kühlkörper an einer Gehäuseoberfläche anzuhängen. Sie bietet einen minimalen Temperaturbeständigkeitspfad vom Paket zum Kühlkörper. Die folgenden Abschnitte beschreiben die wichtigsten Kategorien von Wärmeleitpaste.

Fett

Das Fett, das zur Bindung von Kühlkörpern an Pakete verwendet wird, ist ein Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstofföl, das verschiedene Füllstoffe enthält. Fett ist die älteste Materialklasse und das am häufigsten verwendete Material für den Anschluss von Kühlkörpern.

Tabelle 6. Fette

Gel

Gels sind eine kürzlich entwickelte Wärmeleitpaste. Gele werden wie Fett abgegeben und dann an einer teilweise vernetzten Struktur gehärtet, wodurch das Abpumpproblem beseitigt wird.

Tabelle 7. Gele

Thermisch leitfähige Wärmeleitpaste

Thermisch leitfähige Füllstoffe sind in der Regel Füllstoffe, die eine überlegene mechanische Bindung bieten.

Tabelle 8. Thermisch leitfähige Wärmeleitpaste

Wärmebänder

Thermobänder sind gefüllte druckempfindliche Thermosyteme (PSAs), die auf einer Trägermatrix wie Polyimid-Folie, Glasfasermatte oder Aluminiumfolie aufgefüllt werden.

Tabelle 9. Wärmebänder

Pads aus Pads

Bei den pflasterigen Pads handelt es sich um leicht zu handhabende Solids. Mit einer typischen Schicht von 0,25 mm enthalten die meisten Pads zur Verbesserung des Handhabungsverhaltens einen Faserfasern-Träger und enthalten, wie die Fette es tun, Füllstoffe. Sie werden geliefert, wenn der Die-Cut die für die Anwendung benötigte präzise Form ausführt.

Tabelle 10. Pads aus Pads

Materialien für Phasenwechsel

Bei den Phasenwechselmaterialien handelt es sich um Thermossyteme (in der Regel 50 bis 80 °C). Wenn sie über dem Hebelpunkt eingesetzt werden, sind sie nicht als Abstützmittel wirksam und benötigen mechanische Unterstützung, sodass sie immer mit einer Klemme verwendet werden, die etwa 300 kPa Druck aufwendet.

Tabelle 11. Materialien für Phasenwechsel

Anbieter von Kühlkörpern

Folgendes ist eine Liste der Anbieter von Kühlkörpern:

• Alpha Novatech (www.alphanovatech.com)
• Malico Inc. (www.malico.com.tw)
• Astacky thermale (www.aavidthermalloy.com)
• Wakefield Thermal Solutions (www.wakefield.com)
• Radian Kühlkörper (www.radianheatsinks.com)
• Coole Innovationen (www.coolinnovations.com)
• Heat Technology, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)

Anbieter von Kühlschnittstellenmaterial

Folgendes ist eine Liste der Anbieter von Thermischen Schnittstellenmaterial:

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