Administración térmica
A medida que las geometrías del proceso de IC se reducen a 90 nm y por debajo y aumentan FPGA densidades, la administración de la potencia se convierte en un factor significativo en el diseño FPGA. Si bien la potencia ha sido una preocupación de tercer o cuarto orden para la mayoría de los diseños FPGA, los grupos de diseño en la actualidad se enfrentan a cómo proporcionar todas las funciones que el mercado exige sin superar los presupuestos energéticos. Cuanto más energía consume un dispositivo, más calor genera. Este calor se debe disipar para mantener las temperaturas operativas dentro de la especificación.
La administración térmica es una consideración importante de diseño para los dispositivos 90 nm Stratix® II. Intel® FPGA paquetes de dispositivos están diseñados para minimizar la resistencia térmica y maximizar la disipación de energía. Algunas aplicaciones disipan más energía y requerirán soluciones térmicas externas, incluidos los disipadores térmicos.
Disipación de calor
La radiación, la conducción y la conflución son tres maneras de disipar el calor de un dispositivo. Los diseños de PCB utilizan disipadores térmicos para mejorar la disipación de calor. La eficiencia de transferencia de energía térmica de los disipadores térmicos se debe a la baja resistencia térmica entre el disipador de calor y el aire del ambiente. La resistencia térmica es la medida de la capacidad de disipación del calor o de la eficiencia de la transferencia de calor entre los distintos medios. Un disipador térmico con una gran superficie y una buena salida de aire (flujo de aire) da la mejor disipación de calor.
Un disipador térmico ayuda a mantener un dispositivo a una temperatura de unión por debajo de la temperatura de funcionamiento recomendada. Con un disipador térmico, el calor de un dispositivo fluye de la unión de los circuitos a la carcasa, luego de la carcasa al disipador de calor y, por último, del disipador térmico al aire ambiente. Dado que el objetivo es reducir la resistencia térmica general, los diseñadores pueden determinar si un dispositivo requiere un disipador térmico para la administración térmica mediante el cálculo de la resistencia térmica mediante el uso de modelos y ecuaciones de circuitos térmicos. Estos modelos de circuitos térmicos son similares a los circuitos de resistencia que utilizan la ley de Ohm. La Figura 1 muestra un modelo de circuito térmico para un dispositivo con y sin disipador de calor, que refleja la ruta de transferencia térmica por la parte superior del paquete.
Figura 1. Modelo de circuito térmico.
La Tabla 1 define los parámetros de circuito térmico. La resistencia térmica de un dispositivo depende de la suma de las resistencias térmicas del modelo de circuito térmico que se muestra en la Figura 1.
Tabla 1. Parámetros de circuito térmico
Parámetro |
Nombre |
Unidades |
Descripción |
---|---|---|---|
JA DE Θ |
Resistencia térmica de unión a ambiente |
o C/W |
Especificado en la hoja de datos |
JC Θ |
Resistencia térmica de unión a carcasa |
o C/W |
Especificado en la hoja de datos |
CS Θ |
Resistencia térmica del disipador de carcasa a calor |
o C/W |
Resistencia térmica al material de interfaz térmica |
CA de Θ |
Resistencia térmica de carcasa a ambiente |
o C/W |
|
SAde Θ |
Resistencia térmica de disipador térmico a ambiente |
o C/W |
Especificado por el fabricante del disipador térmico |
TJ |
Temperatura de la unión |
o C |
La temperatura de la unión según lo especificado en las condiciones de funcionamiento recomendadas para el dispositivo |
TJMAX |
Temperatura máxima de la unión |
o C |
Temperatura máxima de la unión según lo especificado en las condiciones de funcionamiento recomendadas para el dispositivo |
TA |
Temperatura ambiental |
o C |
Temperatura del aire ambiente local cerca de los componentes |
TS |
Temperatura del disipador térmico |
o C |
|
TC |
Temperatura de la carcasa del dispositivo |
o C |
|
P |
Poder |
W |
Energía total del dispositivo operativo. Utilice el valor estimado para seleccionar un disipador térmico |
Resistencias térmicas
Los modelos de componentes finimos se utilizaron para predecir la resistencia térmica de los dispositivos empacados, cuyos valores coinciden estrechamente con los valores de resistencia térmica proporcionados en el Manual del dispositivo Stratix II. La Tabla 2 muestra las ecuaciones de resistencia térmica para un dispositivo con y sin disipador de calor.
Tabla 2. Ecuaciones térmicas del dispositivo
Dispositivo |
Ecuación |
---|---|
Sin un disipador térmico |
ΘJA = ΘJC + ΘCA = (TJ - TA) / P |
Con un disipador térmico |
ΘJA = ΘJC +ΘCS +ΘSA = (TJ - TA) / P |
Determinar el uso del disipador térmico
Para determinar la necesidad de un disipador térmico, los diseñadores pueden calcular la temperatura de la unión utilizando la siguiente ecuación:
TJ = TA + P × Θ JA
Si la temperatura de la unión calculada (TJ) es superior a la temperatura máxima permitida de la unión (TJMAX), se requiere una solución térmica externa (disipador térmico, flujo de aire agregado o ambas cosas). Reelaborar la ecuación en la Tabla 2 anterior:
ΘJA = ΘJC + ΘCS + ΘSA = (TJMAX - TA) / P
ΘSA = (TJMAX - TA) / P - ΘJC - ΘCS
Ejemplo de determinar la necesidad de un disipador térmico
El siguiente procedimiento proporciona un método que se puede utilizar para determinar si se requiere un disipador térmico. En este ejemplo se utiliza un dispositivo EP2S180F1508 Stratix II, con las condiciones indicadas a continuación en el Cuadro 3:
Tabla 3. Condiciones de funcionamiento
Parámetro |
Valor |
---|---|
Poder |
20 W |
T máximaA |
50oC |
T máxima J |
85oC |
Tasa de flujo de aire |
400 €/minuto |
ΘJA con flujo de aire por minuto inferior a 400 personas |
4,7oC/W |
JC Θ |
0,13oC/W |
1. Utilizando la ecuación de temperatura de la unión, calcule la temperatura de la unión en las condiciones operativas indicadas: TJ = TA + P × ΘJA = 50 + 20 × 4,7 = 144 °C
La temperatura de la unión de 144 °C es mayor que la temperatura máxima de la unión especificada de 85 °C, por lo que se requiere absolutamente un disipador térmico para garantizar el funcionamiento correcto.
2. Utilizando la ecuación de disipador térmico a ambiente (y un CS Θ de 0,1 °C/W para el material típico de interfaz térmica), calcular la resistencia térmica de disipador a ambiente requerida:
Parámetro |
Ecuación |
---|---|
SA de Θ | = (TJmax -TA) / P - ΘJC - ΘCS |
|
= (85 -50) / 20 - 0,13 - 0,1 |
|
= 1,52 °C/W |
3. Seleccione un disipador térmico que cumpla con el requisito de resistencia térmica de 1,52 °C/W. El disipador térmico también debe ajustarse físicamente al dispositivo. Intel FPGA comentarios sobre los disipadores de calor de varios proveedores y hace referencia a un disipador térmico de Alpha Preconfigurtech (Z40-12.7B) para este ejemplo.
La resistencia térmica de Z40-12,7B a un flujo de aire de 400 movimientos por minuto es de 1,35 °C/W. Por lo tanto, este disipador térmico funcionará ya que la resistencia térmica publicada ΘSA es inferior a los 1,52 °C/W requeridos.
Utilice este disipador térmico y vuelva a verificar lo siguiente:
Parámetro |
Ecuación |
---|---|
TJ |
= TA + P × ΘJA |
|
= TA + × P (ΘJC + ΘCS + ΘSA) |
|
= 50 + 20 × (0,13 + 0,1 + 1,35) |
|
= 81,6 °C |
81,6 °C se encuentra debajo de la temperatura máxima de unión especificada de 85 °C, lo que verifica que la solución del disipador térmico Z40-12,7B funcione.
Evaluaciones de disipadores térmicos
La precisión de las resistencias térmicas de los disipadores térmicos proporcionadas por los proveedores de disipadores de calor es fundamental para seleccionar un disipador térmico adecuado. Intel FPGA utiliza tanto modelos de componentes finita como mediciones reales para verificar que los datos suministrados por el proveedor son precisos.
Modelos de componentes finita
Los modelos de componentes finita representan aplicaciones en las que un paquete contiene un disipador térmico. Intel FPGA probado resistencias térmicas en dos disipadores térmicos de Alpha Resaltech utilizando cuatro dispositivos Intel FPGA. La Tabla 4 muestra que las resistencias térmicas predichas por los modelos y las resistencias térmicas calculadas a partir de las fichas técnicas del proveedor coinciden estrechamente.
Tabla 4. Flujo de aire por minuto ΘJA 400
Disipador térmico |
Paquete |
ΘJAdesde el modelado (OC/W) |
ΘJAde la hoja de datos (oC/W) |
---|---|---|---|
Z35-12.7B |
Dispositivo EP2S90 en un paquete FineLine BGA® de 1020 pines |
2.6 |
2.2 |
Z35-12.7B |
Dispositivo EP2S180 en un paquete FineLine BGA de 1020 pines |
2.3 |
2.1 |
Z40-6.3B |
Dispositivo EP2S90 en un paquete FineLine BGA de 1020 pines |
3.3 |
3 |
Z40-6.3B |
Dispositivo EP2S180 en un paquete FineLine BGA de 1020 pines |
3 |
2.8 |
Medidas
La resistencia térmica se mide de acuerdo con la norma JESD51-6 JEDEC. Intel FPGA mediciones de resistencias térmicas de los siguientes disipadores térmicos de Alpha Preconfigurtech: UB35-25B, UB35-20B, Z35-12.7B y Z40-6.3B. La información detallada sobre estos disipadores térmicos está disponible en el sitio web de Alpha Ensantec (https://www.alphanovatech.com/en/index.html). Estos disipadores térmicos contienen cinta térmica adherida previamente (Chomerics T412).
Se utilizaron cuatro dispositivos de Intel FPGA para medir los disipadores térmicos mostrados en la Tabla 5, que muestra una buena correlación entre las mediciones obtenidas y las resistencias térmicas obtenidas de las fichas técnicas del proveedor.
Tabla 5. Flujo de aire por minuto ΘJA 400
Disipador térmico |
JA(oC/W) real Θ |
Ficha técnica ΘJA(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 |
El siguiente gráfico en la Figura 2 muestra el efecto de la velocidad de flujo de aire en ΘJA.
Figura 2. Efecto de la velocidad de flujo de aire en ΘJA.
Material de interfaz térmica
El material de interfaz térmica (TIM) es el medio utilizado para sujetar un disipador térmico sobre la superficie del encapsulado. Funciona para proporcionar una ruta de resistencia térmica mínima desde el encapsulado hasta el disipador térmico. Las siguientes secciones describen las categorías principales de TIM.
Grasa
El material utilizado para unir los disipadores térmicos a los paquetes es un aceite de hidrocarburo que contiene varios rellenos. Es el tipo de materiales más antiguo y el material más utilizado para colocar disipadores térmicos.
Tabla 6. Grasas
Pros |
Contras |
---|---|
Baja resistencia térmica |
Desordenado y difícil de aplicar debido a su alta confidción. |
Requiere abrazadera mecánica (aplicar presión en el rango de 300 kPa). |
|
En aplicaciones con ciclos de encendido/apagado reiterados, se produce un "bomba-out", en el cual se fuerza la consangración entre el chip de silicio y el disipador de calor cada vez que se produce un impulso en el chip y se enfria. Esto causa la degradación del desempeño térmico con el tiempo y potencialmente contamina los componentes vecinos. |
Gel
Los geles son un TIM desarrollado recientemente. Los geles se alimentan como una concha, y luego se curan en una estructura parcialmente vinculada a una conexión cruzada, lo que elimina el problema de la bomba.
Tabla 7. Geles
Pros |
Contras |
---|---|
Baja resistencia térmica |
Requiere abrazadera mecánica. |
Resoluciones de consición térmica
Por lo general, las conjunciones de conjunción térmica son a base de oritorios de tipo", las cuales contienen rellenos que ofrecen un vínculo mecánico superior.
Tabla 8. Resoluciones de consición térmica
Pros |
Contras |
---|---|
Baja resistencia térmica |
No se puede volver a trabajar. |
No es necesario sujetar mecánicamente. |
Cintas térmicas
Las cintas térmicas son adhesivos sensibles a la presión rellenos (PGA) que se usan en una matriz de soporte como la película de colfítaga, alfombrilla de fibra óptica o oriculado de aluminio.
Tabla 9. Cintas térmicas
Pros |
Contras |
---|---|
Ensamble simple. |
Alta resistencia térmica |
No es necesario sujetar mecánicamente. |
Generalmente no es adecuado para paquetes que no tienen superficies planas. |
Almohadillas elastomericas
Las alfombrillas elastomericas son piezas de incautación que se usan en forma de sólidos fáciles de manejar. Con una típica ortopía de 0,25 mm, la mayoría de las alfombrillas incorporan un portaunidades de fibra óptica para mejorar el manejo y contener rellenos inorgónicos como lo hacen las poéticas. Se suministran a medida que el corte a chip se realiza de la forma precisa necesaria para la aplicación.
Tabla 10. Almohadillas elastomericas
Pros |
Contras |
---|---|
Ensamble simple. |
Alta resistencia térmica |
Requiere abrazadera mecánica. |
|
Necesita altas presiones (~700 kPa) para lograr una interfaz adecuada. |
Materiales de cambio de fase
Los materiales de cambio de fase son adhesivos termofísticos de baja temperatura que habitualmente se funden en el rango de 50 a 80 °C. Cuando funcionan por encima del punto de fusión no son eficaces como una cubierta y necesitan soporte mecánico, por lo que siempre se utilizan con una abrazadera que aplica una presión de aproximadamente 300 kPa.
Tabla 11. Materiales de cambio de fase
Pros |
Contras |
---|---|
Resistencia térmica (de 0,3 a 0,7 oC cm2/W). |
Difícil retrabajo |
Requiere abrazadera mecánica (aplicar presión en el rango de 300 kPa). |
Proveedores de disipadores térmicos
La siguiente es una lista de proveedores de disipadores de calor:
- Alpha Ensalzadotech (www.alphanovatech.com)
- Malico Inc. (www.malico.com.tw)
- Avíd Thermalloy (www.aavidthermalloy.com)
- Soluciones térmicas de Wakefield (www.wakefield.com)
- Disipadores térmicos radianes (www.radianheatsinks.com)
- Innovaciones cool (www.coolinnovations.com)
- Heat Technology, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)
Proveedores de materiales de interfaz térmica
La siguiente es una lista de proveedores de materiales de interfaz térmica:
- Shin-Etsu MicroSi (www.microsi.com)
- Corporation Despeñor (www.lord.com)
- Thermagon Inc. (www.thermagon.com)
- Chomerics (www.chomerics.com)
- Henlove (www.henkel-adhesives.com)
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