Gerenciamento térmico

À medida que as geometrias de processo de IC diminuem para 90 nm e abaixo e FPGA densidades aumentam, o gerenciamento de energia torna-se um fator significativo no FPGA design. Embora o poder tradicionalmente tenha sido uma preocupação de terceira ou quarta ordem para a maioria dos projetos FPGA, o dilema que os grupos de projetos enfrentam hoje é como fornecer todas as funções que o mercado exige sem exceder os orçamentos de energia. Quando mais energia um dispositivo consome, mais calor ele gera. Este calor deve ser dissipado para manter as temperaturas operacionais dentro das especificações.

O gerenciamento térmico é uma importante consideração de projeto para dispositivos de 90 nm Stratix® II. Intel® FPGA de dispositivos foram projetados para minimizar a resistência térmica e maximizar a dissipação de energia. Algumas aplicações dissipam mais energia e exigirão soluções térmicas externas, incluindo dissipadores de calor.

Dissipação de calor

Radiação, condução e convecção são três maneiras de dissipar o calor de um dispositivo. Os designs PCB usam dissipadores de calor para melhorar a dissipação de calor. A eficiência de transferência de energia térmica dos dissipadores de calor é devido à baixa resistência térmica entre o dissipador de calor e o ar ambiente. Resistência térmica é a medida da capacidade de uma substância dissipar calor, ou a eficiência da transferência de calor através do limite entre diferentes mídias. Um dissipador de calor com uma grande área de superfície e boa circulação de ar (fluxo de ar) proporciona a melhor dissipação de calor.

Um dissipador de calor ajuda a manter um dispositivo em uma temperatura de junção abaixo da temperatura de operação especificada. Com um dissipador de calor, o calor de um dispositivo flui da junção de die para a caixa, depois da caixa até o dissipador de calor e, por último, do dissipador de calor para o ar ambiente. Como o objetivo é reduzir a resistência térmica geral, os designers podem determinar se um dispositivo requer um dissipador de calor para gerenciamento térmico calculando a resistência térmica usando modelos e equações de circuitos térmicos. Esses modelos de circuito térmico são semelhantes aos circuitos de resistência usando a lei de Ohm. A Figura 1 mostra um modelo de circuito térmico para um dispositivo com e sem dissipador de calor, refletindo o caminho de transferência térmica através da parte superior da embalagem.

A Tabela 1 define parâmetros de circuito térmico. A resistência térmica de um dispositivo depende da soma das resistências térmicas do modelo de circuito térmico mostrado na Figura 1.

Tabela 1. Parâmetros de circuito térmico

Resistências térmicas

Os modelos de elementos finitos foram usados para prever a resistência térmica de dispositivos embalados, dos quais os valores se combinam de perto com os valores de resistência térmica fornecidos no manual do dispositivo Stratix II. A Tabela 2 mostra as equações de resistência térmica para um dispositivo com e sem dissipador de calor.

Tabela 2. Equações térmicas do dispositivo

Determinar o uso do dissipador de calor

Para determinar a necessidade de um dissipador de calor, os designers podem calcular a temperatura da junção usando a seguinte equação:

T_J = T_A + P × Θ _JA

Se a temperatura de junção calculada (T_J) for superior à temperatura máxima de junção permitida especificada (T_JMAX), é necessária uma solução térmica externa (dissipador de calor, fluxo de ar adicionado ou ambos). Reformulando a equação na Tabela 2 acima:

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

Θ_SA = (T_JMAX - T_A) / P - Θ_JC - CS

Exemplo de determinar a necessidade de um dissipador de calor

O procedimento a seguir fornece um método que pode ser usado para determinar se um dissipador de calor é necessário. Este exemplo usa um dispositivo EP2S180F1508 Stratix II, com as condições listadas abaixo na Tabela 3:

Tabela 3. Condições operacionais

1. Usando a equação de temperatura da junção, calcule a temperatura da junção sob as condições operacionais listadas: TJ = TA + P × ΘJA = 50 + 20 × 4,7 = 144 °C

A temperatura de junção de 144 °C é superior à temperatura máxima de junção especificada de 85 °C, portanto, um dissipador de calor é absolutamente necessário para garantir o funcionamento adequado.

2. Usando a equação dissipador de calor para ambiente (e um CS de 0,1 °C/W para material de interface térmica típico), calcule a resistência térmica necessária para dissipador de calor para ambiente:

3. Selecione um dissipador de calor que atenda ao requisito de resistência térmica de 1,52 °C/W. O dissipador de calor também deve caber fisicamente no dispositivo. Intel FPGA dissipadores de calor revisados de vários fornecedores e faz referência a um dissipador de calor da Alpha Novatech (Z40-12.7B) para este exemplo.

A resistência térmica de Z40-12,7B a um fluxo de ar de 400 pés por minuto é de 1,35 °C/W. Portanto, este dissipador de calor funcionará uma vez que a resistência térmica publicada ΘSA é menor do que a necessária 1,52 °C/W.

Usando este dissipador de calor e re-verificando:

81,6 °C está sob a temperatura máxima de junção especificada de 85 °C, verificando se a solução de dissipador de calor Z40-12.7B funcionará.

Avaliações do dissipador de calor

A precisão das resistências térmicas do dissipador de calor fornecidas pelos fornecedores do dissipador de calor é fundamental para selecionar um dissipador de calor adequado. Intel FPGA usa modelos de elementos finitos e medições reais para verificar se os dados fornecidos pelo fornecedor são precisos.

Modelos de elementos finitos

Os modelos de elementos finitos representam aplicações em que um pacote contém um dissipador de calor. Intel FPGA resistências térmicas testadas em dois dissipadores de calor da Alpha Novatech usando quatro Intel FPGA dispositivos. A Tabela 4 mostra que as resistências térmicas previstas pelos modelos e as resistências térmicas calculadas a partir das fichas técnicas do fornecedor são próximas.

Tabela 4. Fluxo de ar Θ_JA de 400 pés por minuto

Medidas

A resistência térmica é medida de acordo com o padrão JEDEC JESD51-6. Intel FPGA resistência térmica medida dos seguintes dissipadores de calor da Alpha Novatech: UB35-25B, UB35-20B, Z35-12.7B e Z40-6.3B. Informações detalhadas sobre esses dissipadores de calor estão disponíveis no site da Alpha Novatech (https://www.alphanovatech.com/en/index.html). Esses dissipadores de calor contêm fita térmica pré-conectada (Chomerics T412).

Quatro Intel FPGA foram utilizados para medir os dissipadores de calor mostrados na Tabela 5, o que mostra uma boa correlação entre as medições obtidas e as resistências térmicas obtidas a partir das fichas técnicas do fornecedor.

Tabela 5. Fluxo de ar Θ_JA de 400 pés por minuto

O gráfico a seguir na Figura 2 mostra o efeito da taxa de fluxo de ar em Θ_JA.

Material de interface térmica

O material de interface térmica (TIM) é o meio usado para conectar um dissipador de calor em uma superfície do pacote. Ele funciona para fornecer um caminho de resistência térmica mínima do pacote até o dissipador de calor. As seções a seguir descrevem as principais categorias da TIM.

Graxa

A graxa usada para conectar dissipadores de calor aos pacotes é um óleo de silicone ou hidrocarboneto que contém vários enchimentos. A graxa é a classe mais antiga de materiais e o material mais usado para conectar dissipadores de calor.

Tabela 6. Graxas

Gel

Os gels são um TIM recentemente desenvolvido. Os géis são dispensados como graxa e depois são curados para uma estrutura parcialmente cruzada, o que elimina o problema de saída de bomba.

Tabela 7. Géis

Adesivos condutivos térmicos

Adesivos condutivos térmicos geralmente são formulações baseadas em epóxi ou silicone contendo preenchimentos, oferecendo uma ligação mecânica superior.

Tabela 8. Adesivos condutivos térmicos

Fitas térmicas

As fitas térmicas são adesivos sensíveis à pressão preenchidos (PSAs) revestidos em uma matriz de suporte, como filme de poliimida, tapete de fibra de vidro ou folha de alumínio.

Tabela 9. Fitas térmicas

Almofadas elastomeric

Almofadas elastomeric são borrachas de silicone polimerizadas na forma de sólidos fáceis de manusear. Com uma espessura típica de 0,25 mm, a maioria dos pads incorpora uma transportadora de fibra de vidro tecida para melhorar o manuseio e conter preenchimentos inorgânicos como as graxas. Eles são fornecidos conforme o die-cut executa na forma precisa necessária para a aplicação.

Tabela 10. Almofadas elastomeric

Materiais de mudança de fase

Os materiais de mudança de fase são adesivos termoplásticos de baixa temperatura (principalmente ceras) que normalmente derretem na faixa de 50 a 80 °C. Ao operar acima do ponto de fusão, eles não são eficazes como adesivos e precisam de suporte mecânico, por isso são sempre usados com um grampo aplicando cerca de 300 kPa de pressão.

Tabela 11. Materiais de mudança de fase

Fornecedores do dissipador de calor

A seguir, uma lista de fornecedores do dissipador de calor:

• Alpha Novatech (www.alphanovatech.com)
• Malico Inc. (www.malico.com.tw)
• Aavid Thermalloy (www.aavidthermalloy.com)
• Soluções térmicas Wakefield (www.wakefield.com)
• Dissipadores de calor radiados (www.radianheatsinks.com)
• Inovações legais (www.coolinnovations.com)
• Heat Technology, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)

Fornecedores de materiais de interface térmica

A seguir, uma lista de fornecedores de materiais de interface térmica:

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