การจัดการความร้อน

ในขณะที่รูปทรงเรขาคณิตของกระบวนการ IC ลดลงถึง 90 นาโนเมตรและต่ํากว่าและFPGAความหนาแน่นเพิ่มขึ้น การจัดการพลังงานจึงกลายเป็นปัจจัยสําคัญในการออกแบบFPGA ในขณะที่ขุมพลังดั้งเดิมนั้นเป็นข้อกังวลเกี่ยวกับคําสั่งซื้อที่สามหรือสี่สําหรับการออกแบบFPGAส่วนใหญ่ กลุ่มการออกแบบที่ยากจนที่สุดที่เผชิญในปัจจุบันคือวิธีการจัดหาฟังก์ชันทั้งหมดที่ตลาดต้องการโดยไม่ใช้พลังงานเกินงบประมาณ ยิ่งอุปกรณ์ใช้พลังงานมากยิ่งมีความร้อนมาก ความร้อนนี้จะต้องกระจายออกเพื่อรักษาอุณหภูมิในการทํางานภายในข้อมูลจําเพาะ

การจัดการความร้อนเป็นข้อพิจารณาด้านการออกแบบที่สําคัญสําหรับอุปกรณ์ 90 nm Stratix® II แพคเกจอุปกรณ์Intel® FPGAออกแบบมาเพื่อลดความต้านทานต่อความร้อนและเพิ่มการระบายความร้อนสูงสุด บางแอปพลิเคชันกระจายพลังงานมากขึ้นและต้องการโซลูชันระบายความร้อนภายนอก รวมถึงฮีทซิงค์

ระบบระบายความร้อน

รังสี การนําไฟฟ้า และการพาความร้อนเป็นสามวิธีในการกระจายความร้อนออกจากอุปกรณ์ การออกแบบ PCB ใช้ฮีทซิงค์เพื่อปรับปรุงการระบายความร้อน ประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานความร้อนของฮีทซิงค์เกิดจากความต้านทานต่อความร้อนต่ําระหว่างฮีทซิงค์และอากาศโดยรอบ ความต้านทานต่อความร้อนคือการวัดความสามารถของสารที่จะกระจายความร้อน หรือประสิทธิภาพของการถ่ายเทความร้อนในขอบเขตระหว่างสื่อต่างๆ ฮีทซิงค์ที่มีพื้นที่พื้นผิวขนาดใหญ่และการไหลเวียนของอากาศที่ดี (การไหลเวียนของอากาศ) ช่วยกระจายความร้อนได้ดีที่สุด

ฮีทซิงค์ช่วยให้อุปกรณ์อยู่ในอุณหภูมิแยกที่ต่ํากว่าอุณหภูมิการทํางานที่แนะนําที่ระบุไว้ ด้วยฮีทซิงค์ ความร้อนจากอุปกรณ์ไหลจากแยกไดย์ไปยังเคส จากนั้นจากเคสไปจนถึงฮีทซิงค์ และสุดท้ายจากฮีทซิงค์ถึงอากาศโดยรอบ เนื่องจากเป้าหมายคือการลดความต้านทานต่อความร้อนโดยรวม นักออกแบบสามารถกําหนดได้ว่าอุปกรณ์ต้องใช้ฮีทซิงค์เพื่อการจัดการความร้อนหรือไม่โดยการคํานวณความต้านทานต่อความร้อนโดยใช้โมเดลและสมการของวงจรความร้อน โมเดลวงจรระบายความร้อนเหล่านี้คล้ายกับวงจรตัวต้านทานโดยใช้กฎหมายของ Ohm รูปภาพที่ 1 แสดงโมเดลวงจรความร้อนสําหรับอุปกรณ์ที่มีและไม่มีฮีทซิงค์ ซึ่งแสดงถึงพาธการถ่ายโอนความร้อนผ่านด้านบนของบรรจุภัณฑ์

รูปภาพที่ 1 โมเดลวงจรความร้อน

ตารางที่ 1 กําหนดพารามิเตอร์วงจรความร้อน ความทนทานต่อความร้อนของอุปกรณ์ขึ้นอยู่กับผลบวกของความต้านทานต่อความร้อนจากโมเดลวงจรความร้อนที่แสดงในรูปภาพที่ 1

ตารางที่ 1 พารามิเตอร์วงจรความร้อน

พารามิเตอร์

ชื่อ

หน่วย

คำ อธิบาย

ΘJA

ความต้านทานต่อความร้อนจาก Junction-to-ambient

O C/W

ระบุไว้ในเอกสารข้อมูล

ΘJC

ความต้านทานต่อความร้อนแบบ Junction-to-case

O C/W

ระบุไว้ในเอกสารข้อมูล

ΘCS

ความต้านทานต่อความร้อนจากกรณีสู่ฮีทซิงค์

O C/W

ความต้านทานต่อความร้อนของวัสดุอินเตอร์เฟซความร้อน

ΘCA

ความต้านทานต่อความร้อนจากกรณีสู่แวดล้อม

O C/W

ΘSA

ความต้านทานต่อความร้อนจากฮีทซิงค์ถึงสภาพแวดล้อม

O C/W

ระบุโดยผู้ผลิตฮีทซิงค์

TJ

อุณหภูมิของชุมทาง

O C

อุณหภูมิแยกตามที่ระบุภายใต้เงื่อนไขการทํางานที่แนะนําสําหรับอุปกรณ์

TJMAX

อุณหภูมิทางแยกสูงสุด

O C

อุณหภูมิเชื่อมต่อสูงสุดตามที่ระบุภายใต้เงื่อนไขการทํางานที่แนะนําสําหรับอุปกรณ์

TA

อุณหภูมิแวดล้อม

O C

อุณหภูมิของอากาศโดยรอบในท้องถิ่นใกล้กับส่วนประกอบ

TS

อุณหภูมิฮีทซิงค์

O C

TC

อุณหภูมิเคสอุปกรณ์

O C

P

พลังงาน

ฝั่ง ตะวัน ตก

ขุมพลังทั้งหมดจากอุปกรณ์ที่ทํางานอยู่ ใช้ค่าโดยประมาณในการเลือกฮีทซิงค์
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

ความต้านทานต่อความร้อน

โมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์ถูกใช้เพื่อคาดการณ์ความต้านทานต่อความร้อนของอุปกรณ์ที่บรรจุอยู่ โดยค่าที่เทียบกับค่าความต้านทานต่อความร้อนที่มีอยู่ใน คู่มืออุปกรณ์ Stratix II อย่างใกล้ชิด ตารางที่ 2 แสดงสมการความต้านทานต่อความร้อนสําหรับอุปกรณ์ที่มีและไม่มีฮีทซิงค์

ตารางที่ 2 สมการความร้อนของอุปกรณ์

อุปกรณ์

สมการ

ไม่มีฮีทซิงค์

ΘJA = ΘJC + ΘCA = (TJ - TA) / P

พร้อมฮีทซิงค์

ΘJA = ΘJC +ΘCS +ΘSA = (TJ - TA) / P
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

การกําหนดการใช้งานฮีทซิงค์

ในการกําหนดความจําเป็นของฮีทซิงค์ นักออกแบบสามารถคํานวณอุณหภูมิแยกได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:

TJ = TA + P × Θ JA

หากอุณหภูมิของชุมทางที่คํานวณได้ (TJ) เป็นมากกว่าอุณหภูมิการเชื่อมต่อสูงสุดที่กําหนด (TJMAX) จะต้องมีโซลูชันระบายความร้อนภายนอก (ฮีทซิงค์ การไหลของอากาศเพิ่มเติม หรือทั้งสองอย่าง) การปรับสมการในตารางที่ 2 ข้างต้น:

ΘJA = ΘJC + ΘCS + ΘSA = (TJMAX - TA) / P

ΘSA = (TJMAX - TA) / P - ΘJC - ΘCS

ตัวอย่างการกําหนดความจําเป็นของฮีทซิงค์

ขั้นตอนต่อไปนี้แสดงวิธีการหนึ่งที่สามารถใช้เพื่อตรวจสอบว่าจําเป็นต้องมีฮีทซิงค์หรือไม่ ตัวอย่างนี้ใช้อุปกรณ์ EP2S180F1508 Stratix II โดยมีเงื่อนไขที่ระบุไว้ด้านล่างในตารางที่ 3:

ตารางที่ 3. สภาพแวดล้อมในการทํางาน

พารามิเตอร์

ค่า

พลังงาน

20 W

TA สูงสุด

50oC

TJ สูงสุด

85oC

อัตราการไหลของอากาศ

400 ฟุตต่อนาที

ΘJA ภายใต้การไหลของอากาศ 400 ฟุตต่อนาที

4.7oC/W

ΘJC

0.13oC/W
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

1. ใช้สมการอุณหภูมิแยก คํานวณอุณหภูมิของชุมทางภายใต้เงื่อนไขการทํางานที่ระบุไว้: TJ = TA + P × ΘJA = 50 + 20 × 4.7 = 144 °C

อุณหภูมิทางแยกที่ 144 °C สูงกว่าอุณหภูมิเชื่อมต่อสูงสุดที่ระบุที่ 85 °C ดังนั้นจึงต้องมีฮีทซิงค์เพื่อรับประกันการทํางานที่เหมาะสม

2. ใช้สมการฮีทซิงค์ถึงแวดล้อม (และ ΘCS ที่ 0.1 °C/W สําหรับวัสดุอินเทอร์เฟซด้านความร้อนทั่วไป) คํานวณความต้านทานต่อความร้อนอ่างความร้อนต่อสภาพแวดล้อมที่จําเป็น:

พารามิเตอร์

สมการ
ΘSA = (TJmax -TA) / P - ΘJC - ΘCS

= (85 -50) / 20 - 0.13 - 0.1

= 1.52 °C/W
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

3. เลือกฮีทซิงค์ที่ตรงตามข้อกําหนดการทนต่อความร้อนที่ 1.52 °C/W ฮีทซิงค์ต้องพอดีกับอุปกรณ์ Intel FPGAตรวจสอบฮีทซิงค์จากซัพพลายเออร์หลายราย และอ้างอิงฮีทซิงค์จาก Alpha Novatech (Z40-12.7B) สําหรับตัวอย่างนี้

ความต้านทานต่อความร้อนของ Z40-12.7B ที่การไหลของอากาศที่ 400 ฟุตต่อนาทีคือ 1.35 °C/W ฮีทซิงค์นี้จะทํางานได้เนื่องจากความต้านทานต่อความร้อน ที่เผยแพร่ ΘSA น้อยกว่า 1.52 °C/W ที่กําหนด

ใช้ฮีทซิงค์นี้ และตรวจสอบอีกครั้ง:

พารามิเตอร์

สมการ

TJ

 = TA + P × ΘJA

= TA + P × (ΘJC + ΘCS + ΘSA)

= 50 + × 20 (0.13 + 0.1 + 1.35)

= 81.6 °C
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

81.6 °C อยู่ภายใต้อุณหภูมิการเชื่อมต่อสูงสุดที่ระบุที่ 85 °C เพื่อตรวจสอบว่าโซลูชันฮีทซิงค์ Z40-12.7B จะทํางานหรือไม่

การประเมินฮีทซิงค์

ความแม่นยําของความต้านทานต่อความร้อนของฮีทซิงค์ที่จัดหาโดยซัพพลายเออร์ฮีทซิงค์เป็นสิ่งสําคัญในการเลือกฮีทซิงค์ที่เหมาะสม Intel FPGAใช้ทั้งโมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์และการวัดผลจริงเพื่อตรวจสอบว่าข้อมูลที่ผู้จัดจําหน่ายจัดหามีความถูกต้องหรือไม่

โมเดล Finite Element

โมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์แสดงถึงการใช้งานที่บรรจุภัณฑ์มีฮีทซิงค์ Intel FPGAทดสอบความทนทานต่อความร้อนบนฮีทซิงค์สองตัวจาก Alpha Novatech โดยใช้อุปกรณ์Intel FPGAสี่ตัว ตารางที่ 4 แสดงให้เห็นว่าความทนทานต่อความร้อนที่คาดการณ์โดยโมเดลและความทนทานต่อความร้อนที่คํานวณจากตารางข้อมูลของซัพพลายเออร์เป็นการจับคู่กันอย่างใกล้ชิด

ตารางที่ 4. การไหลของอากาศ ΘJA 400 ฟุตต่อนาที

ฮีทซิงค์

แพ คเกจ

ΘJAจากแบบจําลอง (oC/W)

ΘJAจากเอกสารข้อมูล (oC/W)

Z35-12.7B

อุปกรณ์ EP2S90 ในแพ็คเกจ 1,020 พิน FineLine BGA®

2.6

2.2

Z35-12.7B

อุปกรณ์ EP2S180 ในแพ็คเกจ 1,020 พิน FineLine BGA

2.3

2.1

Z40-6.3B

อุปกรณ์ EP2S90 ในแพ็คเกจ 1,020 พิน FineLine BGA

3.3

3

Z40-6.3B

อุปกรณ์ EP2S180 ในแพ็คเกจ 1,020 พิน FineLine BGA

3

2.8
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

วัด

ความต้านทานต่อความร้อนวัดตามมาตรฐาน JEDEC JESD51-6 Intel FPGAวัดความต้านทานความร้อนของฮีทซิงค์ต่อไปนี้จาก Alpha Novatech: UB35-25B, UB35-20B, Z35-12.7B และ Z40-6.3B ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับฮีทซิงค์เหล่านี้มีอยู่ในเว็บไซต์ Alpha Novatech (https://www.alphanovatech.com/en/index.html) ฮีทซิงค์เหล่านี้ประกอบด้วยเทประบายความร้อนที่แนบมาล่วงหน้า (Chomerics T412)

อุปกรณ์Intel FPGAสี่ตัวถูกใช้เพื่อวัดฮีทซิงค์ที่แสดงในตารางที่ 5 ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ที่ดีระหว่างการวัดค่าที่ได้กับความต้านทานต่อความร้อนที่ได้รับจากเอกสารข้อมูลของซัพพลายเออร์

ตาราง 5. การไหลของอากาศ ΘJA 400 ฟุตต่อนาที

ฮีทซิงค์

ΘJA ที่แท้จริง (oC/W)

เอกสารข้อมูล 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
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

กราฟต่อไปนี้ในรูปภาพที่ 2 แสดงผลของอัตราการไหลเวียนของอากาศใน ΘJA

รูปภาพที่ 2 ผลของอัตราการไหลเวียนของอากาศต่อ ΘJA

วัสดุอินเตอร์เฟซด้านความร้อน

วัสดุเชื่อมต่อกันความร้อน (TIM) เป็นสื่อที่ใช้ในการติดตั้งฮีทซิงค์ลงบนพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ โดยจะมีฟังก์ชันที่จะให้เส้นทางต้านทานความร้อนน้อยที่สุดตั้งแต่บรรจุภัณฑ์ไปจนถึงฮีทซิงค์ หัวข้อต่อไปนี้อธิบายถึงหมวดหมู่หลักของ TIM

จาระบี

จาระบีที่ใช้ในการยึดฮีทซิงค์เข้ากับบรรจุภัณฑ์เป็นน้ํามันซิลิโคนหรือไฮโดรคาร์บอนที่มีฟิลเลอร์ต่างๆ จาระบีเป็นวัสดุที่เก่าแก่ที่สุดและวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่ใช้ในการติดตั้งฮีทซิงค์

ตารางที่ 6 จาระบี

Pros

Cons

ทนทานต่อความร้อนต่ํา
(0.2 ถึง 1 oC cm2/W)

ยุ่งเหวี่ยงและใช้งานยากเนื่องจากความหนืดสูง

ต้องใช้การจับยึดเชิงกล (ใช้แรงดันในช่วง 300 kPa)

ในการใช้งานที่มีรอบเปิด/ปิดเครื่องซ้ําๆ "ปั๊มออก" จะเกิดขึ้นซึ่งจาระบีถูกบีบบังคับไม่ให้อยู่ระหว่างซิลิคอนและฮีทซิงค์ในแต่ละครั้งที่ไดย์ร้อนขึ้นและระบายความร้อน ซึ่งทําให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนลดลงเมื่อเวลาผ่านไปและอาจปนเปื้อนส่วนประกอบใกล้เคียง
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

เจล

Gels เป็น TIM ที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ เจลจะถูกจ่ายเช่นจาระบีและถูกทําให้หายขาดเป็นโครงสร้างที่มีการเชื่อมโยงข้ามบางส่วนซึ่งช่วยขจัดปัญหาการปั๊มออก

ตาราง 7. เจล

Pros

Cons

ทนทานต่อความร้อนต่ํา
(0.4 ถึง 0.8 oC cm2/W)

ต้องใช้การยึดเชิงกล
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

วัสดุที่เป็นตัวนําความร้อน

แผ่นกันความร้อนนําไฟฟ้ามักจะเป็นสูตรที่ใช้อีพ็อกซี่หรือซิลิโคนที่มีฟิลเลอร์ซึ่งนําเสนอความยึดเหนี่ยวเชิงกลที่เหนือกว่า

ตารางที่ 8 วัสดุที่เป็นตัวนําความร้อน

Pros

Cons

ทนทานต่อความร้อนต่ํา
(0.15 ถึง 1 oC cm2/W)

ไม่สามารถทําใหม่ได้

ไม่จําเป็นต้องยึดกลไก
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

เทประบายความร้อน

เทประบายความร้อนเป็นสารไวต่อแรงดันเต็มที่ (PSAs) เคลือบบนเมทริกซ์สนับสนุน เช่น โพลีไมด์ภาพยนตร์ เสื่อไฟเบอร์กลาส หรือฟอยล์อะลูมิเนียม

ตาราง 9. เทประบายความร้อน

Pros

Cons

การประกอบที่เรียบง่าย

ทนทานต่อความร้อนสูง
(1 ถึง 4 oC cm2/W)

ไม่จําเป็นต้องยึดกลไก

โดยทั่วไปไม่เหมาะสําหรับบรรจุภัณฑ์ที่ไม่มีพื้นผิวเรียบ
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

แผ่นอิลาสโตเมอร์

แผ่นอิลาสโตเมอร์เป็นแผ่นซิลิโคนพอลิเมอรีนในรูปแบบของแข็งที่จัดการได้ง่าย ด้วยขนาดปกติที่ 0.25 มม. แผ่นส่วนใหญ่จะรวมใยแก้วนําไฟเบอร์กลาสทอฟเข้าด้วยกันเพื่อปรับปรุงการจัดการและมีฟิลเลอร์อนินทรีย์เมื่อมีจาระบี โดยมาพร้อมกับ Die-Cut ที่ดําเนินการในรูปทรงที่แม่นยําที่จําเป็นสําหรับการใช้งาน

ตารางที่ 10 แผ่นอิลาสโตเมอร์

Pros

Cons

การประกอบที่เรียบง่าย

ทนทานต่อความร้อนสูง
(1 ถึง 3 oC cm2/W)

ต้องใช้การยึดเชิงกล

ต้องการแรงดันสูง (~700 kPa) เพื่อให้ได้อินเตอร์เฟซที่เพียงพอ
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

วัสดุเปลี่ยนเฟส

วัสดุเปลี่ยนเฟสเป็นวัสดุเทอร์โมพลาสติกที่อุณหภูมิต่ํา (แว็กซ์ส่วนใหญ่) ซึ่งมักจะละลายในช่วง 50 ถึง 80 °C เมื่อทํางานเหนือจุดหลอมเหลว จะไม่ได้ผลเท่าการช่วยเหลือและต้องการการสนับสนุนเชิงกล จึงมักถูกใช้งานกับตัวยึดที่ใช้แรงดันประมาณ 300 kPa

ตารางที่ 11 วัสดุเปลี่ยนเฟส

Pros

Cons

ความต้านทานต่อความร้อน

(0.3 ถึง 0.7 oC cm2/W)

ทําใหม่ได้ยาก

ต้องใช้การจับยึดเชิงกล (ใช้แรงดันในช่วง 300 kPa)
ดูทั้งหมด แสดงน้อยลง

ผู้จัดจําหน่ายฮีทซิงค์

ต่อไปนี้คือรายชื่อผู้จําหน่ายฮีทซิงค์:

ผู้จําหน่าย Thermal Interface Material

ต่อไปนี้คือรายชื่อผู้จําหน่ายวัสดุอินเทอร์เฟซความร้อน:

เนื้อหาในหน้านี้เป็นการผสมผสานระหว่างการแปลเนื้อหาต้นฉบับภาษาอังกฤษโดยมนุษย์และคอมพิวเตอร์ เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อความสะดวกของคุณและเพื่อเป็นข้อมูลทั่วไปเท่านั้นและไม่ควรอ้างอิงว่าสมบูรณ์หรือถูกต้อง หากมีความขัดแย้งใด ๆ ระหว่างเวอร์ชันภาษาอังกฤษของหน้านี้กับคำแปล เวอร์ชันภาษาอังกฤษจะมีผลเหนือกว่าและควบคุม ดูเวอร์ชันภาษาอังกฤษของหน้านี้