열 관리
IC 프로세스 형상이 90nm 이하로 축소되고 밀도가 FPGA 증가함에 따라 전력 관리가 FPGA 설계에 중요한 요소가 됩니다. 전력은 전통적으로 대부분의 FPGA 설계에 대한 3차 또는 4차 관심사였지만, 오늘날 딜레마 디자인 그룹은 전력 예산을 초과하지 않고 시장이 요구하는 모든 기능을 제공하는 방법입니다. 장치가 소비하는 전력이 많을수록 더 많은 열이 발생합니다. 이 열은 사양 내에서 작동 온도를 유지하기 위해 소멸되어야 합니다.
열 관리는 90 nm Stratix® II 장치에 대한 중요한 설계 고려 사항입니다. 인텔® FPGA 장치 패키지는 열 저항을 최소화하고 전력 소멸을 극대화하도록 설계되었습니다. 일부 응용 프로그램은 더 많은 전력을 방출하며 방열판을 포함한 외부 열 솔루션이 필요합니다.
열 방출
방사선, 전도 및 대류는 장치에서 열을 방출하는 세 가지 방법입니다. PCB 설계는 방열판 을 사용하여 방열을 개선합니다. 방열판의 열 에너지 전달 효율은 방열판과 주변 공기 사이의 열 저항이 낮기 때문입니다. 열 저항은 물질이 열을 방출하는 능력 또는 서로 다른 미디어 사이의 경계를 가로지르는 열 전달의 효율성을 측정하는 척도입니다. 넓은 표면적과 좋은 공기 순환(공기 흐름)을 갖춘 방열판은 최고의 방열을 제공합니다.
방열판은 장치가 지정된 권장 작동 온도보다 낮은 접합 온도에서 유지하도록 지원합니다. 방열판을 사용하면 장치에서 열이 다이 접합부에서 케이스로, 케이스에서 방열판으로, 그리고 마지막으로 방열판에서 주변 공기로 흐릅니다. 전반적인 열 저항을 줄이는 것이 목표이기 때문에 설계자는 열 회로 모델 및 방정식을 사용하여 열 저항을 계산하여 장치가 열 관리를 위해 방열판이 필요한지 여부를 결정할 수 있습니다. 이러한 열 회로 모델은 Ohm의 법칙을 사용하는 저항 회로와 유사합니다. 그림 1은 패키지 상단을 통한 열 전달 경로를 반영하여 방열판이 있는 장치의 열 회로 모델을 보여줍니다.
그림 1. 열 회로 모델.
표 1은 열 회로 매개변수를 정의합니다. 장치의 열 저항은 그림 1에 표시된 열 회로 모델의 열 저항 합계에 따라 달라집니다.
표 1. 열 회로 매개변수
매개 변수 |
이름 |
단위 |
설명 |
---|---|---|---|
을JA |
접합-주변 열 저항 |
O C/W |
데이터 시트에 지정됨 |
으로JC |
접합 대 케이스 열 저항 |
O C/W |
데이터 시트에 지정됨 |
을CS |
케이스 투 히트싱크 열 저항 |
O C/W |
열 인터페이스 재료 열 저항 |
을CA |
케이스 투 앰비언트 열 저항 |
O C/W |
|
을SA |
방열판에서 주변 열 저항까지 |
O C/W |
방열판 제조업체가 지정한 |
TJ |
접합 온도 |
O C |
장치의 권장 작동 조건에 따라 지정된 접합 온도 |
TJMAX |
최대 접합 온도 |
O C |
장치의 권장 작동 조건에 따라 지정된 최대 접합 온도 |
TA |
주변 온도 |
O C |
구성 요소 근처의 로컬 주변 공기 온도 |
TS |
방열판 온도 |
O C |
|
TC |
장치 케이스 온도 |
O C |
|
P |
전원 |
W |
작동 장치의 총 전력. 방열판 선택 시 예상 값을 사용하십시오. |
열 저항
유한 요소 모델은 패키지 장치의 열 저항을 예측하는 데 사용되었으며, 그 값은 Stratix II 장치 핸드북에 제공된 열 저항 값과 밀접하게 일치합니다. 표 2는 방열판이 있는 장치의 열 저항 방정식을 보여줍니다.
표 2. 장치 열 방정식
방열판 사용량 결정
방열판의 필요성을 결정하기 위해 설계자는 다음 방정식을 사용하여 접합 온도를 계산할 수 있습니다.
TJ = TA + P × 을
계산된 접합 온도(TJ)가 지정된 최대 허용 접합 온도(TJMAX)를 초과하는 경우 외부 열 솔루션(방열판, 추가된 공기 흐름 또는 둘 다)이 필요합니다. 위의 표 2에서 방정식 재작업:
재발견자 = 으로, 을JC + 5CS + 을SA = ( TJMAX - TA) / P
을 SA = (TJMAX - TA) / P - 을JC - 을CS
방열판의 필요성을 결정하는 예
다음 절차는 방열판이 필요한지 여부를 결정하는 데 사용할 수 있는 방법을 제공합니다. 이 예에서는 EP2S180F1508 Stratix II 장치를 사용하며, 아래의 조건은 표 3에 나와 있습니다.
표 3. 작동 조건
1. 접합 온도 방정식을 사용하여 나열된 작동 조건 하에서 접합 온도를 계산합니다: TJ = TA + P × 50+ 20 × 4.7 = 144 °C
144°C의 접합 온도는 지정된 최대 접합 온도 85°C보다 높기 때문에 적절한 작동을 보장하기 위해서는 방열판이 절대적으로 필요합니다.
2. 방열판에서 주변까지의 방정식(일반적인 열 인터페이스 재료의 경우 0.1°C/W의 1°CS)을 사용하여 필요한 방열판에서 주변까지의 열 저항을 계산합니다.
3. 1.52 °C/W의 열 저항 요구 사항을 충족하는 방열판을 선택하십시오. 방열판도 장치에 물리적으로 적합해야 합니다. 인텔 FPGA 여러 공급업체의 방열판을 검토하고 이 예시에서 Alpha Novatech(Z40-12.7B)의 방열판을 참조합니다.
분당 400피트의 공기 흐름에서 Z40-12.7B의 열 저항은 1.35°C/W입니다. 따라서 이 방열판은 게시된 열저항 ºSA가 필요한 1.52°C/W보다 적기 때문에 작동합니다.
이 방열판 사용 및 재확인:
81.6°C는 지정된 최대 접합 온도 85°C 미만이며 Z40-12.7B 방열판 솔루션이 작동하는지 확인합니다.
방열판 평가
방열판 공급업체가 제공하는 방열판 열 저항의 정확성은 적절한 방열판을 선택하는 데 매우 중요합니다. 인텔 FPGA 유한 요소 모델과 실제 측정을 모두 사용하여 공급업체가 제공한 데이터가 정확한지 확인합니다.
유한 엘리먼트 모델
유한 엘리먼트 모델은 패키지에 방열판이 있는 응용 프로그램을 나타냅니다. 인텔 FPGA 4개의 인텔 FPGA 장치를 사용하여 Alpha Novatech의 방열판 2개에서 열 저항을 테스트했습니다. 표 4는 모델이 예측한 열 저항과 공급업체의 데이터시트에서 계산한 열 저항이 근접한 일치임을 보여줍니다.
표 4. 분당 400 피트 공기 흐름
측정
열 저항은 JEDEC 표준 JESD51-6에 따라 측정됩니다. 인텔 FPGA 알파 노바텍의 다음 방열판의 열 저항을 측정했습니다: UB35-25B, UB35-20B, Z35-12.7B 및 Z40-6.3B. 이러한 방열판에 대한 자세한 정보는 Alpha Novatech 웹사이트(https://www.alphanovatech.com/en/index.html)에서 확인할 수 있습니다. 이러한 방열판에는 사전 부착된 열 테이프(Chomerics T412)가 포함되어 있습니다.
4개의 인텔 FPGA 장치는 표 5에 표시된 방열판을 측정하는 데 사용되었으며, 이는 얻은 측정값과 공급업체의 데이터시트에서 얻은 열 저항 간의 좋은 상관 관계를 보여줍니다.
표 5. 분당 400 피트 공기 흐름
그림 2의 다음 그래프는 을 통해 공기 흐름 속도가 능률에 미치는 영향을 보여줍니다.
그림 2. 을 통해 공기 흐름 속도의 효과를 확인하십시오.
열 인터페이스 재질
열 인터페이스 재료(TIM)는 패키지 표면에 방열판을 부착하는 데 사용되는 매체입니다. 패키지에서 방열판까지 최소한의 열 저항 경로를 제공하는 기능입니다. 다음 섹션에서는 TIM의 주요 범주에 대해 설명합니다.
그리스
히트 싱크를 패키지에 결합하는 데 사용되는 그리스는 다양한 필러를 포함하는 실리콘 또는 탄화수소 오일입니다. 그리스는 가장 오래된 종류의 재료이며 방열판을 부착하는 데 가장 널리 사용되는 재료입니다.
표 6. 윤활제
젤
젤은 최근에 개발된 TIM입니다. 젤은 그리스처럼 분배된 다음 부분적으로 교차 연결된 구조로 경화되어 펌프 아웃 문제가 제거됩니다.
표 7. 젤
열전도성 접착제
열전도성 접착제는 일반적으로 필러를 포함하는 에폭시 또는 실리콘 기반 제형으로 우수한 기계적 결합을 제공합니다.
표 8. 열전도성 접착제
열 테이프
열 테이프는 폴리이미드 필름, 유리섬유 매트 또는 알루미늄 호일과 같은 지원 매트릭스에 코팅된 충진 압력 민감 접착제(PSA)입니다.
표 9. 열 테이프
엘라스토메릭 패드
Elastomeric 패드는 취급하기 쉬운 고형물 형태로 중합된 실리콘 고무입니다. 일반적인 두께가 0.25mm인 대부분의 패드는 짠 유리섬유 캐리어를 통합하여 취급을 개선하고 그리스와 마찬가지로 거동 필러를 포함합니다. 다이 컷이 응용 프로그램에 필요한 정확한 모양으로 수행됨에 따라 제공됩니다.
표 10. 엘라스토메릭 패드
위상 변경 자료
위상 변경 재료는 일반적으로 50~80°C 범위에서 녹는 저온 열가소성 접착제(주로 왁스)입니다. 용융점 위에서 작동할 때는 접착제로 효과적이지 않으며 기계적 지원이 필요하므로 항상 약 300kPa의 압력을 가하는 클램프와 함께 사용됩니다.
표 11. 위상 변경 자료
방열판 공급업체
다음은 방열판 공급업체 목록입니다.
- Alpha Novatech(www.alphanovatech.com)
- Malico Inc.(www.malico.com.tw)
- Aavid Thermalloy(www.aavidthermalloy.com)
- Wakefield 열 솔루션(www.wakefield.com)
- Radian 방열판(www.radianheatsinks.com)
- Cool Innovations(www.coolinnovations.com)
- Heat Technology, Inc.(www.heattechnologiesinc.com)
열 인터페이스 재료 공급업체
다음은 열 인터페이스 재료 공급업체 목록입니다.
- Shin-Etsu MicroSi(www.microsi.com)
- Lord Corporation(www.lord.com)
- Thermagon Inc.(www.thermagon.com)
- Chomerics(www.chomerics.com)
- 헨켈 (www.henkel-adhesives.com)
이 페이지의 콘텐츠는 원본 영어 콘텐츠에 대한 사람 번역 및 컴퓨터 번역의 조합으로 완성되었습니다. 이 콘텐츠는 편의와 일반적인 정보 제공을 위해서만 제공되었으며, 완전하거나 정확한 것으로 간주되어선 안 됩니다. 이 페이지의 영어 버전과 번역 간 모순이 있는 경우, 영어 버전이 우선적으로 적용됩니다. 이 페이지의 영어 버전을 확인하십시오.