热量管理
随着 IC 制造几何尺寸缩小到 90 纳米及以下且 FPGA 密度增加，管理功耗成为 FPGA 设计中的一个重要因素。虽然功耗在传统上是大多数 FPGA 设计中第三或第四关注点，如今设计组面临的困境是如何在不超过功耗预算的情况下，提供市场所需的所有功能。一个设备的功耗越高，其产生的热量就越多。必须消散这些热量，以保持运行温度在规范之内。
热量管理是 90 纳米 Stratix® II 设备的一个重要设计考虑因素。英特尔® FPGA 设备封装旨在最大程度地降低热阻和提高功率耗散。某些应用程序会消耗更多功率，需要外部散热解决方案，包括散热器。
散热
辐射、传导和对流是设备散热的三种方式。PCB 设计使用散热器来改善散热。散热器的热能传递效率是因为散热器和环境空气之间的低热阻。热阻是物质的散热能力的测量水平，或跨不同介质边界的热传递效率。具有大表面积和良好空气流通（气流）的散热器能提供最佳的散热效果。
散热器有助于使设备的结点温度保持在其规定的推荐运行温度之下。有散热器时，设备的热量从芯片结点流向外壳，然后从外壳流向散热器，最后从散热器流向环境空气。由于目标是减少整体热阻，设计者可以通过使用热电路模型和公式计算热阻来确定一个设备是否需要一个热量管理的散热器。这些热电路模型类似于使用欧姆定律的电阻电路。图 1 显示了一个带有和不带散热器的设备热电路模型，反映了通过封装顶部的热传递路径。
图 1.热电电路模型。
表 1 定义了热电路参数。设备的热阻取决于图 1 所示热电路模型的热阻之和。
表 1.热电路参数
热阻
有限元件模型用来预测封装设备的热阻，其值与《Stratix II 设备手册》中提供的热阻值密切相关。表 2 显示了带有和不带散热器的设备的热阻公式。
表 2.设备热量公式
确定散热器使用
为了确定散热器的必要性，设计者可以用以下公式计算结点温度：
TJ = TA + P × Θ JA
如果计算出的结点温度（TJ）超过规定的最大允许结点温度（TJMAX），则需要一个外部散热解决方案（散热器、增加空气流或两者兼具）。改写上表 2 中的公式：
ΘJA = ΘJC + ΘCS + ΘSA = (TJMAX - TA) / P
ΘSA = (TJMAX - TA) / P - ΘJC - ΘCS
确定散热器必要性的示例
以下步骤提供了一个可以用来确定是否需要散热器的方法。此示例使用 EP2S180F1508 Stratix II 设备，其条件列于表 3：
表 3.操作条件
1.使用结点温度公式，计算所列运行条件下的结点温度：TJ = TA + P × ΘJA = 50 + 20 × 4.7 = 144 °C
结点温度为 144℃，高于规定的最高结点温度 85℃，因此绝对需要一个散热器来保证正常运行。
2.使用散热器到环境的公式（以及典型散热接口材料的 ΘCS 为 0.1 °C/W），计算所需的散热器到环境的热阻：
3.选择一个符合 1.52°C/W 热阻要求的散热器。散热器也必须在物理上适合于设备。英特尔 FPGA 了解了几个供应商的散热器，并在本示例中参考了 Alpha Novatech 的散热器（Z40-12.7B）。
每分钟 400 英尺的气流下，Z40-12.7B 的热阻为 1.35℃/W。因此，该散热器可发挥作用，因为公布的热阻 ΘSA 小于所要求的 1.52°C/W。
使用此散热器，并重新验证：
81.6°C 低于规定的最大结点温度 85°C，验证了 Z40-12.7B 散热器解决方案可以发挥作用。
散热器评估
散热器供应商提供的散热器热阻的准确性对于选择合适的散热器至关重要。英特尔 FPGA 同时使用有限元件模型和实际测量来验证供应商提供的数据是否准确。
有限元件模型
有限元件模型代表了封装含有散热器的应用。英特尔 FPGA 使用 4 个英特尔 FPGA 设备在 Alpha Novatech 的两个散热器上测试热阻。表 4 显示了模型预测的热阻和从供应商数据表中计算出的热阻是接近的。
表 4.每分钟 400 英尺气流下的 ΘJA
测量
热阻是根据 JEDEC 标准 JESD51-6 测量的。英特尔 FPGA 测量了下列 Alpha Novatech 的散热器热阻：UB35-25B、UB35-20B、Z35-12.7B 和 Z40-6.3B。有关这些散热器的详细信息可在 Alpha Novatech 网站 (https://www.alphanovatech.com/en/index.html) 获取。这些散热器包含预装的导热胶带（Chomerics T412）。
4 个英特尔 FPGA 设备用来测量表 5 中的散热器，表明获得的测量结果与从供应商的数据表中获得的热阻之间有很好的关联性。
表 5每分钟 400 英尺气流下的 ΘJA
图 2 的下图显示了空气流速对 ΘJA 的影响。
图 2.空气流速对 ΘJA 的影响。
散热接口材料
散热接口材料（TIM）是将散热器连接在封装表面的介质。它的功能时提供从封装到散热器的最小热阻路径。以下部分介绍了 TIM 的主要类别。
硅脂
用来将散热器与封装粘合在一起的硅脂是一种含有各种填料的硅酮或烃类油。硅脂是最古老的一类材料，也是用于连接散热器最广泛的材料。
表 6.硅脂
凝胶
凝胶是最近开发的一种 TIM。凝胶可以像硅胶硅脂一样涂抹，然后固化为部分交联结构，可解决“喷出”问题。
表 7.凝胶
导热胶粘剂
导热胶粘剂通常是含有填料的环氧树脂或硅酮基配方，可提供高质的机械粘合。
表 8.导热胶粘剂
导热胶带
导热胶带是涂在聚酰亚胺薄膜、玻璃纤维垫或铝箔等支持基体上的填充压敏胶（PSA）。
表 9.导热胶带
弹性垫
弹性垫是聚合的硅橡胶，呈易于处理的固体形式。大多数弹性垫厚度为 0.25 毫米，包含一个编织的玻璃纤维载体以方便操作，并和硅脂一样包含无机填料。它们根据芯片形状切割，具有应用所需的精确形状。
表 10弹性垫
相变材料
相变材料是低温热塑性粘合剂（主要是蜡），通常在 50 至 80℃ 范围内熔化。当在熔点以上操作时，粘合剂不生效且需要机械支持，因此它们总是与施加约 300 千帕压力的夹具一起使用。
表 11。相变材料
散热器供应商
以下是散热器供应商的名单：
- Alpha Novatech (www.alphanovatech.com)
- Malico Inc. (www.malico.com.tw)
- Aavid Thermalloy (www.aavidthermalloy.com)
- Wakefield Thermal Solutions (www.wakefield.com)
- Radian Heatsinks (www.radianheatsinks.com)
- Cool Innovations (www.coolinnovations.com)
- Heat Technology, Inc. (www.heattechnologiesinc.com)
散热接口材料供应商
以下是散热接口材料供应商的名单：
- Shin-Etsu MicroSi (www.microsi.com)
- Lord Corporation (www.lord.com)
- Thermagon Inc. (www.thermagon.com)
- Chomerics (www.chomerics.com)
- Henkel (www.henkel-adhesives.com)