IC のプロセスが 90nm 以下になり、FPGA の集積度が向上するにつれて、電力の管理が重要になってきています。設計者は、市場が要求するすべての機能を低消費電力でどのように提供するかという問題を抱えています。多くの FPGA デザインでは、電力は 3 番目または 4 番目に重要な問題とされてきましたが、今日の 90nm 以下のデザインではとても重要な検討事項です。デバイスの消費電力が増加するにつれて、発生する熱も増加します。この熱を放逸させ、動作温度を仕様の範囲内に維持する必要があります。
熱管理は、90nm Stratix® II デバイスにとって、重要なデザイン上の検討事項です。アルテラのデバイス・パッケージは、熱抵抗を最小限に抑えて最大の許容損失が得られるように設計されています。アプリケーションによってはさらに多く電力を放逸するものもあり、このようなアプリケーションにはヒート・シンクなどの外部熱対策が必要です。
熱放逸
デバイスから熱を放逸させる方法には、放射、伝導、および対流の 3 つがあります。PCB デザインでは、ヒート・シンクを使用して熱放逸を改善しています。ヒート・シンクの熱エネルギー伝送能力は、ヒート・シンクと周囲空気間の熱抵抗が小さいことに起因します。熱抵抗は物質の熱放逸能力の尺度であり、熱放逸能力とは熱を異種媒体間の境界を越えて伝達する能力のことです。表面積が大きく空気循環（空気流）の良好なヒート・シンクから最良の熱放逸が得られます。
ヒート・シンクは、デバイスの接合温度を規定推奨動作温度以下に維持するのに役立ちます。ヒートシンクを使用すると、デバイスからの熱がダイの接合部からケースに、ケースからヒート・シンクに流れ、最後にヒート・シンクから周囲空気に放出されます。目標はデバイス全体の熱抵抗を低減することなので、設計者は熱回路モデルと計算式を使用して熱抵抗を算出することによって、デバイスの温度管理のためにヒート・シンクが必要かどうかを判断することができます。これらの熱回路モデルは、オームの法則を使用した抵抗回路に類似しています。図 1 に、ヒート・シンク付きデバイスとヒート・シンクなしデバイスの熱回路モデル、およびパッケージの上部を通る熱伝導パスも示します。
図1 熱回路モデル
表 1 は熱回路のパラメータを定義します。デバイスの熱抵抗は、図 1 に示す熱回路モデルから算出された熱抵抗値の合計によって決まります。
| 表 1. 熱回路のパラメータ | |||
| パラメータ | 名称 | 単位 | 説明 |
| ΘJA | 接合部から周囲空気までの熱抵抗 | oC/W | データ・シートに規定 |
| ΘJC | 接合部からケースまでの熱抵抗 | oC/W |
データ・シートに規定 |
| ΘCS | ケースからヒート・シンクまでの熱抵抗 | oC/W | サーマル・インタフェース・マテリアルの熱抵抗 |
| ΘCA | ケースから周囲空気までの熱抵抗 | oC/W |
|
| ΘSA | ヒート・シンクから周囲空気までの熱抵抗 | oC/W | ヒート・シンク・メーカによって規定 |
| TJ | 接合温度 | oC | デバイスの推奨動作条件に基づいて規定された接合温度 |
| TJMAX | 最大接合温度 | oC | デバイスの推奨動作条件に基づいて規定された最大接合温度 |
| TA | 周囲温度 | oC | コンポーネント周辺の局所周囲空気の温度 |
| TS | ヒート・シンクの温度 | oC |
|
| TC | デバイス・ケースの温度 | oC |
|
| P | 消費電力 | W | 動作しているデバイスの合計消費電力。 この見積り値を使用して、ヒート・シンクを選択する。 |
熱抵抗
かつては有限要素モデルを使用してパッケージ・デバイスの熱抵抗を予測していました。アルテラ Web サイト（www.altera.com）で提供されている Stratix II Device Handbook に規定される熱抵抗値は、この熱抵抗値とほぼ一致します。 表 2 に、ヒート・シンク付きデバイスとヒート・シンクなしデバイスの熱抵抗計算式を示します。
| 表 2. デバイスの熱計算式 | |
| デバイス | 計算式 |
| ヒート・シンクなし | ΘJA = ΘJC + ΘCA = (TJ - TA) / P |
| ヒート・シンク付き | ΘJA = ΘJC +ΘCS +ΘSA = (TJ - TA) / P |
ヒート・シンク使用の判断
設計者は、以下の計算式を使用して接合温度を算出することにより、ヒートシンクの必要性を判断することができます。
TJ = TA + P × Θ JA
算出された接合温度（TJ）が規定最大許容接合温度（TJmax）を超える場合、外部熱対策（ヒート・シンクまたは追加空気流、あるいはその両方）が必要です。 この場合、上記表 2 の計算式を修正すると、以下のようになります。
ΘJA = ΘJC + ΘCS + ΘSA = (TJMAX - TA) / P
ΘSA = (TJMAX - TA) / P - ΘJC - ΘCS
ヒート・シンクの必要性の判断例
以下の手順は、ヒート・シンクが必要かどうかを判断するために使用できる方法を示します。この例は、下記表 3 に示す条件でStratix II EP2S180F1508 デバイスを使用します。
| 表 3. 動作条件 | |
| パラメータ |
値
|
| 電力 |
20 W
|
| 最大 TA |
50oC |
| 最大 TJ |
85oC |
| 空気流量 |
400 feet / 分 |
| 空気流量を 400 feet / 分とした場合のΘJA |
4.7oC/W |
| ΘJC |
0.13oC/W |
- 接合温度計算式を使用して、記載された動作条件での接合温度を計算します。
TJ = TA + P × ΘJA = 50 + 20 × 4.7 = 144 °C
接合温度 144 °C は規定最大接合温度 85 °C より高いため、正しい動作を保証するために必ずヒート・シンクが必要です。
- 2. ヒート・シンクから周囲空気までの計算式（およびΘCSに標準的なインタフェース・マテリアルに対する値 0.1 °C/Wを使用）を使用して、所要のヒート・シンクから周囲空気までの熱抵抗を計算します。
ΘSA = (TJmax -TA) / P -ΘJC - ΘCS= (85 -50) / 20 - 0.13 - 0.1 = 1.52 °C/W - 熱抵抗要求値 1.52 °C/W に適合するヒート・シンクを選択します。ヒート・シンクは物理的にもデバイスに適合するものでなければなりません。アルテラはサプライヤ数社のヒート・シンクを検討した結果、この例には Alpha Novatech 製ヒート・シンク（Z40-12.7B）を使用しています。
400 feet / 分の空気流量での Z40-12.7B の熱抵抗は1.35 °C/W です。 したがって、公表された熱抵抗 ΘSA は要求値 1.52 °C/W 未満なので、このヒート・シンクは有効であると考えられます。
このヒート・シンクを使用して、再検証すると次のようになります。
TJ = TA + P × ΘJA
= TA + P × (ΘJC + ΘCS + ΘSA) = 50 + 20 × (0.13 + 0.1 + 1.35) = 81.6 °C
81.6 °C は指定された最高接合温度 85 °C より低いため、Z40-12.7B ヒートシンク・ソリューションが有効であることが検証されました。
ヒート・シンクの評価
ヒート・シンク・サプライヤから提供されるヒート・シンクの熱抵抗値が正確であることが、適切なヒート・シンクを選択する際に重要です。アルテラは、有限要素モデルと実測値の両方を使用して、ベンダ提供のデータが正確かどうかを検証しています。
有限要素モデル
有限要素モデルは、ヒート・シンクをパッケージに含むアプリケーション例を示します。アルテラは、4 つのアルテラのデバイスを使用して、2 つの Alpha Novatech 製ヒート・シンクについて熱抵抗値をテストしました。表 4 は、モデルで予測した熱抵抗値と、サプライヤのデータ・シートから算出された熱抵抗値がほぼ一致することを示しています。
| 表 4. 400 feet / 分の空気流量での ΘJA | |||
| パッケージ | モデリングのΘJA (oC/W) | データシートのΘJA (oC/W) | |
| 1,020 ピン FineLine BGA® パッケージの EP2S90 デバイス |
2.6
|
2.2
|
|
| Z35-12.7B | 1,020 ピン FineLine BGA パッケージの EP2S180 デバイス |
2.3
|
2.1
|
| Z40-6.3B | 1,020 ピン FineLine BGA パッケージの EP2S90 デバイス |
3.3
|
3
|
| Z40-6.3B | 1,020 ピン FineLine BGA パッケージの EP2S180 デバイス |
3
|
2.8
|
測定値
熱抵抗は JEDEC Standard JESD51-6 に準拠して測定されます。 アルテラは、以下の Alpha Novatech 製ヒート・シンク UB35-25B、UB35-20B、Z35-12.7B、Z40-6.3B の熱抵抗値を測定しました。 上記ヒート・シンクの詳細については、Alpha Novatech Web サイト（www.alphanovatech.com）をご覧ください。 上記ヒート・シンクには、サーマル・テープ（Chomerics T412）があらかじめ貼付されています。
アルテラの 4 つのデバイスを使用して表 5 に示すヒート・シンクを測定した結果、実測値とサプライヤのデータ・シートに記載されている熱抵抗値の間に高い相関性が見られました。
| 表 5. 400 feet / 分の空気流量での ΘJA | ||
| ヒート・シンク | 実際の ΘJA(oC/W) | データシートの 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
|
以下のグラフは、空気流量がΘJAに与える影響を示します。
図 2. 空気流量が ΘJAに与える影響
サーマル・インタフェース・マテリアル
サーマル・インタフェース・マテリアル（TIM）は、ヒート・シンクをパッケージ表面に取り付けるのに使用される媒体です。TIMは、パッケージからヒート・シンクまで、最小となる熱抵抗のパスを提供する働きをします。以下では、TIMについて説明します。
グリース
ヒート・シンクをパッケージに接着するのに使用されるグリースは、シリコン・オイルまたは炭化水素オイルで、各種充填剤を含有しています。グリースは、各種マテリアルのうち最も古くから使用されており、ヒート・シンクを取り付けるのに最も広く使用されています。
| 表 6. グリース | |
| 長所 | 短所 |
| 熱抵抗が小さい
（0.2 ～ 1 oC cm2/W）
|
扱いにくく、粘性が高いために塗りにくい |
| 機械的なクランピングが必要（300 kPa 以内の圧力をかける） | |
| 電源のオン / オフ・サイクルが繰り返されるアプリケーションでは、シリコン・ダイが加熱、冷却されるたびに、ダイとヒート・シンクの間からグリースが押し出される「ポンプアウト」が起こります。その結果、時間が経過するにつれて熱伝導能力が低下し、周辺のコンポーネントを汚染するおそれもあります。 | |
ゲル
ゲルは、最近開発された TIM です。ゲルはグリースと同様に塗布されると、硬化して部分的に架橋構造になります。このためポンプアウトの問題が解消されます。
| 表 7. ゲル | |
| 長所 |
短所 |
| 熱抵抗が小さい (0.4 ～ 0.8 oC cm2/W). |
機械的なクランピングが必要
|
伝熱性接着剤
一般的な伝熱性接着剤は、充填剤を含有する、エポキシまたはシリコン・ベースの調合物で、優れた接着力を持っています。
| 表 8. 伝熱性接着剤 | |
| 長所 |
短所 |
| 熱抵抗が小さい (0.15 ～ 1 oC cm2/W). |
再作業ができない
|
| 機械的なクランピングが不要 | |
サーマル・テープ
サーマル・テープは、ポリイミド・フィルム、ファイバグラス・マット、アルミニウム箔などの支持基材上に充填剤入り感圧接着剤（PSA）を塗布してコーティングしたものです。
|
表 9. サーマル・テープ |
|
| 長所 |
短所 |
| アセンブリが容易 |
熱抵抗が大きい
(1 ～ 4 oC cm2/W). |
| 機械的なクランピングが不要 |
一般に、表面が平坦でないパッケージには適しません。
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エラストマー・パッド
エラストマー・パッドは、扱いやすい固体状の重合シリコン・ゴムです。パッドの標準的な厚さは0.25 mm で、大部分のパッドにはガラス繊維織物が組み込まれていて扱いやすくなっています。さらにこのパッドは、グリースと同様に無機充填剤を含有しています。エラストマー・パッドは、アプリケーションに必要な正確な形状にダイ・カットされて供給されます。
| 表 10. エラストマー・パッド | |
| 長所 |
短所 |
| アセンブリが容易 | 熱抵抗が大きい (1 ～ 3 oC cm2/W). |
|
機械的なクランピングが必要 |
|
| 適切なインタフェースを実現するために、高圧（最大 700 kPa）が必要です。 | |
相変化物質
相変化物質は、通常 50 ～ 80 °C で融解する、低温熱可塑性接着剤（ワックスが主流）です。動作温度が融点を超えると、相変化物質は接着剤としての効力を失い、機械的なサポートが必要になります。このため、相変化物質は常に約 300 kPa を加圧するクランプと一緒に使用されます。
| 表 11. 相変化物質 | ||||
|---|---|---|---|---|
|
長所 |
短所 |
|||
|
熱抵抗 (0.3 ～ 0.7 oC cm2/W). |
再作業が困難 |
|||
| 機械的なクランピングが必要（300 kPa 以内の圧力をかける） | ||||
ヒート・シンクのベンダ
以下はヒート・シンクのベンダのリストです：
- 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.heattechnology.com)
サーマル・インタフェース・マテリアルのベンダ
以下はサーマル・インタフェース・マテリアルのベンダのリストです：
- Shin-Etsu MicroSi (www.microsi.com)
- Lord Corporation (www.lord.com)
- Thermagon Inc. (www.thermagon.com)
- Chomerics (www.chomerics.com)
- The Bergquist Company (www.bergquistcompany.com)
