在FPGA設(shè)計(jì)中利用喇叭狀針鰭散熱器來提升散熱效果

在FPGA設(shè)計(jì)中利用喇叭狀針鰭散熱器來提升散熱效果近年來，尖端FPGA的功能快速發(fā)展到了前所未有的高度。但不幸的是，功能方面的快速發(fā)展也隨之加大了對(duì)散熱的需求。因此，設(shè)計(jì)人員需要更高效的散熱片來為集成電路提供足夠的降溫需求。為了滿足上述需求，熱管理供應(yīng)商推出了多種可提供給定容量下更強(qiáng)降溫效果的高性能散熱片設(shè)計(jì)方案。喇叭狀針鰭散熱器就是近年來推出的比較重要的技術(shù)之一。這種散熱器最初設(shè)計(jì)用于FPGA降溫，其具有的某些特性使之特別適用于普通FPGA環(huán)境。更好的降溫和氣流管理喇叭狀針鰭散熱片置有一系列圓柱形引腳。如圖1所示，這些引腳作為散熱片的鰭片，呈外傾狀排列。由于其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)，喇叭狀針鰭散熱片根據(jù)中低速氣流環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，其能在這種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)前所未有的降溫效果。該類散熱片的材質(zhì)可采用銅或鋁，占位面積為0.54×0.54英寸到2.05×2.05英寸不等，高度在不到半英寸至剛超過一英寸之間。這種大小可以滿足各種尺寸FPGA的要求。喇叭狀針鰭散熱片是對(duì)傳統(tǒng)散熱器的一種衍生發(fā)展，傳統(tǒng)的鰭片呈垂直狀排列（見圖2）。為了解喇叭狀針鰭散熱片的降溫特點(diǎn)，我們應(yīng)該先了解一下傳統(tǒng)散熱器的降溫屬性。傳統(tǒng)散熱片的降溫性能也很出色，主要體現(xiàn)為熱阻較低。熱阻值單位為℃/W，用于測(cè)量器件每瓦特功率消耗致使溫度上升的攝氏度數(shù)（高于周圍溫度）。傳統(tǒng)針鰭散熱片的低熱阻主要得益于下列幾種特性：圓柱形引腳、引腳陣列的全向結(jié)構(gòu)及其較大的表面積，以及基座和引腳的高導(dǎo)熱性等，這些都有助于提高散熱片的性能。圓柱形引腳相對(duì)于正方形或長(zhǎng)方形鰭片而言對(duì)氣流的阻力較低，再加上引腳陣列的全向結(jié)構(gòu)，都有助于周圍氣流方便地進(jìn)出引腳陣列。氣流撞擊圓柱形引腳會(huì)引起湍流，進(jìn)而增強(qiáng)氣流。受較低的氣流阻力以及引腳陣列中的湍流影響，散熱片的較大表面積都能暴露于大量氣流之中。用于制造針鰭散熱片的高導(dǎo)性合金也有助于提高性能。傳統(tǒng)和喇叭狀鰭片的鑄造工藝都使用了AL1100和CDA110合金，其熱導(dǎo)性較高于其他類型散熱片所用的合金。通過增加了引腳之間的間距，喇叭狀鰭片較傳統(tǒng)翼形引腳而言將降溫性能又提高了一步。要想了解增加間距對(duì)散熱片性能所產(chǎn)生的影響，我們必須考慮到散熱片設(shè)計(jì)本身存在的散熱片面積與引腳密度之間的沖突問題。要實(shí)現(xiàn)顯著的降溫效果，那么散熱片必須有足夠的表面面積，否則，如果表面積過小，散熱片就不能散發(fā)掉足夠的熱量。同時(shí)，如果散熱片表面積越大（其包含的引腳就越多），也就越難讓周圍氣流進(jìn)入引腳陣列。不幸的是，如果散熱片不能充分暴露于周圍氣流，則不管其表面積多大，都不能有效散熱。擴(kuò)大引腳間距使空氣能更方便地流通。要讓空氣通過散熱片的速度與空氣進(jìn)入散熱片的速度接近。通過使引腳排列更加緊密來增大表面積，可以提高散熱片的降溫性能。但是，這樣做又會(huì)阻礙氣流，從而降低散熱性能。這是供應(yīng)商在設(shè)計(jì)垂直引腳散熱片時(shí)必然要面臨的內(nèi)在矛盾。但是，通過讓引腳向外彎曲，喇叭狀引腳有效地克服了表面積與引腳密度之間的矛盾。這種方法在給定的面積下大幅增加了引腳之間的間距。因此，周圍氣流可更加方便地進(jìn)出引腳陣列。散熱片的表面暴露于流速更快的空氣中，散熱量也因之得以大幅增加。這種改進(jìn)在氣流速度較低時(shí)尤其明顯，因?yàn)闅饬魉俣仍铰?，周圍空氣進(jìn)入散熱片引腳陣列就越困難。因此，喇叭狀引腳散熱片在低氣流速度的環(huán)境最為適用。較低的壓降是喇叭狀引腳設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。擴(kuò)大引腳之間的間距可使空氣更方便地通過散熱片，相對(duì)于引腳間距較小的散熱片，也讓空氣流出散熱片的速度更接近于空氣進(jìn)入散熱片的速度。壓降影響對(duì)包含大量散熱片和其他元件的板尤其重要，壓降較低就能為風(fēng)扇提供更多氣流讓器件降溫。我們通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來說明設(shè)計(jì)人員采用喇叭狀引腳設(shè)計(jì)所能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)將在占位面積、高度、引腳數(shù)量、表面積和金屬材質(zhì)相同的條件下比較喇叭狀和傳統(tǒng)鰭片引腳的散熱性能。我們從結(jié)果中可以得出這樣重要的一點(diǎn)信息，即傳統(tǒng)的鰭片引腳本身也很強(qiáng)大，也是目前可用的最高效的散熱技術(shù)之一。實(shí)驗(yàn)一：冷卻單個(gè)高級(jí)FPGA給定FPGA的熱量或功耗耗散與FPGA門的數(shù)量成正比。通常，F(xiàn)PGA門的數(shù)量越多，散熱就越多。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們選用了封裝面積為42.5mm2、散熱功率為30W的高級(jí)FPGA。首先，我們就該FPGA采用傳統(tǒng)的鰭片引腳散熱片，并收集溫度測(cè)量結(jié)果了確定散熱片的熱阻。然后我們選用喇叭狀散熱片，重復(fù)測(cè)量過程并再次計(jì)算熱阻。上述兩種散熱片的占位面積均為2.05×2.05英寸，高度為0.6英寸并使用了高導(dǎo)性AL1100鋁合金。我們將實(shí)驗(yàn)運(yùn)行三次，每次都用不同的氣流速度。第一次，進(jìn)氣流速度為適中的400每分鐘直線英尺（LFM）;第二次，氣流速度降為200LFM（空氣流速較低）;而第三次，我們將氣流速度降為100LFM（氣流速度極低）。表1給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們看到，喇叭狀引腳和傳統(tǒng)鰭片引腳的降溫性能都非常出色。不過，轉(zhuǎn)用喇叭狀設(shè)計(jì)之后，低氣流速度環(huán)境下的性能得到了大幅提升。400LFM情況下，喇叭狀散熱片的性能僅略高于傳統(tǒng)引腳，200LFM情況下高出14%，而100LFM情況下熱阻則大幅下降了24%。上述結(jié)果充分顯示了喇叭狀引腳設(shè)計(jì)在低氣流速度下所具有的突出優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)二：對(duì)多個(gè)FPGA的降溫包含大量器件的板相對(duì)于單FPGA板而言所面臨的降溫挑戰(zhàn)更加復(fù)雜。這是因?yàn)?，在多器件情況下，板上的多個(gè)器件要共享周圍氣流。在給多個(gè)高熱量FPGA降溫時(shí)，設(shè)計(jì)工程師不僅要考慮散熱片的熱阻問題，還要考慮每個(gè)散熱片的壓降。壓降越低，對(duì)遠(yuǎn)離氣流源的器件進(jìn)行降溫所需的空氣就越多。由于空氣進(jìn)出引腳陣列的空間更大，喇叭狀散熱片的壓降較低于垂直結(jié)構(gòu)的散熱片。為了說明喇叭狀引腳在多FPGA環(huán)境中的低壓降和增強(qiáng)降溫效果的雙重優(yōu)勢(shì)，我們可進(jìn)行一項(xiàng)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，讓相同的FPGA使用三個(gè)散熱片，排成一列放在風(fēng)扇后面。風(fēng)扇提供一定的氣流，我們隨后測(cè)量溫度，確定散熱片的熱阻。每個(gè)FPGA的功耗都是30W。我們將實(shí)驗(yàn)運(yùn)行兩次，一次采用3個(gè)傳統(tǒng)鰭片引腳散熱片，一次采用3個(gè)喇叭狀引腳散熱片。我們使用的散熱片面積為2.05×2.05英寸，高度為1.1英寸，在自由氣流環(huán)境下提供的風(fēng)扇風(fēng)速為400LFM。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，就使用多個(gè)散熱片的板而言，采用喇叭狀引腳會(huì)帶來巨大優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)證明，在使用喇叭狀散熱片的情況下，第二和第三個(gè)器件的熱阻下降了26%~29%。這一性能優(yōu)勢(shì)要?dú)w功于散熱片的低熱阻以及低壓降。展望未來尖端FPGA的散熱量不斷增加，在此情況下，設(shè)計(jì)人員希望散熱片能夠提供更強(qiáng)的降溫性能。在某些情況下，無源散熱片本身將難以滿足散熱要求，設(shè)計(jì)人員必須采用有源散熱片解決方案，例如使用風(fēng)扇散熱，在散熱片上直接加裝風(fēng)扇等。熱管理廠商今后將越來越多地推出風(fēng)扇散熱解決方案。在極高效的針鰭散熱片中嵌入風(fēng)扇這種集成解決方案就是新型高性能風(fēng)扇散熱的示例之一（圖