[发明专利]一种基于热电制冷片的FPGA散热装置及其散热方法在审
申请号: | 202111530997.8 | 申请日: | 2021-12-15 |
公开(公告)号: | CN114284222A | 公开(公告)日: | 2022-04-05 |
发明(设计)人: | 向波;朱文松;谢安然;王冰;闵志先;马少春;彭卫;杨露露;王猛 | 申请(专利权)人: | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 |
主分类号: | H01L23/38 | 分类号: | H01L23/38;H01L23/367 |
代理公司: | 合肥市浩智运专利代理事务所(普通合伙) 34124 | 代理人: | 郑浩 |
地址: | 230088 安徽省合*** | 国省代码: | 安徽;34 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 基于 热电 制冷 fpga 散热 装置 及其 方法 | ||
一种基于热电制冷片的FPGA散热装置及其散热方法,属于FPGA芯片散热技术领域,解决热电制冷片用于FPGA芯片散热时存在的热量饱和以及功耗高的问题;本发明通过将平板型散热片紧贴于FPGA芯片上,将四片热电制冷片分布于平板型散热片四角紧密贴放,热电制冷片和电源分别连接三极管的发射极和集电极,FPGA芯片控制信号与三极管的基极相连,根据FPGA芯片温度的高低,FPGA芯片的控制端口产生使能信号控制引三极管的通断,实现热电制冷片的自适应控制,按照两种不同的散热路径工作,避免了热电制冷片存在的热量饱和及功耗高;本发明散热装置简单,成本低,适用于FPGA信号处理板等集成密度高、发热量大、结构紧凑的电路板上的高热流密度元器件的散热。
技术领域
本发明属于FPGA芯片散热技术领域,涉及一种基于热电制冷片的FPGA散热装置及其散热方法,适用于FPGA信号处理板等集成密度高、发热量大、结构紧凑的电路板上的高热流密度元器件的散热。
背景技术
随着5G/6G通信、激光雷达、大数据中心、人工智能技术和边缘计算等行业的兴起和快速发展,高端FPGA的使用价值越来越显而易见。FPGA主要具有以下四个方面的优势:①更大的并行度。FPGA可使多个模块之间同时独立计算,可以实现不同的逻辑功能,而不局限于同时执行相同的功能,且可以使同一任务的不同时段同时执行;②软件可定义。在资源允许范围内,用户可以根据需要定义自己的逻辑电路和功能;③功能可重构。FPGA内部的逻辑可根据需要改变,减少开发成本,投入产出率高。随着摩尔定律的发展,集成电路技术水平朝着更小工艺制程、多功能异质集成方向发展。FPGA芯片的制程工艺也越来越先进,功能也越来越强大。例如FPGA领头羊赛灵思公司于2012年推出了基于28nm半导体制程的Virtex-7FPGA,集成了上亿晶体管。2020年推出的FPGA基于7nm工艺,更是集成了几百亿晶体管,拥有更多的逻辑资源、接口、硬核IP以及DSP资源和更高的带宽。
数字信号处理系统以FPGA为核心,再由数模/模数转换芯片、时钟、驱动、存储、接口和电源等不同种类芯片组成系统。该系统由于具有功能软件可配置,灵活性高,处理能力强等特点,适用于很多信号处理系统。同时,后摩尔时代电子信息装备表现出“集成-集成-再集成”的强烈特点,各种应用对高集成、小型化、轻量化的需求迅速增加,系统的电、磁、光、机、热耦合也越来越紧密,由系统高功耗引发的综合因素导致的性能大幅下降问题越来越多,系统的高功耗问题逐渐凸显为电子封装领域的主要问题。例如,目前Virtex-7 FPGA在上电后的静态功耗为25W左右,当其资源利用率达75%时,其功耗可达50W左右,而现在很多用户更想最大程度利用FPGA资源,功耗会进一步增大。过高的功耗会显著提高芯片温度,过高的温度则会导致芯片运行速度下降,运行不稳定等情况出现,直至最终芯片物理失效。
目前解决散热问题的主要方式是风冷,其具有结构简单、价格低廉、安全可靠、技术成熟等特点。但是随着小型化的迅速发展,其散热能力已难以匹配如今高热流密度封装器件的散热需求。例如,在FPGA芯片上电工作后,在风扇散热工作的情况下,有时也需要停止FPGA工作。此外,风扇散热还存在有噪音、风扇有寿命等限制。
液冷较风冷具有更高的散热能力,其物理形态也开发的较多,如热管广泛用于机箱散热和大的整机系统散热,散热能力很强。但是热管会因制造材料、工艺、管内洁净度等问题导致使用一段时间后传热性能下降。此外,对于封装级和芯片级散热而言,热管显得较为庞大,不利于小型化和高集成的趋势。
基于液冷的嵌入式微流道散热技术是超高热流密度高效散热的选择,也适合微系统级和芯片级散热,但是微流道散热技术仍有较多技术瓶颈需要解决:①尺度较小易受颗粒阻塞,目前没有很好地解决途径;②系统供液装置过大,液冷源需要小型化;③防冻液低温下流阻大,对金属具有腐蚀性,需要解决减阻和溶液更换问题;④硅基微流道散热能力强,但脆性大,结构可靠性差。
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