Sveobuhvatni pregled FPGA termičkog dizajna

    Da bi bilo koji čip radio, mora zadovoljiti temperaturni raspon. Ova temperatura se odnosi na temperaturu na silikonskom čipu, koja se obično naziva temperaturom spoja.
ALTERA-in FPGA je podijeljen u dva tipa: komercijalni (komercijalni) i industrijski (induatrijalni). Raspon temperature spoja čipova komercijalnog kvaliteta koji mogu normalno raditi je 0~85 stepeni Celzijusa, dok je raspon industrijskih čipova -40~100 stepeni Celzijusa. U stvarnom krugu, moramo osigurati da je temperatura spoja čipa unutar prihvatljivog raspona.

Kako se potrošnja energije čipa povećava, tokom rada će se stvarati sve više topline. Ako želite održavati temperaturu spoja čipa unutar normalnog raspona, morate poduzeti određene metode kako biste brzo raspršili toplinu koju generira čip u okolinu.
Svako ko je studirao fiziku u srednjoj školi zna da postoje tri glavne metode prijenosa topline, a to su provodljivost, konvekcija i zračenje, a ove metode koriste i čipovi za odvođenje topline prema van.
Slika ispod prikazuje pojednostavljeni model odvođenja topline čipa. Toplina koju generiše čip na slici uglavnom se prenosi na spoljašnji paket čipa. Ako nema pričvršćen hladnjak, on će se direktno raspršiti iz kućišta čipa u okolinu; ako se doda hladnjak, toplina će se prenositi sa vanjskog pakovanja čipa kroz ljepilo za hladnjak. na hladnjak, a zatim u okolinu kroz hladnjak. Uopšteno govoreći, površina hladnjaka je napravljena prilično velika, a površina kontakta sa vazduhom je velika, što pogoduje prenosu toplote. U uobičajenoj praksi je utvrđeno da je većina hladnjaka crna, jer crni predmeti lako zrače toplinu prema van, što je također pogodno za vanjske disipacije topline. I što je veća brzina vjetra na površini hladnjaka, to je bolje rasipanje topline.

Pojednostavljeni model toplotnog toka čipa
Pored toga, mala količina toplote se vodi do kuglica za lemljenje čipa kroz podlogu čipa, a zatim raspršuje toplotu u okolinu kroz PCB. Budući da je udio ovog dijela topline relativno mali, ovaj dio se zanemaruje kada se u nastavku raspravlja o toplinskoj otpornosti paketa čipa i hladnjaka.

Prije svega, moramo razumjeti koncept „toplinskog otpora“. Toplotni otpor opisuje sposobnost objekta da provodi toplinu. Što je toplinski otpor manji, to je bolja toplinska provodljivost i obrnuto. Ovo je donekle slično konceptu otpora.

Iz termičke otpornosti silicijumskog čipa čipa na okolinu, pod pretpostavkom da se sva toplota konačno raspršuje u okolinu pomoću hladnjaka, može se dobiti jednostavan model toplotne otpornosti, kao što je prikazano na slici ispod:

Model za hlađenje čipova sa hladnjakom
Ukupni toplotni otpor od matrice prema ambijentu naziva se JA, tako da zadovoljava:
JA{0}}JC plus CS plus SA
JC se odnosi na termičku otpornost od čipa do vanjskog pakovanja, koju općenito obezbjeđuje dobavljač čipa; CS se odnosi na termičku otpornost od vanjskog pakovanja čipa do hladnjaka. Ako je hladnjak pričvršćen na površinu čipa termoprovodljivim ljepilom, ovaj toplinski otpor vodi termički ljepilo. Toplinsku otpornost generalno obezbeđuje dobavljač toplotno provodljivog lepka; SA se odnosi na termičku otpornost hladnjaka prema okolini, koju općenito daje proizvođač hladnjaka. Ovaj toplotni otpor opada sa povećanjem brzine vetra, a proizvođač obično daje vrednosti toplotnog otpora pri različitim brzinama vetra.
Sam paket čipa djeluje kao hladnjak. Ako čip nema hladnjak, JA je termička otpornost silikonskog čipa na okolinu nakon pakovanja. Ova vrijednost je očigledno veća od JA vrijednosti sa hladnjakom. Ova vrijednost ovisi o karakteristikama pakovanja samog čipa, a općenito je osigurava proizvođač čipa.
Slika ispod prikazuje termičku otpornost pakovanja za ALTERIN STRATIX IV uređaj. Daje JA vrijednost čipa pri različitim brzinama vjetra, a te vrijednosti se mogu koristiti za izračunavanje situacije bez hladnjaka. Dodatno, JC se koristi za izračunavanje ukupne JA vrijednosti sa hladnjakom.

Termička otpornost paketa uređaja Stratix iv
Uz pretpostavku da je snaga koju troši silikonski čip P, tada:
TJ(temperatura spoja)=TA plus P*JA
Potrebno je osigurati da TJ ne može premašiti maksimalnu temperaturu spoja koju dozvoljava čip, a zatim izračunati maksimalno dozvoljeni zahtjev za JA prema temperaturi okoline i stvarnoj snazi ​​koju čip troši.
JMax=(TJMax - TA)/P TA(temperatura okoline)
Ako je JA samog paketa čipa veći od ove vrijednosti, potrebno je razmotriti dodavanje odgovarajućeg uređaja za rasipanje topline na čip kako bi se smanjila efektivna vrijednost JA iz čipa u okolinu i spriječilo pregrijavanje čipa.
U stvarnom sistemu, dio topline će se također raspršiti sa PCB-a. Ako PCB ima mnogo slojeva i veliku površinu, to je također vrlo pogodno za rasipanje topline.