Komplexný prehľad tepelného dizajnu FPGA

    Aby každý čip fungoval, musí spĺňať teplotný rozsah. Táto teplota sa vzťahuje na teplotu na kremíkovom čipe, ktorá sa zvyčajne nazýva teplota spojenia.
FPGA ALTERA sa delí na dva typy: komerčnú (komerčnú) a priemyselnú (priemyselnú). Rozsah teploty spoja čipov komerčnej kvality, ktoré môžu normálne fungovať, je 0~85 stupňov Celzia, zatiaľ čo rozsah čipov priemyselnej kvality je -40~100 stupňov Celzia. V skutočnom obvode musíme zabezpečiť, aby teplota spoja čipu bola v prijateľnom rozsahu.

So zvyšujúcou sa spotrebou čipu sa bude pri práci vytvárať stále viac tepla. Ak chcete udržať teplotu spoja čipu v normálnom rozsahu, musíte použiť určité metódy na rýchle rozptýlenie tepla generovaného čipom do okolia.
Každý, kto študoval fyziku na strednej škole, vie, že existujú tri hlavné spôsoby prenosu tepla, a to vedenie, prúdenie a žiarenie, a tieto metódy využívajú aj čipy na odvádzanie tepla smerom von.
Na obrázku nižšie je znázornený zjednodušený model odvodu tepla čipu. Teplo generované čipom na obrázku sa prenáša hlavne do vonkajšieho obalu čipu. Ak nie je pripojený žiadny chladič, bude priamo rozptýlený z obalu čipu do prostredia; ak sa pridá chladič, teplo sa bude prenášať z vonkajšieho obalu čipu cez lepidlo chladiča. do chladiča a potom do okolia cez chladič. Všeobecne povedané, povrchová plocha chladiča je pomerne veľká a kontaktná plocha so vzduchom je veľká, čo prispieva k prenosu tepla. V bežnej praxi sa zistilo, že väčšina chladičov je čierna, pretože čierne predmety ľahko vyžarujú teplo von, čo tiež prispieva k rozptylu tepla von. A čím vyššia je rýchlosť vetra na povrchu chladiča, tým lepší je odvod tepla.

Zjednodušený model tepelného toku čipu
Okrem toho sa malé množstvo tepla privádza do spájkovacích guľôčok čipu cez substrát čipu a potom odvádza teplo do okolia cez PCB. Pretože podiel tejto časti tepla je relatívne malý, táto časť sa ignoruje pri diskusii o tepelnom odpore obalu čipu a chladiča nižšie.

V prvom rade musíme pochopiť pojem „tepelný odpor“. Tepelný odpor popisuje schopnosť objektu viesť teplo. Čím menší tepelný odpor, tým lepšia tepelná vodivosť a naopak. Je to trochu podobné konceptu odporu.

Z tepelného odporu kremíkového čipu čipu voči prostrediu, za predpokladu, že všetko teplo je nakoniec rozptýlené do prostredia chladičom, možno získať jednoduchý model tepelného odporu, ako je znázornené na obrázku nižšie:

Model chladenia čipu s chladičom
Celkový tepelný odpor z matrice do okolia sa nazýva JA, takže spĺňa:
JA=JC plus CS plus SA
JC označuje tepelný odpor čipu k vonkajšiemu obalu, ktorý vo všeobecnosti poskytuje dodávateľ čipu; CS označuje tepelný odpor od vonkajšieho obalu čipu k chladiču. Ak je chladič pripevnený k povrchu čipu tepelne vodivým lepidlom, tento tepelný odpor vedie tepelné lepidlo. Tepelný odpor vo všeobecnosti zabezpečuje dodávateľ tepelne vodivého lepidla; SA označuje tepelný odpor chladiča voči okoliu, ktorý vo všeobecnosti udáva výrobca chladiča. Tento tepelný odpor klesá so zvyšujúcou sa rýchlosťou vetra a výrobca zvyčajne uvádza hodnoty tepelného odporu pri rôznych rýchlostiach vetra.
Samotný obal čipu funguje ako chladič. Ak čip nemá chladič, JA je tepelná odolnosť kremíkového čipu voči okoliu po zabalení. Táto hodnota je samozrejme väčšia ako hodnota JA s chladičom. Táto hodnota závisí od vlastností balenia samotného čipu a vo všeobecnosti ju poskytuje výrobca čipu.
Obrázok nižšie zobrazuje tepelný odpor obalu zariadenia STRATIX IV od spoločnosti ALTERA. Udáva hodnotu JA čipu pri rôznych rýchlostiach vetra a tieto hodnoty je možné použiť na výpočet situácie bez chladiča. Okrem toho sa JC používa na výpočet celkovej hodnoty JA s chladičom.

Tepelná odolnosť súprav zariadení Stratix iv
Za predpokladu, že výkon spotrebovaný kremíkovým čipom je P, potom:
TJ(teplota križovatky)=TA plus P*JA
Je potrebné sa uistiť, že TJ nemôže prekročiť maximálnu teplotu spoja povolenú čipom, a potom vypočítať maximálnu povolenú požiadavku na JA podľa teploty okolia a skutočnej energie spotrebovanej čipom.
JAMax=(TJMax – TA)/P TA (teplota okolia)
Ak je JA samotného obalu čipu väčšia ako táto hodnota, je potrebné zvážiť doplnenie čipu o vhodné zariadenie na odvod tepla, aby sa znížila efektívna hodnota JA z čipu do okolia a zabránilo sa prehrievaniu čipu.
V skutočnom systéme sa časť tepla rozptýli aj z PCB. Ak má doska plošných spojov veľa vrstiev a veľkú plochu, je tiež veľmi vhodná na odvod tepla.