Komplexní přehled tepelného návrhu FPGA

    Aby jakýkoli čip fungoval, musí splňovat teplotní rozsah. Tato teplota se vztahuje k teplotě na křemíkovém čipu, která se obvykle nazývá teplota přechodu.
FPGA ALTERA se dělí na dva typy: komerční (komerční) a průmyslovou (induatriální). Rozsah teploty spoje čipů komerční třídy, které mohou normálně fungovat, je 0~85 stupňů Celsia, zatímco rozsah čipů průmyslové kvality je -40~100 stupňů Celsia. Ve skutečném obvodu musíme zajistit, aby teplota přechodu čipu byla v přijatelném rozsahu.

S rostoucí spotřebou čipu bude při práci vznikat stále více tepla. Pokud chcete udržet teplotu přechodu čipu v normálním rozsahu, musíte použít určité metody k rychlému rozptýlení tepla generovaného čipem do okolí.
Každý, kdo studoval fyziku na střední škole, ví, že existují tři hlavní způsoby přenosu tepla, a to vedení, proudění a sálání, a tyto metody využívají také čipy k odvodu tepla ven.
Níže uvedený obrázek ukazuje zjednodušený model odvodu tepla čipu. Teplo generované čipem na obrázku se přenáší hlavně do vnějšího obalu čipu. Pokud není připojen žádný chladič, bude přímo rozptýlen z obalu čipu do prostředí; pokud je přidán chladič, teplo bude přenášeno z vnějšího obalu čipu přes lepidlo chladiče. do chladiče a poté do okolí přes chladič. Obecně řečeno, povrchová plocha chladiče je poměrně velká a kontaktní plocha se vzduchem je velká, což přispívá k přenosu tepla. V běžné praxi bylo zjištěno, že většina chladičů je černá, protože černé předměty snadno vyzařují teplo ven, což také přispívá k rozptylu tepla ven. A čím větší je rychlost větru na povrchu chladiče, tím lepší je odvod tepla.

Zjednodušený model tepelného toku čipu
Kromě toho je malé množství tepla vedeno do pájecích kuliček čipu přes substrát čipu a poté odvádí teplo do okolí prostřednictvím PCB. Vzhledem k tomu, že podíl této části tepla je relativně malý, je tato část ignorována při diskuzi o tepelném odporu pouzdra čipu a chladiče níže.

Nejprve musíme pochopit pojem „tepelný odpor“. Tepelný odpor popisuje schopnost předmětu vést teplo. Čím menší tepelný odpor, tím lepší tepelná vodivost a naopak. To je trochu podobné konceptu odporu.

Z tepelného odporu křemíkového čipu čipu vůči okolí, za předpokladu, že veškeré teplo je nakonec odvedeno do okolí chladičem, lze získat jednoduchý model tepelného odporu, jak je znázorněno na obrázku níže:

Model chlazení čipu s chladičem
Celkový tepelný odpor od matrice k okolí se nazývá JA, takže splňuje:
JA=JC plus CS plus SA
JC označuje tepelný odpor čipu k vnějšímu obalu, který obvykle poskytuje dodavatel čipu; CS označuje tepelný odpor od vnějšího obalu čipu k chladiči. Pokud je chladič připevněn k povrchu čipu tepelně vodivým lepidlem, má tento tepelný odpor vést tepelné lepidlo. Tepelný odpor obecně zajišťuje dodavatel tepelně vodivého lepidla; SA označuje tepelný odpor chladiče vůči okolí, který je obecně udáván výrobcem chladiče. Tento tepelný odpor klesá s rostoucí rychlostí větru a výrobce obvykle uvádí hodnoty tepelného odporu při různých rychlostech větru.
Samotný obal čipu funguje jako chladič. Pokud čip nemá chladič, JA je tepelná odolnost křemíkového čipu vůči okolí po zabalení. Tato hodnota je zjevně větší než hodnota JA s chladičem. Tato hodnota závisí na vlastnostech obalu samotného čipu a obecně ji poskytuje výrobce čipu.
Obrázek níže ukazuje tepelný odpor pouzdra pro zařízení STRATIX IV společnosti ALTERA. Udává hodnotu JA čipu při různých rychlostech větru a tyto hodnoty lze použít k výpočtu situace bez chladiče. Kromě toho se JC používá k výpočtu celkové hodnoty JA s chladičem.

Tepelná odolnost balíčků zařízení Stratix iv
Za předpokladu, že energie spotřebovaná křemíkovým čipem je P, pak:
TJ(teplota křižovatky)=TA plus P*JA
Je nutné se ujistit, že TJ nemůže překročit maximální teplotu přechodu povolenou čipem, a poté vypočítat maximální povolený požadavek na JA podle okolní teploty a skutečného výkonu spotřebovaného čipem.
JAMax=(TJMax – TA)/P TA (okolní teplota)
Pokud je JA samotného obalu čipu větší než tato hodnota, je nutné zvážit doplnění čipu o vhodné zařízení pro odvod tepla, které sníží efektivní hodnotu JA z čipu do okolí a zabrání přehřívání čipu.
Ve skutečném systému se část tepla také rozptýlí z PCB. Pokud má PCB mnoho vrstev a velkou plochu, je to také velmi příznivé pro odvod tepla.