Opsežan pregled FPGA toplinskog dizajna

    Da bi bilo koji čip radio, mora zadovoljiti temperaturni raspon. Ova temperatura odnosi se na temperaturu na silicijskoj čipi, koja se obično naziva temperaturom spoja.
ALTERA-in FPGA je podijeljen u dvije vrste: komercijalni (commercial) i industrijski (induatrial). Raspon temperature spajanja čipova komercijalne kvalitete koji mogu normalno raditi je 0~85 stupnjeva Celzija, dok je raspon čipova industrijske kvalitete -40~100 stupnjeva Celzija. U stvarnom krugu, moramo osigurati da je temperatura spoja čipa unutar prihvatljivog raspona.

Kako se potrošnja energije čipa povećava, sve će se više topline stvarati tijekom rada. Ako želite održavati temperaturu spoja čipa unutar normalnog raspona, trebate poduzeti određene metode za brzo odvođenje topline koju proizvodi čip u okolinu.
Svatko tko je učio fiziku u srednjoj školi zna da postoje tri glavne metode prijenosa topline, naime kondukcija, konvekcija i zračenje, a te metode također koriste čipovi za raspršivanje topline prema van.
Donja slika prikazuje pojednostavljeni model odvođenja topline čipa. Toplina koju stvara čip na slici uglavnom se prenosi na vanjsko pakiranje čipa. Ako nema priključenog hladnjaka, on će se izravno raspršiti iz ljuske paketa čipa u okoliš; ako se doda hladnjak, toplina će se prenositi s vanjskog pakiranja čipa kroz ljepilo za hladnjak. u hladnjak, a zatim u okolinu kroz hladnjak. Općenito govoreći, površina hladnjaka je prilično velika, a kontaktna površina sa zrakom je velika, što pogoduje prijenosu topline. U uobičajenoj praksi utvrđeno je da je većina hladnjaka crna jer crni objekti lako isijavaju toplinu prema van, što također pogoduje širenju topline prema van. I što je veća brzina vjetra na površini hladnjaka, to je bolja disipacija topline.

Pojednostavljeni model toka topline čipa
Osim toga, mala količina topline se provodi do kuglica za lemljenje čipa kroz supstrat čipa, a zatim raspršuje toplinu u okolinu kroz PCB. Budući da je udio ovog dijela topline relativno mali, ovaj se dio zanemaruje kada se u nastavku raspravlja o toplinskom otporu paketa čipa i hladnjaka.

Prije svega, moramo razumjeti koncept "toplinske otpornosti". Toplinski otpor opisuje sposobnost predmeta da provodi toplinu. Što je toplinski otpor manji, toplinska vodljivost je bolja i obrnuto. Ovo je donekle slično konceptu otpora.

Iz toplinskog otpora silikonskog čipa čipa prema okolini, uz pretpostavku da se sva toplina na kraju rasipa u okolinu preko rashladnog tijela, može se dobiti jednostavan model toplinskog otpora, kao što je prikazano na donjoj slici:

Model za hlađenje čipa s hladnjakom
Ukupni toplinski otpor od kalupa do okoline naziva se JA, tako da zadovoljava:
JA=JC plus CS plus SA
JC se odnosi na toplinski otpor od čipa do vanjskog paketa, koji općenito osigurava dobavljač čipa; CS se odnosi na toplinski otpor od vanjskog pakiranja čipa do hladnjaka. Ako je hladnjak pričvršćen na površinu čipa toplinski vodljivim ljepilom, ovaj toplinski otpor vodi toplinsko ljepilo. Toplinsku otpornost općenito osigurava dobavljač toplinski vodljivog ljepila; SA se odnosi na toplinski otpor između hladnjaka i okoline, koji općenito daje proizvođač hladnjaka. Ovaj toplinski otpor opada s povećanjem brzine vjetra, a proizvođač će obično dati vrijednosti toplinskog otpora pri različitim brzinama vjetra.
Paket samog čipa djeluje kao hladnjak. Ako čip nema hladnjak, JA je toplinska otpornost silikonskog čipa prema okolini nakon pakiranja. Ova vrijednost je očito veća od JA vrijednosti s hladnjakom. Ova vrijednost ovisi o karakteristikama paketa samog čipa, a općenito je daje proizvođač čipa.
Donja slika prikazuje toplinski otpor paketa za ALTERA STRATIX IV uređaj. Daje JA vrijednost čipa pri različitim brzinama vjetra, a te se vrijednosti mogu koristiti za izračunavanje situacije bez hladnjaka. Osim toga, JC se koristi za izračunavanje ukupne vrijednosti JA s hladnjakom.

Toplinska 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 dopušta čip, a zatim izračunati maksimalni dopušteni zahtjev za JA prema temperaturi okoline i stvarnoj snazi ​​koju troši čip.
JMax=(TJMax - TA)/P TA(temperatura okoline)
Ako je JA samog paketa čipa veći od ove vrijednosti, potrebno je razmotriti dodavanje odgovarajućeg uređaja za raspršivanje topline na čip kako bi se smanjila efektivna vrijednost JA od čipa do okoline i spriječilo pregrijavanje čipa.
U stvarnom sustavu, dio topline će se također raspršiti iz PCB-a. Ako PCB ima mnogo slojeva i veliku površinu, također je vrlo pogodan za odvođenje topline.