O privire de ansamblu cuprinzătoare asupra designului termic FPGA

    Pentru ca orice cip să funcționeze, acesta trebuie să respecte un interval de temperatură. Această temperatură se referă la temperatura de pe cipul de siliciu, care este de obicei numită temperatura de joncțiune.
FPGA ALTERA este împărțit în două tipuri: grad comercial (comercial) și grad industrial (induatrial). Intervalul de temperatură de joncțiune a cipurilor de calitate comercială care poate funcționa normal este de 0~85 grade Celsius, în timp ce intervalul de cipuri de calitate industrială este de -40~100 de grade Celsius. În circuitul propriu-zis, trebuie să ne asigurăm că temperatura de joncțiune a cipului este în intervalul său acceptabil.

Pe măsură ce consumul de energie al cipului crește, se va genera din ce în ce mai multă căldură în timpul lucrului. Dacă doriți să mențineți temperatura de joncțiune a cipului în intervalul normal, trebuie să luați anumite metode pentru a disipa rapid căldura generată de cip către mediu.
Oricine a studiat fizica la gimnaziu știe că există trei metode principale de transfer de căldură, și anume conducție, convecție și radiație, iar aceste metode sunt folosite și de cipuri pentru a disipa căldura spre exterior.
Figura de mai jos prezintă un model simplificat de disipare a căldurii cipului. Căldura generată de cip din figură este transmisă în principal la pachetul exterior al cipului. Dacă nu există un radiator atașat, acesta va fi disipat direct din carcasa pachetului de cip în mediu; dacă se adaugă un radiator, căldura va fi transmisă din pachetul exterior al cipului prin adezivul radiatorului. la radiatorul și apoi la mediu prin radiatorul. În general, suprafața radiatorului este destul de mare, iar suprafața de contact cu aerul este mare, ceea ce favorizează transferul de căldură. S-a descoperit în practica obișnuită că majoritatea radiatoarelor sunt negre, deoarece obiectele negre sunt ușor de radiat căldură spre exterior, ceea ce este, de asemenea, propice disipării căldurii spre exterior. Și cu cât viteza vântului este mai mare pe suprafața radiatorului, cu atât mai bună este disiparea căldurii.

Model simplificat de flux de căldură pentru cip
În plus, o cantitate mică de căldură este condusă către bilele de lipit ale cipului prin substratul cipului și apoi disipează căldura în mediu prin PCB. Deoarece proporția acestei părți de căldură este relativ mică, această parte este ignorată atunci când discutăm mai jos despre rezistența termică a pachetului de cip și a radiatorului.

În primul rând, trebuie să înțelegem conceptul de „rezistență termică”. Rezistența termică descrie capacitatea unui obiect de a conduce căldura. Cu cât rezistența termică este mai mică, cu atât conductivitatea termică este mai bună și invers. Acest lucru este oarecum similar cu conceptul de rezistență.

Din rezistența termică a cipului de siliciu al cipului la mediu, presupunând că toată căldura este în final disipată în mediu de către radiatorul, se poate obține un model simplu de rezistență termică, așa cum se arată în figura de mai jos:

Model de răcire cu cip cu radiator
Rezistența termică totală de la matriță la mediu se numește JA, deci satisface:
JA=JC plus CS plus SA
JC se referă la rezistența termică de la cip la pachetul extern, care este furnizată în general de furnizorul de cip; CS se referă la rezistența termică de la pachetul extern al cipului la radiatorul. Dacă radiatorul este atașat la suprafața cipului cu adeziv termoconductor, această rezistență termică este pentru a ghida adezivul termic. Rezistența termică este asigurată în general de furnizorul de adeziv termoconductor; SA se referă la rezistența termică de la radiatorul către mediu, care este dată în general de producătorul radiatorului. Această rezistență termică scade odată cu creșterea vitezei vântului, iar producătorul de obicei se vor da valorile rezistenței termice la diferite viteze ale vântului.
Pachetul cipului în sine acționează ca un radiator. Dacă cipul nu are un radiator, JA este rezistența termică a cipul de siliciu la mediu după ce a fost ambalat. Această valoare este evident mai mare decât valoarea JA cu un radiator. Această valoare depinde de caracteristicile pachetului cipului în sine și este, în general, furnizată de producătorul cipului.
Figura de mai jos arată rezistența termică a pachetului pentru dispozitivul ALTERA STRATIX IV. Oferă valoarea JA a cipului la diferite viteze ale vântului, iar aceste valori pot fi folosite pentru a calcula situația fără un radiator. În plus, JC este utilizat pentru a calcula valoarea totală JA cu radiator.

Rezistența termică a pachetelor de dispozitive Stratix iv
Presupunând că puterea consumată de cipul de siliciu este P, atunci:
TJ(temperatura de joncțiune)=TA plus P*JA
Este necesar să se asigure că TJ nu poate depăși temperatura maximă de joncțiune permisă de cip și apoi să se calculeze cerința maximă admisă pentru JA în funcție de temperatura ambiantă și de puterea reală consumată de cip.
JMax=(TJMax - TA)/P TA(temperatura ambiantă)
Dacă JA a pachetului de cip în sine este mai mare decât această valoare, este necesar să se ia în considerare adăugarea unui dispozitiv adecvat de disipare a căldurii la cip pentru a reduce valoarea efectivă JA de la cip în mediu și pentru a preveni supraîncălzirea cipului.
Într-un sistem real, o parte din căldură se va disipa și de pe PCB. Dacă PCB-ul are multe straturi și o suprafață mare, este, de asemenea, foarte propice pentru disiparea căldurii.