Az FPGA termikus tervezés átfogó áttekintése

    Ahhoz, hogy bármilyen chip működjön, meg kell felelnie egy hőmérsékleti tartománynak. Ez a hőmérséklet a szilícium chipen lévő hőmérsékletre utal, amelyet általában csomóponti hőmérsékletnek neveznek.
Az ALTERA FPGA-ja két típusra oszlik: kereskedelmi minőségű (kereskedelmi) és ipari minőségű (ipari minőségű). A normálisan működő kereskedelmi minőségű chipek csatlakozási hőmérséklet-tartománya 0~85 Celsius-fok, míg az ipari minőségű chipek tartománya -40~100 Celsius-fok. A tényleges áramkörben gondoskodnunk kell arról, hogy a chip csatlakozási hőmérséklete az elfogadható tartományon belül legyen.

A chip áramfelvételének növekedésével a munkavégzés során egyre több hő keletkezik. Ha a chip csatlakozási hőmérsékletét a normál tartományon belül kívánja tartani, bizonyos módszereket kell alkalmaznia a chip által termelt hő gyors elvezetésére a környezetbe.
Aki középiskolában tanult fizikát, az tudja, hogy a hőátadásnak három fő módja van, mégpedig a vezetés, a konvekció és a sugárzás, és ezeket a módszereket a chipek is használják a hő kifelé történő elvezetésére.
Az alábbi ábra a forgács hőelvezetésének egyszerűsített modelljét mutatja. Az ábrán látható chip által termelt hő főként a chip külső csomagolására kerül át. Ha nincs hűtőborda csatlakoztatva, akkor az közvetlenül a chipcsomag héjából a környezetbe kerül; ha hűtőbordát adunk hozzá, akkor a hő a chip külső csomagolásából a hűtőborda ragasztón keresztül továbbítódik. a hűtőbordára, majd a hűtőbordán keresztül a környezetbe. Általánosságban elmondható, hogy a hűtőborda felülete meglehetősen nagy, és a levegővel való érintkezési felület nagy, ami elősegíti a hőátadást. A szokásos gyakorlatban azt tapasztalták, hogy a hűtőbordák többsége fekete, mivel a fekete tárgyak könnyen kifelé sugároznak hőt, ami szintén elősegíti a hő kifelé történő eloszlását. És minél gyorsabb a szél sebessége a hűtőborda felületén, annál jobb a hőelvezetés.

Egyszerűsített forgács hőáramlási modell
Ezenkívül kis mennyiségű hőt vezetnek a chip forrasztási golyóihoz a chip szubsztrátumán keresztül, majd a hőt a PCB-n keresztül a környezetbe vezetik. Mivel ennek a hőrésznek az aránya viszonylag kicsi, ezt a részt figyelmen kívül hagyjuk a forgácscsomag és a hűtőborda hőellenállásának tárgyalásakor.

Először is meg kell értenünk a "hőellenállás" fogalmát. A hőellenállás egy tárgy hővezető képességét írja le. Minél kisebb a hőellenállás, annál jobb a hővezető képesség, és fordítva. Ez némileg hasonlít az ellenállás fogalmához.

A chip szilícium chipjének a környezettel szembeni hőellenállásából, feltételezve, hogy a hűtőborda végül az összes hőt a környezetbe vezeti, egy egyszerű hőellenállási modellt kaphatunk, amint az az alábbi ábrán látható:

Chip-hűtéses modell hűtőbordával
A szerszám és a környezet közötti teljes hőellenállást JA-nak nevezik, így teljesül:
JA=JC plusz CS plus SA
A JC a chip és a külső csomagolás közötti hőellenállásra utal, amelyet általában a chip szállítója biztosít; A CS a chip külső csomagolásától a hűtőbordáig terjedő hőellenállásra utal. Ha a hűtőbordát hővezető ragasztóval rögzítik a chip felületéhez, akkor ez a hőellenállás vezérli a hőragasztót. A hőállóságot általában a hővezető ragasztó szállítója biztosítja; Az SA a hűtőborda és a környezet közötti hőellenállásra utal, amelyet általában a hűtőborda gyártója ad meg. Ez a hőellenállás a szélsebesség növekedésével csökken, és a gyártó általában A különböző szélsebességekhez tartozó hőellenállás értékeket adja meg.
Maga a chip csomagja hűtőbordaként működik. Ha a chip nem rendelkezik hűtőbordával, a JA a szilícium chipnek a környezettel szembeni hőállósága a csomagolás után. Ez az érték nyilvánvalóan nagyobb, mint a JA érték hűtőbordával. Ez az érték magának a chipnek a csomagolásának jellemzőitől függ, és általában a chip gyártója adja meg.
Az alábbi ábra az ALTERA STRATIX IV készülék csomagolásának hőellenállását mutatja. Különböző szélsebességeknél megadja a chip JA értékét, és ezekkel az értékekkel ki lehet számítani a hűtőborda nélküli helyzetet. Ezenkívül a JC-t használják a teljes JA érték kiszámításához hűtőbordával.

Stratix iv eszközcsomagok hőállósága
Feltételezve, hogy a szilícium chip által fogyasztott teljesítmény P, akkor:
TJ (csomóponti hőmérséklet)=TA plusz P*JA
Meg kell győződni arról, hogy TJ nem haladhatja meg a chip által megengedett maximális csomóponti hőmérsékletet, majd a környezeti hőmérséklet és a chip által ténylegesen fogyasztott teljesítmény alapján ki kell számítani a JA maximálisan megengedett szükségletét.
JAMax=(TJMax – TA)/P TA (környezeti hőmérséklet)
Ha maga a chipcsomag JA értéke nagyobb, mint ez az érték, megfontolandó egy megfelelő hőelvezető berendezés felszerelése a chipbe, hogy csökkentsük a chipből a környezetbe jutó effektív JA értéket, és megakadályozzuk a chip túlmelegedését.
Egy tényleges rendszerben a hő egy része a PCB-ről is eloszlik. Ha a NYÁK-nak sok rétege és nagy területe van, az is nagyon elősegíti a hőelvezetést.