Una visió general completa del disseny tèrmic FPGA

    Perquè qualsevol xip funcioni, ha de complir un rang de temperatura. Aquesta temperatura es refereix a la temperatura del xip de silici, que normalment s'anomena temperatura d'unió.
L'FPGA d'ALTERA es divideix en dos tipus: grau comercial (comercial) i grau industrial (induatrial). L'interval de temperatura d'unió dels xips de grau comercial que poden funcionar normalment és de 0~85 graus centígrads, mentre que el rang de xips de grau industrial és de -40~100 graus centígrads. En el circuit real, hem d'assegurar-nos que la temperatura d'unió del xip estigui dins del seu rang acceptable.

A mesura que augmenta el consum d'energia del xip, es generarà més calor durant el treball. Si voleu mantenir la temperatura d'unió del xip dins del rang normal, heu de prendre determinats mètodes per dissipar ràpidament la calor generada pel xip al medi ambient.
Qualsevol persona que hagi estudiat física a l'escola secundària sap que hi ha tres mètodes principals de transferència de calor, és a dir, conducció, convecció i radiació, i aquests mètodes també els utilitzen els xips per dissipar la calor cap a l'exterior.
La figura següent mostra un model simplificat de dissipació de calor de xip. La calor generada pel xip de la figura es transmet principalment al paquet exterior del xip. Si no hi ha un dissipador de calor connectat, es dissiparà directament de la carcassa del paquet de xip al medi ambient; si s'afegeix un dissipador de calor, la calor es transmetrà des del paquet exterior del xip a través de l'adhesiu del dissipador de calor. al dissipador de calor, i després al medi ambient a través del dissipador de calor. En termes generals, la superfície del dissipador de calor és bastant gran i la superfície de contacte amb l'aire és gran, cosa que afavoreix la transferència de calor. En la pràctica habitual s'ha trobat que la majoria dels dissipadors de calor són negres, perquè els objectes negres són fàcils d'irradiar calor cap a l'exterior, cosa que també afavoreix la dissipació exterior de la calor. I com més ràpida sigui la velocitat del vent a la superfície del dissipador de calor, millor serà la dissipació de la calor.

Model simplificat de flux de calor de xip
A més, una petita quantitat de calor es condueix a les boles de soldadura del xip a través del substrat del xip i després dissipa la calor al medi ambient a través del PCB. Com que la proporció d'aquesta part de calor és relativament petita, aquesta part s'ignora quan es parla de la resistència tèrmica del paquet de xips i del dissipador de calor a continuació.

En primer lloc, hem d'entendre el concepte de "resistència tèrmica". La resistència tèrmica descriu la capacitat d'un objecte per conduir la calor. Com més petita sigui la resistència tèrmica, millor serà la conductivitat tèrmica, i viceversa. Això és una mica semblant al concepte de resistència.

A partir de la resistència tèrmica del xip de silici del xip a l'entorn, suposant que tota la calor finalment es dissipa a l'entorn pel dissipador de calor, es pot obtenir un model de resistència tèrmica senzilla, tal com es mostra a la figura següent:

Model de refrigeració per xip amb dissipador de calor
La resistència tèrmica total de la matriu a l'ambient s'anomena JA, per tant satisfà:
JA=JC més CS més SA
JC es refereix a la resistència tèrmica del xip al paquet extern, que generalment proporciona el proveïdor de xips; CS es refereix a la resistència tèrmica des del paquet extern del xip fins al dissipador de calor. Si el dissipador de calor està unit a la superfície del xip amb un adhesiu conductor tèrmic, aquesta resistència tèrmica guiarà l'adhesiu tèrmic. La resistència tèrmica la proporciona generalment el proveïdor d'adhesiu conductor tèrmic; SA es refereix a la resistència tèrmica del dissipador de calor al medi ambient, que generalment la dóna el fabricant del dissipador de calor. Aquesta resistència tèrmica disminueix amb l'augment de la velocitat del vent, i el fabricant sol donar-se els valors de resistència tèrmica a diferents velocitats del vent.
El paquet del xip en si actua com a dissipador de calor. Si el xip no té un dissipador de calor, JA és la resistència tèrmica del xip de silici al medi ambient després de ser empaquetat. Aquest valor és òbviament més gran que el valor JA amb un dissipador de calor. Aquest valor depèn de les característiques del paquet del propi xip i, generalment, el proporciona el fabricant del xip.
La figura següent mostra la resistència tèrmica del paquet per al dispositiu STRATIX IV d'ALTERA. Proporciona el valor JA del xip a diferents velocitats del vent, i aquests valors es poden utilitzar per calcular la situació sense un dissipador de calor. A més, s'utilitza JC per calcular el valor JA total amb el dissipador de calor.

Resistència tèrmica dels paquets de dispositius Stratix iv
Suposant que la potència consumida pel xip de silici és P, aleshores:
TJ(temperatura de la unió)=TA més P*JA
Cal satisfer que TJ no pot superar la temperatura màxima d'unió permesa pel xip i, a continuació, calcular el requisit màxim permès per a JA segons la temperatura ambient i la potència real consumida pel xip.
JMax=(TJMax - TA)/P TA (temperatura ambient)
Si el JA del paquet de xip en si és superior a aquest valor, cal considerar afegir un dispositiu de dissipació de calor adequat al xip per reduir el valor JA efectiu del xip a l'entorn i evitar que el xip es sobreescalfi.
En un sistema real, part de la calor també es dissiparà del PCB. Si el PCB té moltes capes i una gran àrea, també és molt propici per a la dissipació de calor.