Põhjalik ülevaade FPGA termilisest disainist

    Et mis tahes kiip töötaks, peab see vastama temperatuurivahemikule. See temperatuur viitab räni kiibil olevale temperatuurile, mida tavaliselt nimetatakse ristmiku temperatuuriks.
ALTERA FPGA on jagatud kahte tüüpi: kaubanduslik (kaubanduslik) ja tööstuslik (tööstuslik). Tavapäraselt töötavate kaubandusliku kvaliteediga kiipide ühendustemperatuuri vahemik on 0~85 kraadi Celsiuse järgi, samas kui tööstusliku kvaliteediga kiipide vahemik on -40~100 kraadi Celsiuse järgi. Tegelikus vooluringis peame tagama, et kiibi ühendustemperatuur on vastuvõetavas vahemikus.

Kuna kiibi voolutarve suureneb, tekib töö käigus üha rohkem soojust. Kui soovite hoida kiibi ühendustemperatuuri normaalses vahemikus, peate kasutama teatud meetodeid, et kiibi tekitatud soojus kiiresti keskkonda hajutada.
Kõik, kes on keskkoolis füüsikat õppinud, teavad, et soojusülekandel on kolm peamist meetodit, nimelt juhtivus, konvektsioon ja kiirgus, ning neid meetodeid kasutavad ka kiibid soojuse väljapoole hajutamiseks.
Allolev joonis näitab kiibi soojuse hajumise lihtsustatud mudelit. Joonisel kujutatud kiibi tekitatud soojus kandub peamiselt kiibi välispakendisse. Kui jahutusradiaatorit pole kinnitatud, hajub see otse kiibipakendi kestast keskkonda; jahutusradiaatori lisamisel kandub soojus kiibi välispakendist läbi jahutusradiaatori liimi. jahutusradiaatorisse ja seejärel jahutusradiaatori kaudu keskkonda. Üldiselt on jahutusradiaatori pindala tehtud üsna suureks ja kokkupuutepind õhuga on suur, mis soodustab soojusülekannet. Tavapraktikas on leitud, et enamik jahutusradiaatoreid on mustad, kuna mustad objektid kiirgavad kergesti soojust väljapoole, mis soodustab ka soojuse väljapoole hajumist. Ja mida suurem on tuule kiirus jahutusradiaatori pinnal, seda parem on soojuse hajumine.

Lihtsustatud laastude soojusvoo mudel
Lisaks juhitakse väike kogus soojust kiibi jootekuulikestele läbi kiibi põhimiku ja seejärel hajutab soojuse PCB kaudu keskkonda. Kuna selle osa soojusest on suhteliselt väike, jäetakse see osa tähelepanuta, kui käsitletakse allpool laastupaketi ja jahutusradiaatori soojustakistust.

Kõigepealt peame mõistma mõistet "soojustakistus". Soojustakistus kirjeldab objekti võimet juhtida soojust. Mida väiksem on soojustakistus, seda parem on soojusjuhtivus ja vastupidi. See sarnaneb mõneti vastupanu mõistega.

Kiibi ränikiibi soojustakistusest keskkonnale, eeldades, et jahutusradiaator juhib lõpuks kogu soojuse keskkonda, saab lihtsa soojustakistuse mudeli, nagu on näidatud alloleval joonisel:

Laastjahutusega mudel koos jahutusradiaatoriga
Kogu soojustakistust stantsist ümbritseva õhuni nimetatakse JA, seega rahuldab:
JA=JC pluss CS plus SA
JC viitab soojustakistusele kiibilt välispakendini, mille tagab üldjuhul kiibi tarnija; CS viitab soojustakistusele kiibi välispakendist jahutusradiaatorini. Kui jahutusradiaator on kinnitatud kiibi pinnale soojust juhtiva liimiga, on see soojustakistus termoliimi suunamiseks. Soojustakistuse tagab tavaliselt soojusjuhtiva liimi tarnija; SA viitab soojustakistusele jahutusradiaatorilt keskkonnale, mille annab üldjuhul jahutusradiaatori tootja. See soojustakistus väheneb tuule kiiruse suurenedes ja tootja tavaliselt esitatakse soojustakistuse väärtused erinevatel tuulekiirustel.
Kiibi pakend ise toimib jahutusradiaatorina. Kui kiibil ei ole jahutusradiaatorit, on JA ränikiibi soojustakistus keskkonnale pärast pakkimist. See väärtus on ilmselt suurem kui JA väärtus jahutusradiaatoriga. See väärtus sõltub kiibi enda pakendi omadustest ja selle annab üldjuhul kiibi tootja.
Alloleval joonisel on näidatud ALTERA STRATIX IV seadme pakendi soojustakistus. See annab kiibi JA väärtuse erinevatel tuulekiirustel ja nende väärtustega saab arvutada olukorra ilma jahutusradiaatorita. Lisaks kasutatakse JC-d kogu JA väärtuse arvutamiseks koos jahutusradiaatoriga.

Stratix iv seadmepakettide soojustakistus
Eeldades, et ränikiibi tarbitav võimsus on P, siis:
TJ (ristmiku temperatuur)=TA pluss P*JA
Tuleb veenduda, et TJ ei tohi ületada kiibi lubatud maksimaalset ristmiku temperatuuri ning seejärel arvutada JA-le maksimaalne lubatud nõue vastavalt ümbritseva õhu temperatuurile ja kiibi tegelikule tarbitavale võimsusele.
JAMax=(TJMax – TA)/P TA (ümbritsev temperatuur)
Kui kiibipaketi enda JA on sellest väärtusest suurem, tuleb kaaluda sobiva soojuseraldusseadme lisamist kiibile, et vähendada efektiivset JA väärtust kiibilt keskkonda ja vältida kiibi ülekuumenemist.
Tegelikus süsteemis hajub osa soojusest ka PCB-lt. Kui PCB-l on palju kihte ja suur ala, soodustab see ka väga soojuse hajumist.