Visaptverošs pārskats par FPGA termisko dizainu

    Lai jebkura mikroshēma darbotos, tai jāatbilst temperatūras diapazonam. Šī temperatūra attiecas uz silīcija mikroshēmas temperatūru, ko parasti sauc par savienojuma temperatūru.
ALTERA FPGA ir sadalīta divos veidos: komerciālā (komerciālā) un rūpnieciskā (induatriālā). Komerciālās kvalitātes mikroshēmu savienojuma temperatūras diapazons, kas var darboties normāli, ir 0~85 grādi pēc Celsija, savukārt rūpnieciskās kvalitātes mikroshēmu diapazons ir -40~100 grādi pēc Celsija. Faktiskajā shēmā mums ir jānodrošina, lai mikroshēmas savienojuma temperatūra būtu pieņemamā diapazonā.

Palielinoties mikroshēmas jaudas patēriņam, darba laikā radīsies arvien vairāk siltuma. Ja vēlaties uzturēt mikroshēmas savienojuma temperatūru normālā diapazonā, jums ir jāizmanto noteiktas metodes, lai ātri izkliedētu mikroshēmas radīto siltumu vidē.
Ikviens, kurš vidusskolā ir mācījies fiziku, zina, ka ir trīs galvenās siltuma pārneses metodes, proti, vadīšana, konvekcija un starojums, un šīs metodes izmanto arī mikroshēmas, lai izkliedētu siltumu uz āru.
Zemāk redzamajā attēlā parādīts vienkāršots mikroshēmas siltuma izkliedes modelis. Attēlā redzamās mikroshēmas radītais siltums galvenokārt tiek pārnests uz mikroshēmas ārējo iepakojumu. Ja nav pievienota siltuma izlietne, tā tiks tieši izkliedēta no mikroshēmas iepakojuma apvalka uz vidi; ja tiek pievienota siltuma izlietne, siltums tiks pārnests no mikroshēmas ārējā iepakojuma caur siltuma izlietnes līmi. uz siltuma izlietni un pēc tam uz vidi caur siltuma izlietni. Vispārīgi runājot, siltuma izlietnes virsmas laukums ir diezgan liels, un saskares virsma ar gaisu ir liela, kas veicina siltuma pārnesi. Parastā praksē ir konstatēts, ka lielākā daļa siltuma izlietņu ir melnas, jo melni priekšmeti viegli izstaro siltumu uz āru, kas arī veicina siltuma izkliedi uz āru. Un jo ātrāk vēja ātrums uz siltuma izlietnes virsmas, jo labāka ir siltuma izkliede.

Vienkāršots skaidu siltuma plūsmas modelis
Turklāt neliels siltuma daudzums caur mikroshēmas pamatni tiek novadīts uz mikroshēmas lodēšanas lodītēm un pēc tam caur PCB izkliedē siltumu apkārtējā vidē. Tā kā šīs siltuma daļas īpatsvars ir salīdzinoši mazs, šī daļa tiek ignorēta, tālāk apspriežot skaidu paketes un siltuma izlietnes termisko pretestību.

Pirmkārt, mums ir jāsaprot jēdziens "termiskā pretestība". Termiskā pretestība raksturo objekta spēju vadīt siltumu. Jo mazāka ir siltuma pretestība, jo labāka ir siltumvadītspēja, un otrādi. Tas ir nedaudz līdzīgs pretestības jēdzienam.

No mikroshēmas silīcija mikroshēmas termiskās pretestības pret vidi, pieņemot, ka viss siltums beidzot ar siltuma izlietnes palīdzību tiek izkliedēts vidē, var iegūt vienkāršu termiskās pretestības modeli, kā parādīts attēlā zemāk:

Mikroshēmu dzesēšanas modelis ar siltuma izlietni
Kopējo termisko pretestību no formas līdz apkārtējai videi sauc par JA, tāpēc atbilst:
JA=JC plus CS plus SA
JC attiecas uz termisko pretestību no mikroshēmas līdz ārējam iepakojumam, ko parasti nodrošina mikroshēmas piegādātājs; CS attiecas uz termisko pretestību no mikroshēmas ārējā iepakojuma līdz siltuma izlietnei. Ja siltuma izlietne ir piestiprināta pie mikroshēmas virsmas ar siltumvadošu līmi, šī termiskā pretestība ir paredzēta, lai vadītu termisko līmi. Termisko pretestību parasti nodrošina siltumvadošās līmes piegādātājs; SA attiecas uz siltuma pretestību no siltuma izlietnes uz vidi, ko parasti nosaka siltuma izlietnes ražotājs. Šī termiskā pretestība samazinās, palielinoties vēja ātrumam, un ražotājs parasti tiks norādītas termiskās pretestības vērtības pie dažādiem vēja ātrumiem.
Pati mikroshēmas iepakojums darbojas kā siltuma izlietne. Ja mikroshēmai nav siltuma izlietnes, JA ir silīcija mikroshēmas termiskā pretestība apkārtējai videi pēc iepakošanas. Šī vērtība acīmredzami ir lielāka par JA vērtību ar siltuma izlietni. Šī vērtība ir atkarīga no pašas mikroshēmas iepakojuma īpašībām, un to parasti nodrošina mikroshēmas ražotājs.
Zemāk esošajā attēlā ir parādīta ALTERA STRATIX IV ierīces iepakojuma termiskā pretestība. Tas dod mikroshēmas JA vērtību pie dažādiem vēja ātrumiem, un šīs vērtības var izmantot, lai aprēķinātu situāciju bez siltuma izlietnes. Turklāt JC ​​izmanto, lai aprēķinātu kopējo JA vērtību ar siltuma izlietni.

Stratix iv ierīču pakotņu termiskā pretestība
Pieņemot, ka silīcija mikroshēmas patērētā jauda ir P, tad:
TJ (savienojuma temperatūra)=TA plus P*JA
Jāpārliecinās, ka TJ nevar pārsniegt mikroshēmas atļauto maksimālo savienojuma temperatūru, un pēc tam jāaprēķina JA maksimāli pieļaujamā prasība pēc apkārtējās vides temperatūras un čipa faktiskās patērētās jaudas.
JAMax=(TJMax — TA)/P TA (apkārtējā temperatūra)
Ja pašas mikroshēmas iepakojuma JA ir lielāka par šo vērtību, ir jāapsver iespēja pievienot mikroshēmai piemērotu siltuma izkliedes ierīci, lai samazinātu efektīvo JA vērtību no mikroshēmas uz vidi un novērstu mikroshēmas pārkaršanu.
Faktiskā sistēmā daļa siltuma arī izkliedēsies no PCB. Ja PCB ir daudz slāņu un liela platība, tas arī ļoti veicina siltuma izkliedi.