En omfattande översikt av termisk FPGA-design
För att ett chip ska fungera måste det uppfylla ett temperaturintervall. Denna temperatur avser temperaturen på kiselchipset, vilket brukar kallas junction-temperaturen.
ALTERAs FPGA är uppdelad i två typer: kommersiell kvalitet (kommersiell) och industriell kvalitet (industriell). Korsningstemperaturintervallet för spån av kommersiell kvalitet som kan fungera normalt är 0~85 grader Celsius, medan intervallet för spån av industriell kvalitet är -40~100 grader Celsius. I den faktiska kretsen måste vi se till att korsningstemperaturen för chipet ligger inom dess acceptabla område.
När strömförbrukningen för chipet ökar kommer mer och mer värme att genereras under arbetet. Om du vill hålla korsningstemperaturen för chippet inom det normala intervallet måste du ta vissa metoder för att snabbt avleda värmen som genereras av chipet till miljön.
Alla som har studerat fysik i mellanstadiet vet att det finns tre huvudsakliga metoder för värmeöverföring, nämligen ledning, konvektion och strålning, och dessa metoder används även av chips för att sprida värme utåt.
Figuren nedan visar en förenklad modell av spånvärmeavledning. Värmen som genereras av chippet i figuren överförs huvudsakligen till chipets yttre förpackning. Om det inte finns någon kylfläns ansluten kommer den att avledas direkt från chippaketets skal till omgivningen; om en kylfläns läggs till kommer värmen att överföras från chipets yttre förpackning genom kylflänslimmet. till kylflänsen, och sedan till miljön genom kylflänsen. Generellt sett är kylflänsens yta ganska stor, och kontaktytan med luften är stor, vilket bidrar till värmeöverföring. Det har visat sig i vanlig praxis att de flesta kylflänsarna är svarta, eftersom svarta föremål har lätt för att stråla värme utåt, vilket också bidrar till värmeavledning utåt. Och ju snabbare vindhastigheten är på kylflänsens yta, desto bättre värmeavledning.
Förenklad flisvärmeflödesmodell
Dessutom leds en liten mängd värme till chipets lödkulor genom chipsubstratet och avleder sedan värmen till omgivningen genom PCB:n. Eftersom andelen av denna del av värmen är relativt liten ignoreras denna del när man diskuterar den termiska resistansen hos chippaketet och kylflänsen nedan.
Först och främst måste vi förstå begreppet "termisk resistans". Termiskt motstånd beskriver ett föremåls förmåga att leda värme. Ju mindre värmemotstånd, desto bättre värmeledningsförmåga och vice versa. Detta liknar något begreppet motstånd.
Från den termiska resistansen hos kiselchippet i chippet till omgivningen, förutsatt att all värme slutligen avleds till miljön av kylflänsen, kan en enkel termisk resistansmodell erhållas, som visas i figuren nedan:
Chipkylningsmodell med kylfläns
Det totala termiska motståndet från formen till omgivningen kallas JA, så det uppfyller:
JA=JC plus CS plus SA
JC hänvisar till det termiska motståndet från chipet till det externa paketet, vilket vanligtvis tillhandahålls av chipleverantören; CS hänvisar till det termiska motståndet från det externa paketet av chipet till kylflänsen. Om kylflänsen är fäst på ytan av chipet med termiskt ledande lim, är detta termiska motstånd för att styra det termiska limmet. Värmemotstånd tillhandahålls vanligtvis av leverantören av värmeledande lim; SA hänvisar till värmebeständigheten från kylflänsen till omgivningen, vilket vanligtvis ges av kylflänstillverkaren. Detta termiska motstånd minskar med ökningen av vindhastigheten, och tillverkaren vanligtvis Värdena för termiskt motstånd vid olika vindhastigheter kommer att anges.
Själva chippets förpackning fungerar som en kylfläns. Om chipet inte har en kylfläns, är JA kiselchipets termiska motstånd mot omgivningen efter att ha förpackats. Detta värde är uppenbarligen större än JA-värdet med en kylfläns. Detta värde beror på egenskaperna hos själva chippets förpackning och tillhandahålls vanligtvis av chiptillverkaren.
Bilden nedan visar paketets termiska motstånd för ALTERA:s STRATIX IV-enhet. Det ger JA-värdet för chipet vid olika vindhastigheter, och dessa värden kan användas för att beräkna situationen utan kylfläns. Dessutom används JC för att beräkna det totala JA-värdet med kylfläns.
Termiskt motstånd för Stratix iv-enhetspaket
Om vi antar att strömmen som förbrukas av kiselchippet är P, då:
TJ(korsningstemperatur)=TA plus P*JA
Det är nödvändigt att försäkra sig om att TJ inte kan överskrida den maximala korsningstemperaturen som tillåts av chipet, och sedan beräkna det maximalt tillåtna kravet för JA enligt omgivningstemperaturen och den faktiska effekt som förbrukas av chipet.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(omgivningstemperatur)
Om JA för själva chippaketet är större än detta värde är det nödvändigt att överväga att lägga till en lämplig värmeavledningsanordning till chippet för att reducera det effektiva JA-värdet från chipet till omgivningen och förhindra att chipet överhettas.
I ett faktiskt system kommer en del av värmen också att försvinna från kretskortet. Om kretskortet har många lager och en stor yta är det också mycket gynnsamt för värmeavledning.
