Uma visão geral abrangente do design térmico de FPGA

    Para que qualquer chip funcione, ele deve atender a uma faixa de temperatura. Esta temperatura refere-se à temperatura no chip de silício, que geralmente é chamada de temperatura de junção.
O FPGA da ALTERA é dividido em dois tipos: grau comercial (comercial) e grau industrial (induatrial). A faixa de temperatura de junção dos chips de nível comercial que podem funcionar normalmente é de 0~85 graus Celsius, enquanto a faixa de chips de nível industrial é de -40~100 graus Celsius. No circuito real, devemos garantir que a temperatura da junção do chip esteja dentro da faixa aceitável.

À medida que o consumo de energia do chip aumenta, mais e mais calor será gerado durante o trabalho. Se você deseja manter a temperatura de junção do chip dentro da faixa normal, é necessário adotar certos métodos para dissipar rapidamente o calor gerado pelo chip para o ambiente.
Qualquer pessoa que tenha estudado física no ensino médio sabe que existem três métodos principais de transferência de calor, nomeadamente condução, convecção e radiação, e esses métodos também são usados ​​por chips para dissipar o calor para fora.
A figura abaixo mostra um modelo simplificado de dissipação de calor do chip. O calor gerado pelo chip na figura é transmitido principalmente para a embalagem externa do chip. Se não houver dissipador de calor conectado, ele será dissipado diretamente do invólucro do chip para o meio ambiente; se um dissipador de calor for adicionado, o calor será transmitido da embalagem externa do chip através do adesivo do dissipador de calor. para o dissipador de calor e depois para o ambiente através do dissipador de calor. De modo geral, a área de superfície do dissipador de calor é bastante grande e a superfície de contato com o ar é grande, o que favorece a transferência de calor. Verificou-se na prática usual que a maioria dos dissipadores de calor são pretos, porque objetos pretos são fáceis de irradiar calor para fora, o que também contribui para a dissipação de calor para fora. E quanto mais rápida for a velocidade do vento na superfície do dissipador de calor, melhor será a dissipação de calor.

Modelo simplificado de fluxo de calor de chip
Além disso, uma pequena quantidade de calor é conduzida para as esferas de solda do chip através do substrato do chip e, em seguida, dissipa o calor para o ambiente através do PCB. Como a proporção desta parte do calor é relativamente pequena, esta parte é ignorada ao discutir a resistência térmica do pacote de chips e do dissipador de calor abaixo.

Em primeiro lugar, precisamos compreender o conceito de “resistência térmica”. A resistência térmica descreve a capacidade de um objeto de conduzir calor. Quanto menor for a resistência térmica, melhor será a condutividade térmica e vice-versa. Isso é um pouco semelhante ao conceito de resistência.

A partir da resistência térmica do chip de silício ao meio ambiente, assumindo que todo o calor seja finalmente dissipado para o ambiente pelo dissipador de calor, pode-se obter um modelo simples de resistência térmica, conforme mostrado na figura abaixo:

Modelo de resfriamento de chip com dissipador de calor
A resistência térmica total da matriz ao ambiente é chamada JA, portanto satisfaz:
JA=JC mais CS mais SA
JC refere-se à resistência térmica do chip ao pacote externo, que geralmente é fornecida pelo fornecedor do chip; CS refere-se à resistência térmica da embalagem externa do chip ao dissipador de calor. Se o dissipador de calor estiver fixado à superfície do chip com adesivo termocondutor, essa resistência térmica servirá para guiar o adesivo térmico. A resistência térmica é geralmente fornecida pelo fornecedor do adesivo termocondutor; SA refere-se à resistência térmica do dissipador de calor ao meio ambiente, que geralmente é fornecida pelo fabricante do dissipador de calor. Esta resistência térmica diminui com o aumento da velocidade do vento, e o fabricante normalmente fornecerá os valores de resistência térmica em diferentes velocidades do vento.
A própria embalagem do chip atua como um dissipador de calor. Se o chip não possuir dissipador de calor, JA é a resistência térmica do chip de silício ao meio ambiente após ser embalado. Este valor é obviamente maior que o valor JA com dissipador de calor. Este valor depende das características da embalagem do próprio chip e geralmente é fornecido pelo fabricante do chip.
A figura abaixo mostra a resistência térmica do pacote para o dispositivo STRATIX IV da ALTERA. Ele fornece o valor JA do chip em várias velocidades do vento, e esses valores podem ser usados ​​para calcular a situação sem dissipador de calor. Além disso, JC é usado para calcular o valor total de JA com dissipador de calor.

Resistência térmica dos pacotes de dispositivos Stratix iv
Supondo que a potência consumida pelo chip de silício seja P, então:
TJ(temperatura de junção)=TA mais P*JA
É necessário garantir que TJ não pode exceder a temperatura máxima de junção permitida pelo chip e, em seguida, calcular o requisito máximo permitido para JA de acordo com a temperatura ambiente e a potência real consumida pelo chip.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(temperatura ambiente)
Se o JA do próprio pacote de chip for maior que esse valor, é necessário considerar a adição de um dispositivo de dissipação de calor adequado ao chip para reduzir o valor efetivo de JA do chip para o ambiente e evitar o superaquecimento do chip.
Em um sistema real, parte do calor também será dissipada pela PCB. Se o PCB tiver muitas camadas e uma grande área, também é muito propício à dissipação de calor.