סקירה מקיפה של עיצוב תרמי FPGA

    כדי שכל שבב יעבוד, עליו לעמוד בטווח טמפרטורות. טמפרטורה זו מתייחסת לטמפרטורה על שבב הסיליקון, הנקראת בדרך כלל טמפרטורת הצומת.
ה-FPGA של ALTERA מחולק לשני סוגים: כיתה מסחרית (מסחרית) וכיתה תעשייתית (אינדואטריאלית). טווח טמפרטורת הצומת של שבבים מסחריים שיכולים לעבוד כרגיל הוא 0~85 מעלות צלזיוס, בעוד שטווח השבבים בדרגה תעשייתית הוא -40~100 מעלות צלזיוס. במעגל בפועל, עלינו לוודא שטמפרטורת הצומת של השבב נמצאת בטווח המקובל שלו.

ככל שצריכת החשמל של השבב עולה, יותר ויותר חום יווצר במהלך העבודה. אם אתה רוצה לשמור על טמפרטורת הצומת של השבב בטווח הנורמלי, אתה צריך לנקוט בשיטות מסוימות כדי לפזר במהירות את החום שנוצר מהשבב לסביבה.
כל מי שלמד פיזיקה בחטיבת הביניים יודע שיש שלוש שיטות עיקריות להעברת חום, כלומר הולכה, הסעה וקרינה, ושיטות אלו משמשות גם שבבים לפיזור חום החוצה.
האיור שלהלן מציג מודל פשוט של פיזור חום שבב. החום שנוצר מהשבב באיור מועבר בעיקר לאריזה החיצונית של השבב. אם אין גוף קירור מחובר, הוא יתפזר ישירות ממעטפת אריזת השבב אל הסביבה; אם מוסיפים גוף קירור, החום יועבר מהאריזה החיצונית של השבב דרך דבק גוף הקירור. לגוף הקירור, ולאחר מכן לסביבה דרך גוף הקירור. באופן כללי, שטח הפנים של גוף הקירור עשוי גדול למדי, ומשטח המגע עם האוויר גדול, מה שמסייע להעברת חום. נמצא בפרקטיקה הרגילה שרוב גופי הקירור הם שחורים, מכיוון שלעצמים שחורים קל להקרין חום כלפי חוץ, מה שמסייע גם לפיזור החום החוצה. וככל שמהירות הרוח על פני גוף הקירור מהירה יותר, כך פיזור החום טוב יותר.

דגם זרימת חום פשוטה של ​​שבב
בנוסף, כמות קטנה של חום מועברת לכדורי ההלחמה של השבב דרך מצע השבב, ולאחר מכן מפזרת את החום לסביבה דרך ה-PCB. מכיוון שהשיעור של חלק זה של החום קטן יחסית, מתעלמים מחלק זה כאשר דנים בהתנגדות התרמית של חבילת השבבים וגוף הקירור למטה.

קודם כל, עלינו להבין את המושג "התנגדות תרמית". התנגדות תרמית מתארת ​​את יכולתו של חפץ להוליך חום. ככל שההתנגדות התרמית קטנה יותר, כך המוליכות התרמית טובה יותר, ולהיפך. זה דומה במקצת למושג ההתנגדות.

מההתנגדות התרמית של שבב הסיליקון של השבב לסביבה, בהנחה שכל החום מתפזר לבסוף לסביבה על ידי גוף הקירור, ניתן לקבל מודל התנגדות תרמית פשוט, כפי שמוצג באיור למטה:

דגם קירור שבב עם גוף קירור
ההתנגדות התרמית הכוללת מהתבנית לסביבה נקראת JA, ולכן מספקת:
JA=JC פלוס CS פלוס SA
JC מתייחס להתנגדות התרמית מהשבב לחבילה החיצונית, אשר מסופקת בדרך כלל על ידי ספק השבב; CS מתייחס להתנגדות התרמית מהאריזה החיצונית של השבב לגוף הקירור. אם גוף הקירור מחובר לפני השטח של השבב עם דבק מוליך תרמי, התנגדות תרמית זו היא להנחות את הדבק התרמי. התנגדות תרמית מסופקת בדרך כלל על ידי הספק של דבק מוליך תרמי; SA מתייחס להתנגדות התרמית של גוף הקירור לסביבה, הניתנת בדרך כלל על ידי יצרן גוף הקירור. התנגדות תרמית זו יורדת עם עליית מהירות הרוח, והיצרן בדרך כלל יינתנו ערכי ההתנגדות התרמית במהירויות רוח שונות.
החבילה של השבב עצמו פועלת כגוף קירור. אם לשבב אין גוף קירור, JA הוא ההתנגדות התרמית של שבב הסיליקון לסביבה לאחר אריזתו. ערך זה הוא ללא ספק גדול מערך JA עם גוף קירור. ערך זה תלוי במאפייני החבילה של השבב עצמו, ובדרך כלל מסופק על ידי יצרן השבב.
האיור שלהלן מציג את ההתנגדות התרמית של החבילה עבור מכשיר ה-STRATIX IV של ALTERA. הוא נותן את ערך ה-JA של השבב במהירויות רוח שונות, וניתן להשתמש בערכים אלו כדי לחשב את המצב ללא גוף קירור. בנוסף, JC משמש לחישוב ערך ה-JA הכולל עם גוף קירור.

התנגדות תרמית של חבילות מכשיר Stratix IV
בהנחה שהכוח הנצרך על ידי שבב הסיליקון הוא P, אז:
TJ(טמפרטורת צומת)=TA בתוספת P*JA
יש צורך להבטיח ש-TJ אינו יכול לחרוג מטמפרטורת הצומת המקסימלית המותרת על ידי השבב, ולאחר מכן לחשב את הדרישה המקסימלית המותרת עבור JA בהתאם לטמפרטורת הסביבה וההספק בפועל שצורך השבב.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(טמפרטורת סביבה)
אם ה-JA של חבילת השבב עצמו גדול מערך זה, יש צורך לשקול הוספת התקן פיזור חום מתאים לשבב כדי להפחית את ערך ה-JA האפקטיבי מהשבב לסביבה ולמנוע מהשבב להתחמם יתר על המידה.
במערכת בפועל, חלק מהחום יתפזר גם מה-PCB. אם ל-PCB יש הרבה שכבות ושטח גדול, הוא גם תורם מאוד לפיזור חום.