Una descripción general completa del diseño térmico de FPGA
Para que cualquier chip funcione, debe cumplir con un rango de temperatura. Esta temperatura se refiere a la temperatura del chip de silicio, que generalmente se denomina temperatura de unión.
La FPGA de ALTERA se divide en dos tipos: grado comercial (comercial) y grado industrial (induatrial). El rango de temperatura de unión de los chips de calidad comercial que pueden funcionar normalmente es de 0~85 grados Celsius, mientras que el rango de los chips de calidad industrial es de -40~100 grados Celsius. En el circuito real, debemos asegurarnos de que la temperatura de unión del chip esté dentro de su rango aceptable.
A medida que aumenta el consumo de energía del chip, se generará cada vez más calor durante el trabajo. Si desea mantener la temperatura de unión del chip dentro del rango normal, debe adoptar ciertos métodos para disipar rápidamente el calor generado por el chip al medio ambiente.
Cualquiera que haya estudiado física en la escuela secundaria sabe que existen tres métodos principales de transferencia de calor, a saber, conducción, convección y radiación, y los chips también utilizan estos métodos para disipar el calor hacia afuera.
La siguiente figura muestra un modelo simplificado de disipación de calor del chip. El calor generado por el chip de la figura se transmite principalmente al paquete exterior del chip. Si no hay un disipador de calor conectado, se disipará directamente desde la carcasa del paquete del chip al medio ambiente; Si se agrega un disipador de calor, el calor se transmitirá desde el paquete exterior del chip a través del adhesivo del disipador de calor. al disipador de calor y luego al medio ambiente a través del disipador de calor. En términos generales, la superficie del disipador de calor es bastante grande y la superficie de contacto con el aire es grande, lo que favorece la transferencia de calor. Se ha descubierto en la práctica habitual que la mayoría de los disipadores de calor son negros, porque los objetos negros irradian fácilmente calor hacia el exterior, lo que también favorece la disipación del calor hacia el exterior. Y cuanto más rápida sea la velocidad del viento en la superficie del disipador de calor, mejor será la disipación del calor.
Modelo de flujo de calor de chip simplificado
Además, se conduce una pequeña cantidad de calor a las bolas de soldadura del chip a través del sustrato del chip y luego se disipa el calor al medio ambiente a través de la PCB. Dado que la proporción de esta parte de calor es relativamente pequeña, esta parte se ignora cuando se analiza a continuación la resistencia térmica del paquete de chips y el disipador de calor.
En primer lugar, debemos comprender el concepto de "resistencia térmica". La resistencia térmica describe la capacidad de un objeto para conducir calor. Cuanto menor sea la resistencia térmica, mejor será la conductividad térmica y viceversa. Esto es algo similar al concepto de resistencia.
A partir de la resistencia térmica del chip de silicio del chip al medio ambiente, suponiendo que todo el calor finalmente se disipe al medio ambiente mediante el disipador de calor, se puede obtener un modelo de resistencia térmica simple, como se muestra en la siguiente figura:
Modelo de refrigeración de chip con disipador de calor.
La resistencia térmica total del dado al ambiente se llama JA, por lo que satisface:
JA=JC más CS más SA
JC se refiere a la resistencia térmica del chip al paquete externo, que generalmente la proporciona el proveedor del chip; CS se refiere a la resistencia térmica desde el paquete externo del chip hasta el disipador de calor. Si el disipador de calor está adherido a la superficie del chip con adhesivo termoconductor, esta resistencia térmica sirve para guiar el adhesivo térmico. La resistencia térmica generalmente la proporciona el proveedor del adhesivo conductor térmico; SA se refiere a la resistencia térmica del disipador de calor al medio ambiente, que generalmente la proporciona el fabricante del disipador de calor. Esta resistencia térmica disminuye con el aumento de la velocidad del viento y el fabricante generalmente proporcionará los valores de resistencia térmica a diferentes velocidades del viento.
El propio paquete del chip actúa como disipador de calor. Si el chip no tiene disipador de calor, JA es la resistencia térmica del chip de silicio al medio ambiente después de ser empaquetado. Este valor es obviamente mayor que el valor JA con un disipador de calor. Este valor depende de las características del paquete del propio chip y generalmente lo proporciona el fabricante del chip.
La siguiente figura muestra la resistencia térmica del paquete para el dispositivo STRATIX IV de ALTERA. Proporciona el valor JA del chip a varias velocidades del viento, y estos valores se pueden utilizar para calcular la situación sin un disipador de calor. Además, JC se utiliza para calcular el valor total de JA con disipador de calor.
Resistencia térmica de los paquetes de dispositivos Stratix iv
Suponiendo que la potencia consumida por el chip de silicio es P, entonces:
TJ(temperatura de unión)=TA más P*JA
Es necesario satisfacer que TJ no pueda exceder la temperatura de unión máxima permitida por el chip y luego calcular el requisito máximo permitido para JA de acuerdo con la temperatura ambiente y la potencia real consumida por el chip.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(temperatura ambiente)
Si el JA del paquete de chips en sí es mayor que este valor, es necesario considerar agregar un dispositivo de disipación de calor adecuado al chip para reducir el valor de JA efectivo del chip al medio ambiente y evitar que el chip se sobrecaliente.
En un sistema real, parte del calor también se disipará de la PCB. Si la PCB tiene muchas capas y un área grande, también favorece la disipación del calor.
