مروری جامع بر طراحی حرارتی FPGA

    برای اینکه هر چیپ کار کند، باید محدوده دمایی را رعایت کند. این دما به دمای تراشه سیلیکونی اشاره دارد که معمولاً به آن دمای اتصال می گویند.
FPGA شرکت ALTERA به دو نوع گرید تجاری (تجاری) و گرید صنعتی (صنعتی) تقسیم می شود. محدوده دمای اتصال تراشه های درجه تجاری تجاری که می توانند به طور معمول کار کنند 0~85 درجه سانتیگراد است، در حالی که محدوده دمای تراشه های صنعتی -40~100 درجه سانتیگراد است. در مدار واقعی، باید اطمینان حاصل کنیم که دمای اتصال تراشه در محدوده قابل قبول خود است.

با افزایش مصرف برق تراشه، گرمای بیشتری در حین کار تولید می شود. اگر می‌خواهید دمای اتصال تراشه را در محدوده طبیعی حفظ کنید، باید روش‌های خاصی را برای دفع سریع گرمای تولید شده توسط تراشه به محیط انجام دهید.
هرکسی که در دوره راهنمایی فیزیک خوانده باشد می‌داند که سه روش اصلی انتقال گرما یعنی رسانایی، همرفت و تابش وجود دارد و این روش‌ها توسط تراشه‌ها نیز برای دفع گرما به بیرون استفاده می‌شوند.
شکل زیر یک مدل ساده شده از اتلاف حرارت تراشه را نشان می دهد. گرمای تولید شده توسط تراشه در شکل عمدتاً به بسته بیرونی تراشه منتقل می شود. اگر هیت سینک متصل نباشد، مستقیماً از پوسته بسته تراشه به محیط پراکنده می شود. اگر یک هیت سینک اضافه شود، گرما از بسته بیرونی تراشه از طریق چسب هیت سینک منتقل می شود. به هیت سینک و سپس از طریق هیت سینک به محیط زیست. به طور کلی، سطح هیت سینک بسیار بزرگ است و سطح تماس با هوا بزرگ است که برای انتقال گرما مساعد است. در عمل معمول مشخص شده است که بیشتر هیت سینک ها سیاه هستند، زیرا اجسام سیاه رنگ به راحتی گرما را به بیرون تابش می کنند، که همچنین منجر به اتلاف گرما به بیرون می شود. و هر چه سرعت باد روی سطح هیت سینک بیشتر باشد، گرما بهتر دفع می شود.

مدل جریان گرمایی تراشه ساده شده
علاوه بر این، مقدار کمی گرما از طریق بستر تراشه به گلوله های لحیم کاری تراشه هدایت می شود و سپس گرما را از طریق PCB به محیط پخش می کند. از آنجایی که نسبت این قسمت از گرما نسبتاً کم است، هنگام بحث در مورد مقاومت حرارتی بسته تراشه و هیت سینک در زیر، این بخش نادیده گرفته می شود.

اول از همه، ما باید مفهوم "مقاومت حرارتی" را درک کنیم. مقاومت حرارتی توانایی یک جسم برای هدایت گرما را توصیف می کند. هرچه مقاومت حرارتی کمتر باشد، هدایت حرارتی بهتری دارد و بالعکس. این تا حدودی شبیه مفهوم مقاومت است.

از مقاومت حرارتی تراشه سیلیکونی تراشه به محیط، با فرض اینکه تمام گرما در نهایت توسط هیت سینک به محیط پراکنده می شود، می توان یک مدل مقاومت حرارتی ساده به دست آورد که در شکل زیر نشان داده شده است:

مدل خنک کننده چیپ با هیت سینک
مقاومت حرارتی کل از قالب به محیط JA نامیده می شود، بنابراین برآورده می شود:
JA=JC plus CS plus SA
JC به مقاومت حرارتی تراشه به بسته خارجی اشاره دارد که به طور کلی توسط تامین کننده تراشه ارائه می شود. CS به مقاومت حرارتی بسته خارجی تراشه به هیت سینک اشاره دارد. اگر هیت سینک با چسب رسانای حرارتی به سطح تراشه متصل شود، این مقاومت حرارتی برای هدایت چسب حرارتی است. مقاومت حرارتی به طور کلی توسط تامین کننده چسب رسانای حرارتی ارائه می شود. SA به مقاومت حرارتی از هیت سینک به محیط اطلاق می شود که عموماً توسط سازنده هیت سینک ارائه می شود. این مقاومت حرارتی با افزایش سرعت باد کاهش می یابد و معمولاً تولید کننده مقادیر مقاومت حرارتی در سرعت های مختلف باد ارائه می شود.
بسته بندی تراشه خود به عنوان یک هیت سینک عمل می کند. اگر تراشه فاقد هیت سینک باشد، JA مقاومت حرارتی تراشه سیلیکونی در برابر محیط پس از بسته بندی است. این مقدار به وضوح بیشتر از مقدار JA با یک هیت سینک است. این مقدار به ویژگی های بسته بندی خود تراشه بستگی دارد و عموماً توسط سازنده تراشه ارائه می شود.
شکل زیر مقاومت حرارتی پکیج دستگاه STRATIX IV ALTERA را نشان می دهد. این مقدار JA تراشه را در سرعت‌های باد مختلف می‌دهد و از این مقادیر می‌توان برای محاسبه وضعیت بدون هیت سینک استفاده کرد. علاوه بر این، JC برای محاسبه مقدار کل JA با هیت سینک استفاده می شود.

مقاومت حرارتی بسته های دستگاه Stratix iv
با فرض اینکه توان مصرفی تراشه سیلیکونی P باشد، پس:
TJ (دمای محل اتصال)=TA به علاوه P*JA
لازم است اطمینان حاصل شود که TJ نمی تواند از حداکثر دمای اتصال مجاز توسط تراشه تجاوز کند و سپس حداکثر نیاز مجاز برای JA را با توجه به دمای محیط و توان واقعی مصرف شده توسط تراشه محاسبه کنید.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA (دمای محیط)
در صورتی که JA خود بسته تراشه از این مقدار بیشتر باشد، لازم است یک دستگاه اتلاف حرارت مناسب به تراشه اضافه شود تا مقدار JA موثر از تراشه به محیط کاهش یابد و از گرم شدن بیش از حد تراشه جلوگیری شود.
در یک سیستم واقعی، بخشی از گرما نیز از PCB خارج می شود. اگر PCB دارای لایه های زیاد و مساحت زیادی باشد، برای دفع گرما نیز بسیار مناسب است.