Свеобухватни преглед термичког дизајна ФПГА

    Да би било који чип радио, мора да испуњава температурни опсег. Ова температура се односи на температуру на силицијумском чипу, која се обично назива температуром споја.
АЛТЕРА-ин ФПГА је подељен у два типа: комерцијални (комерцијални) и индустријски (индуатријални). Опсег температуре споја чипова комерцијалног квалитета који могу да раде нормално је 0~85 степени Целзијуса, док је опсег чипова индустријског квалитета -40~100 степени Целзијуса. У стварном колу, морамо осигурати да је температура споја чипа унутар прихватљивог опсега.

Како се потрошња енергије чипа повећава, током рада ће се стварати све више топлоте. Ако желите да одржите температуру споја чипа у нормалном опсегу, потребно је да предузмете одређене методе да бисте брзо распршили топлоту коју генерише чип у околину.
Свако ко је студирао физику у средњој школи зна да постоје три главне методе преноса топлоте, а то су проводљивост, конвекција и зрачење, а ове методе користе и чипови за одвођење топлоте напоље.
На слици испод приказан је поједностављени модел одвођења топлоте чипа. Топлота коју генерише чип на слици углавном се преноси на спољашњи пакет чипа. Ако нема причвршћен хладњак, он ће се директно распршити из кућишта чипа у околину; ако се дода хладњак, топлота ће се преносити са спољашњег паковања чипа кроз лепак за хладњак. до хладњака, а затим у околину кроз хладњак. Уопштено говорећи, површина хладњака је прилично велика, а површина контакта са ваздухом је велика, што погодује преносу топлоте. У уобичајеној пракси је утврђено да је већина хладњака црна, јер црни предмети лако зраче топлоту напоље, што такође погодује спољашњем расипању топлоте. И што је већа брзина ветра на површини хладњака, то је боља дисипација топлоте.

Поједностављени модел топлотног тока чипа
Поред тога, мала количина топлоте се води до куглица за лемљење чипа кроз подлогу чипа, а затим распршује топлоту у околину кроз ПЦБ. Пошто је удео овог дела топлоте релативно мали, овај део се игнорише када се говори о топлотној отпорности пакета чипа и хладњака у наставку.

Пре свега, треба да разумемо концепт "термичког отпора". Топлотни отпор описује способност објекта да проводи топлоту. Што је топлински отпор мањи, то је боља топлотна проводљивост и обрнуто. Ово је донекле слично концепту отпора.

Од термичке отпорности силицијумског чипа чипа на околину, под претпоставком да се сва топлота коначно распршује у околину помоћу хладњака, може се добити једноставан модел топлотне отпорности, као што је приказано на слици испод:

Модел за хлађење чипова са хладњаком
Укупни топлотни отпор од матрице према амбијенту назива се ЈА, тако да задовољава:
ЈА{0}}ЈЦ плус ЦС плус СА
ЈЦ се односи на термичку отпорност од чипа до спољашњег паковања, коју генерално обезбеђује добављач чипа; ЦС се односи на топлотни отпор од спољашњег паковања чипа до хладњака. Ако је хладњак причвршћен за површину чипа топлотно проводљивим лепком, овај топлотни отпор треба да води термички лепак. Термичку отпорност генерално обезбеђује добављач топлотно проводног лепка; СА се односи на топлотну отпорност хладњака према околини, коју генерално даје произвођач хладњака. Овај топлотни отпор опада са повећањем брзине ветра, а произвођач обично даје вредности топлотног отпора при различитим брзинама ветра.
Сам пакет чипа делује као хладњак. Ако чип нема хладњак, ЈА је топлотна отпорност силицијумског чипа на околину након паковања. Ова вредност је очигледно већа од ЈА вредности са хладњаком. Ова вредност зависи од карактеристика паковања самог чипа, а генерално је обезбеђује произвођач чипа.
Слика испод приказује термичку отпорност паковања за АЛТЕРА СТРАТИКС ИВ уређај. Даје ЈА вредност чипа при различитим брзинама ветра, а ове вредности се могу користити за израчунавање ситуације без хладњака. Поред тога, ЈЦ се користи за израчунавање укупне вредности ЈА са хладњаком.

Термичка отпорност пакета уређаја Стратик ив
Под претпоставком да је снага коју троши силицијумски чип П, онда:
ТЈ(температура споја)=ТА плус П*ЈА
Потребно је задовољити да ТЈ не може премашити максималну температуру споја коју дозвољава чип, а затим израчунати максимално дозвољени захтев за ЈА према температури околине и стварној снази коју чип троши.
ЈМак=(ТЈМак - ТА)/П ТА(температура околине)
Ако је ЈА самог пакета чипа већи од ове вредности, потребно је размотрити додавање одговарајућег уређаја за расипање топлоте на чип како би се смањила ефективна вредност ЈА из чипа у околину и спречило прегревање чипа.
У стварном систему, део топлоте ће се такође распршити са ПЦБ-а. Ако ПЦБ има много слојева и велику површину, такође је веома погодан за расипање топлоте.