FPGA Termal Tasarımına Kapsamlı Bir Bakış

    Herhangi bir çipin çalışabilmesi için bir sıcaklık aralığını karşılaması gerekir. Bu sıcaklık, genellikle bağlantı sıcaklığı olarak adlandırılan silikon çip üzerindeki sıcaklığı ifade eder.
ALTERA'nın FPGA'sı iki türe ayrılmıştır: ticari sınıf (ticari) ve endüstriyel sınıf (endüstriyel). Normal olarak çalışabilen ticari sınıf çiplerin bağlantı sıcaklığı aralığı 0~85 santigrat derece iken, endüstriyel sınıf çiplerin aralığı -40~100 santigrat derecedir. Gerçek devrede çipin bağlantı sıcaklığının kabul edilebilir aralıkta olmasını sağlamalıyız.

Çipin güç tüketimi arttıkça çalışma sırasında daha fazla ısı üretilecektir. Çipin bağlantı sıcaklığını normal aralıkta tutmak istiyorsanız çipin ürettiği ısıyı hızla çevreye dağıtmak için belirli yöntemlere başvurmanız gerekir.
Ortaokulda fizik eğitimi alan herkes, ısı transferinin iletim, konveksiyon ve radyasyon olmak üzere üç ana yöntemi olduğunu ve bu yöntemlerin ısıyı dışarı doğru dağıtmak için çipler tarafından da kullanıldığını bilir.
Aşağıdaki şekil talaş ısı dağılımının basitleştirilmiş bir modelini göstermektedir. Şekildeki çipin ürettiği ısı esas olarak çipin dış paketine iletilmektedir. Eğer soğutucu takılı değilse çip paketi kabuğundan doğrudan çevreye yayılacaktır; Bir ısı emici eklenirse ısı, çipin dış paketinden ısı emici yapıştırıcı aracılığıyla iletilecektir. ısı emiciye ve ardından ısı emici aracılığıyla çevreye. Genel olarak konuşursak, soğutucunun yüzey alanı oldukça geniş yapılmıştır ve hava ile temas yüzeyi büyüktür, bu da ısı transferine elverişlidir. Genel uygulamada, ısı emicilerin çoğunun siyah olduğu bulunmuştur, çünkü siyah nesnelerin ısıyı dışarıya doğru yayması kolaydır, bu da ısının dışarıya doğru yayılmasına da yardımcı olur. Isı emicinin yüzeyindeki rüzgar hızı ne kadar hızlı olursa, ısı dağılımı da o kadar iyi olur.

Basitleştirilmiş çip ısı akışı modeli
Ek olarak, çip alt tabakası aracılığıyla çipin lehim toplarına az miktarda ısı iletilir ve daha sonra ısı PCB aracılığıyla çevreye dağıtılır. Isının bu kısmının oranı nispeten küçük olduğundan, çip paketinin ve aşağıdaki ısı emicinin termal direnci tartışılırken bu kısım göz ardı edilir.

Öncelikle "termal direnç" kavramını anlamamız gerekiyor. Termal direnç, bir nesnenin ısıyı iletme yeteneğini tanımlar. Termal direnç ne kadar küçük olursa, termal iletkenlik o kadar iyi olur ve bunun tersi de geçerlidir. Bu biraz direnç kavramına benzer.

Çipin silikon çipinin çevreye olan termal direncinden, tüm ısının sonunda soğutucu tarafından çevreye dağıtıldığı varsayılarak, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi basit bir termal direnç modeli elde edilebilir:

Isı emicili çip soğutma modeli
Kalıptan çevreye kadar olan toplam termal dirence JA denir ve bu nedenle aşağıdakileri karşılar:
JA=JC artı CS artı SA
JC, genellikle çip tedarikçisi tarafından sağlanan, çipten dış pakete kadar olan termal direnci ifade eder; CS, çipin dış paketinden ısı emiciye kadar olan termal direnci ifade eder. Isı emici çipin yüzeyine termal iletken yapıştırıcıyla tutturulursa, bu termal direnç termal yapıştırıcıyı yönlendirecektir. Termal direnç genellikle termal iletken yapıştırıcının tedarikçisi tarafından sağlanır; SA, genellikle ısı emici üreticisi tarafından verilen, ısı emiciden çevreye olan termal direnci ifade eder. Bu ısıl direnç rüzgar hızının artmasıyla azalır ve üretici firma genellikle farklı rüzgar hızlarındaki ısıl direnç değerlerini verir.
Çip paketinin kendisi bir ısı emici görevi görüyor. Çipin bir soğutucusu yoksa JA, silikon çipin paketlendikten sonra çevreye karşı gösterdiği termal dirençtir. Bu değer açıkça soğutucudaki JA değerinden daha yüksektir. Bu değer çip paketinin özelliklerine bağlıdır ve genellikle çip üreticisi tarafından sağlanır.
Aşağıdaki şekil ALTERA'nın STRATIX IV cihazı için paketin termal direncini göstermektedir. Çipin çeşitli rüzgar hızlarındaki JA değerini verir ve bu değerler soğutucu olmadan durumu hesaplamak için kullanılabilir. Ayrıca soğutucu ile toplam JA değerini hesaplamak için JC kullanılır.

Stratix iv Cihaz Paketlerinin Isıl Direnci
Silikon çip tarafından tüketilen gücün P olduğunu varsayarsak:
TJ(kavşak sıcaklığı)=TA artı P*JA
TJ'nin çipin izin verdiği maksimum bağlantı sıcaklığını aşamadığının temin edilmesi ve ardından ortam sıcaklığına ve çip tarafından tüketilen gerçek güce göre izin verilen maksimum JA gereksiniminin hesaplanması gerekir.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(ortam sıcaklığı)
Çip paketinin kendi JA'sı bu değerden büyükse çipten çevreye etkili JA değerini azaltmak ve çipin aşırı ısınmasını önlemek için çipe uygun bir ısı dağıtma cihazı eklenmesinin düşünülmesi gerekir.
Gerçek bir sistemde ısının bir kısmı da PCB'den dağılacaktır. PCB'nin çok sayıda katmanı ve geniş bir alanı varsa, ısı dağılımına da çok elverişlidir.