ภาพรวมที่ครอบคลุมของการออกแบบการระบายความร้อนของ FPGA

    เพื่อให้ชิปทำงานได้ จะต้องเป็นไปตามช่วงอุณหภูมิ อุณหภูมินี้หมายถึงอุณหภูมิบนชิปซิลิคอน ซึ่งมักเรียกว่าอุณหภูมิทางแยก
FPGA ของ ALTERA แบ่งออกเป็นสองประเภท: เกรดเชิงพาณิชย์ (เชิงพาณิชย์) และเกรดอุตสาหกรรม (induatrial) ช่วงอุณหภูมิทางแยกของชิปเกรดเชิงพาณิชย์ที่สามารถทำงานได้ตามปกติคือ 0~85 องศาเซลเซียส ในขณะที่ช่วงอุณหภูมิของชิปเกรดอุตสาหกรรมคือ -40~100 องศาเซลเซียส ในวงจรจริง เราต้องแน่ใจว่าอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของชิปอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้

เมื่อชิปใช้พลังงานเพิ่มขึ้น จะเกิดความร้อนมากขึ้นระหว่างการทำงาน หากคุณต้องการรักษาอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของชิปให้อยู่ในช่วงปกติ คุณจะต้องใช้วิธีการบางอย่างเพื่อกระจายความร้อนที่เกิดจากชิปออกสู่สิ่งแวดล้อมอย่างรวดเร็ว
ใครก็ตามที่เคยเรียนฟิสิกส์ในโรงเรียนมัธยมต้นจะรู้ดีว่าการถ่ายเทความร้อนมีสามวิธีหลัก ได้แก่ การนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี และชิปก็ใช้วิธีการเหล่านี้เพื่อกระจายความร้อนออกไปด้านนอกด้วย
รูปด้านล่างแสดงแบบจำลองการกระจายความร้อนของชิปอย่างง่าย ความร้อนที่เกิดจากชิปในรูปส่วนใหญ่จะถูกส่งไปยังแพ็คเกจด้านนอกของชิป หากไม่มีแผ่นระบายความร้อนติดอยู่ ความร้อนจะถูกกระจายโดยตรงจากเปลือกบรรจุภัณฑ์ชิปสู่สิ่งแวดล้อม หากเพิ่มตัวระบายความร้อน ความร้อนจะถูกส่งจากแพ็คเกจด้านนอกของชิปผ่านกาวตัวระบายความร้อน ไปยังแผงระบายความร้อน จากนั้นสู่สิ่งแวดล้อมผ่านแผงระบายความร้อน โดยทั่วไป พื้นที่ผิวของแผงระบายความร้อนนั้นค่อนข้างใหญ่ และพื้นผิวสัมผัสกับอากาศมีขนาดใหญ่ซึ่งเอื้อต่อการถ่ายเทความร้อน ในทางปฏิบัติพบว่าแผงระบายความร้อนส่วนใหญ่เป็นสีดำ เนื่องจากวัตถุสีดำสามารถแผ่ความร้อนออกไปด้านนอกได้ง่าย ซึ่งเอื้อต่อการกระจายความร้อนออกไปด้านนอกด้วย และยิ่งความเร็วลมบนพื้นผิวของแผงระบายความร้อนเร็วขึ้นเท่าไร การระบายความร้อนก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

แบบจำลองการไหลของความร้อนของชิปแบบง่าย
นอกจากนี้ ความร้อนจำนวนเล็กน้อยยังถูกส่งไปยังลูกบอลบัดกรีของชิปผ่านซับสเตรตของชิป จากนั้นจะกระจายความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมผ่านทาง PCB เนื่องจากสัดส่วนของความร้อนส่วนนี้ค่อนข้างน้อย ส่วนนี้จึงถูกละเลยเมื่อพูดถึงความต้านทานความร้อนของแพ็คเกจชิปและตัวระบายความร้อนด้านล่าง

ก่อนอื่น เราต้องเข้าใจแนวคิดเรื่อง "การต้านทานความร้อน" ก่อน ความต้านทานความร้อนอธิบายความสามารถของวัตถุในการนำความร้อน ยิ่งความต้านทานความร้อนน้อยลง ค่าการนำความร้อนก็จะดีขึ้น และในทางกลับกัน สิ่งนี้ค่อนข้างคล้ายกับแนวคิดเรื่องการต่อต้าน

จากความต้านทานความร้อนของชิปซิลิคอนของชิปสู่สิ่งแวดล้อม โดยสมมติว่าในที่สุดความร้อนทั้งหมดจะกระจายออกสู่สิ่งแวดล้อมโดยแผงระบายความร้อน สามารถรับแบบจำลองความต้านทานความร้อนอย่างง่ายได้ ดังแสดงในรูปด้านล่าง:

รุ่นระบายความร้อนด้วยชิปพร้อมแผ่นระบายความร้อน
ความต้านทานความร้อนรวมจากแม่พิมพ์ถึงสิ่งแวดล้อมเรียกว่า JA จึงเป็นที่น่าพอใจ:
JA=JC บวก CS บวก SA
JC หมายถึงความต้านทานความร้อนจากชิปไปยังแพ็คเกจภายนอก ซึ่งโดยทั่วไปจะจัดเตรียมโดยซัพพลายเออร์ชิป CS หมายถึงความต้านทานความร้อนจากแพ็คเกจภายนอกของชิปไปยังแผงระบายความร้อน หากแผ่นระบายความร้อนติดอยู่กับพื้นผิวของชิปด้วยกาวนำความร้อน ความต้านทานความร้อนนี้จะเป็นตัวนำทางกาวระบายความร้อน โดยทั่วไปความต้านทานความร้อนจะได้รับจากซัพพลายเออร์ของกาวนำความร้อน SA หมายถึงความต้านทานความร้อนจากตัวระบายความร้อนต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งโดยทั่วไปจะได้รับจากผู้ผลิตตัวระบายความร้อน ความต้านทานความร้อนนี้จะลดลงตามความเร็วลมที่เพิ่มขึ้น และโดยปกติแล้วผู้ผลิตจะได้รับค่าความต้านทานความร้อนที่ความเร็วลมที่แตกต่างกัน
แพ็คเกจของชิปนั้นทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อน หากชิปไม่มีแผงระบายความร้อน JA คือความต้านทานความร้อนของชิปซิลิคอนต่อสิ่งแวดล้อมหลังจากบรรจุ ค่านี้มากกว่าค่า JA อย่างเห็นได้ชัดเมื่อใช้แผงระบายความร้อน ค่านี้ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะของแพ็คเกจของชิป และโดยทั่วไปผู้ผลิตชิปจะเป็นผู้จัดหาให้
รูปด้านล่างแสดงความต้านทานความร้อนของแพ็คเกจสำหรับอุปกรณ์ STRATIX IV ของ ALTERA โดยจะให้ค่า JA ของชิปที่ความเร็วลมต่างๆ และค่าเหล่านี้สามารถใช้เพื่อคำนวณสถานการณ์โดยไม่ต้องใช้แผงระบายความร้อน นอกจากนี้ JC ยังใช้ในการคำนวณค่า JA ทั้งหมดด้วยแผงระบายความร้อน

ความต้านทานความร้อนของแพ็คเกจอุปกรณ์ Stratix iv
สมมติว่าพลังงานที่ใช้โดยชิปซิลิคอนคือ P ดังนั้น:
TJ(อุณหภูมิทางแยก)=TA บวก P*JA
จำเป็นต้องเป็นไปตามที่ TJ จะต้องไม่เกินอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุดที่ชิปอนุญาต จากนั้นจึงคำนวณข้อกำหนดสูงสุดที่อนุญาตสำหรับ JA ตามอุณหภูมิแวดล้อมและพลังงานจริงที่ชิปใช้
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(อุณหภูมิแวดล้อม)
หาก JA ของแพ็คเกจชิปมากกว่าค่านี้ จำเป็นต้องพิจารณาเพิ่มอุปกรณ์กระจายความร้อนที่เหมาะสมให้กับชิป เพื่อลดค่า JA ที่มีประสิทธิผลจากชิปสู่สิ่งแวดล้อม และป้องกันไม่ให้ชิปร้อนเกินไป
ในระบบจริง ความร้อนส่วนหนึ่งจะกระจายออกจาก PCB ด้วย หาก PCB มีหลายชั้นและมีพื้นที่ขนาดใหญ่ ก็เอื้อต่อการกระจายความร้อนได้มากเช่นกัน