نظرة شاملة على التصميم الحراري FPGA

    لكي تعمل أي شريحة، يجب أن تلبي نطاق درجة الحرارة. تشير درجة الحرارة هذه إلى درجة الحرارة الموجودة على شريحة السيليكون، والتي تسمى عادة درجة حرارة الوصلة.
تنقسم FPGA الخاصة بـ ALTERA إلى نوعين: الدرجة التجارية (تجارية) والدرجة الصناعية (صناعية). نطاق درجة حرارة الوصلات لرقائق الدرجة التجارية التي يمكن أن تعمل بشكل طبيعي هو 0~85 درجة مئوية، في حين أن نطاق شرائح الدرجة الصناعية هو -40~100 درجة مئوية. في الدائرة الفعلية، يجب علينا التأكد من أن درجة حرارة وصلة الشريحة ضمن النطاق المقبول.

مع زيادة استهلاك الطاقة للرقاقة، سيتم توليد المزيد والمزيد من الحرارة أثناء العمل. إذا كنت ترغب في الحفاظ على درجة حرارة وصلة الشريحة ضمن النطاق الطبيعي، فأنت بحاجة إلى اتباع طرق معينة لتبديد الحرارة الناتجة عن الشريحة بسرعة إلى البيئة.
يعرف أي شخص درس الفيزياء في المدرسة الإعدادية أن هناك ثلاث طرق رئيسية لنقل الحرارة، وهي التوصيل والحمل الحراري والإشعاع، وتستخدم هذه الطرق أيضًا بواسطة الرقائق لتبديد الحرارة إلى الخارج.
يوضح الشكل أدناه نموذجًا مبسطًا لتبديد حرارة الرقاقة. تنتقل الحرارة الناتجة عن الشريحة في الشكل بشكل أساسي إلى العبوة الخارجية للرقاقة. إذا لم يكن هناك مشتت حراري متصل، فسيتم تبديده مباشرة من غلاف حزمة الرقاقة إلى البيئة؛ إذا تمت إضافة المشتت الحراري، فسيتم نقل الحرارة من العبوة الخارجية للرقاقة من خلال لاصق المشتت الحراري. إلى المشتت الحراري، ومن ثم إلى البيئة من خلال المشتت الحراري. بشكل عام، مساحة سطح المشتت الحراري كبيرة جدًا، وسطح التلامس مع الهواء كبير، مما يساعد على نقل الحرارة. لقد وجد في الممارسة المعتادة أن معظم المشتتات الحرارية سوداء اللون، لأن الأجسام السوداء تشع الحرارة بسهولة إلى الخارج، وهو ما يساعد أيضًا على تبديد الحرارة إلى الخارج. وكلما زادت سرعة الرياح على سطح المشتت الحراري، كان تبديد الحرارة أفضل.

نموذج تدفق الحرارة المبسط للرقاقة
بالإضافة إلى ذلك، يتم توصيل كمية صغيرة من الحرارة إلى كرات اللحام الخاصة بالرقاقة من خلال ركيزة الرقاقة، ثم تبديد الحرارة إلى البيئة من خلال PCB. وبما أن نسبة هذا الجزء من الحرارة صغيرة نسبياً، فإنه يتم تجاهل هذا الجزء عند مناقشة المقاومة الحرارية لحزمة الرقاقة والمشتت الحراري أدناه.

أولا وقبل كل شيء، علينا أن نفهم مفهوم "المقاومة الحرارية". تصف المقاومة الحرارية قدرة الجسم على توصيل الحرارة. كلما كانت المقاومة الحرارية أصغر، كلما كانت الموصلية الحرارية أفضل، والعكس صحيح. وهذا يشبه إلى حد ما مفهوم المقاومة.

ومن المقاومة الحرارية لشريحة السيليكون الخاصة بالشريحة للبيئة، بافتراض أن كل الحرارة تتبدد أخيرًا إلى البيئة عن طريق المشتت الحراري، يمكن الحصول على نموذج بسيط للمقاومة الحرارية، كما هو موضح في الشكل أدناه:

نموذج تبريد الرقاقة مع المشتت الحراري
تسمى المقاومة الحرارية الإجمالية من القالب إلى البيئة المحيطة بـ JA، لذا فهي ترضي:
JA=JC بالإضافة إلى CS بالإضافة إلى SA
يشير JC إلى المقاومة الحرارية من الشريحة إلى العبوة الخارجية، والتي يتم توفيرها بشكل عام من قبل مورد الشريحة؛ يشير CS إلى المقاومة الحرارية من الحزمة الخارجية للرقاقة إلى المشتت الحراري. إذا تم توصيل المشتت الحراري بسطح الشريحة بمادة لاصقة موصلة للحرارة، فإن هذه المقاومة الحرارية هي لتوجيه المادة اللاصقة الحرارية. يتم توفير المقاومة الحرارية بشكل عام من قبل مورد المادة اللاصقة الموصلة للحرارة؛ يشير SA إلى المقاومة الحرارية من المشتت الحراري إلى البيئة، والتي يتم توفيرها بشكل عام من قبل الشركة المصنعة للمشتت الحراري. وتتناقص هذه المقاومة الحرارية مع زيادة سرعة الرياح، وعادة ما تعطى الشركة المصنعة قيم المقاومة الحرارية عند سرعات الرياح المختلفة.
تعمل حزمة الشريحة نفسها كمشتت للحرارة. إذا لم تكن الشريحة تحتوي على مبدد حراري، فإن JA هي المقاومة الحرارية لشريحة السيليكون للبيئة بعد تعبئتها. من الواضح أن هذه القيمة أكبر من قيمة JA مع المشتت الحراري. تعتمد هذه القيمة على خصائص حزمة الشريحة نفسها، ويتم توفيرها بشكل عام من قبل الشركة المصنعة للرقاقة.
يوضح الشكل أدناه المقاومة الحرارية للعبوة لجهاز STRATIX IV الخاص بشركة ALTERA. فهو يعطي قيمة JA للرقاقة عند سرعات الرياح المختلفة، ويمكن استخدام هذه القيم لحساب الوضع بدون المشتت الحراري. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام JC لحساب إجمالي قيمة JA باستخدام المشتت الحراري.

المقاومة الحرارية لحزم أجهزة Stratix iv
بافتراض أن الطاقة التي تستهلكها شريحة السيليكون هي P، إذن:
TJ(درجة حرارة الوصلة)=TA بالإضافة إلى P*JA
من الضروري التأكد من أن TJ لا يمكن أن يتجاوز الحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة التي تسمح بها الشريحة، ثم حساب الحد الأقصى المسموح به لمتطلبات JA وفقًا لدرجة الحرارة المحيطة والطاقة الفعلية التي تستهلكها الشريحة.
JAMAx=(TJMax - TA)/P TA (درجة الحرارة المحيطة)
إذا كانت قيمة JA لحزمة الشريحة نفسها أكبر من هذه القيمة، فمن الضروري التفكير في إضافة جهاز مناسب لتبديد الحرارة إلى الشريحة لتقليل قيمة JA الفعالة من الشريحة إلى البيئة ومنع ارتفاع درجة حرارة الشريحة.
في النظام الفعلي، سيتبدد أيضًا جزء من الحرارة من لوحة PCB. إذا كان PCB يحتوي على طبقات عديدة ومساحة كبيرة، فهو أيضًا مناسب جدًا لتبديد الحرارة.