Tinjauan Komprehensif Desain Termal FPGA
Agar chip apa pun dapat berfungsi, chip tersebut harus memenuhi kisaran suhu. Temperatur ini mengacu pada temperatur pada chip silikon, yang biasa disebut temperatur sambungan.
FPGA ALTERA dibagi menjadi dua jenis: kelas komersial (commercial) dan kelas industri (induatrial). Kisaran suhu persimpangan chip kelas komersial yang dapat bekerja secara normal adalah 0~85 derajat Celcius, sedangkan kisaran suhu chip kelas industri adalah -40~100 derajat Celcius. Di sirkuit sebenarnya, kita harus memastikan bahwa suhu sambungan chip berada dalam kisaran yang dapat diterima.
Ketika konsumsi daya chip meningkat, semakin banyak panas yang dihasilkan selama bekerja. Jika Anda ingin menjaga suhu persimpangan chip dalam kisaran normal, Anda perlu mengambil metode tertentu untuk menghilangkan panas yang dihasilkan oleh chip ke lingkungan dengan cepat.
Siapa pun yang pernah belajar fisika di sekolah menengah pasti tahu bahwa ada tiga metode utama perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi, dan metode ini juga digunakan oleh chip untuk membuang panas ke luar.
Gambar di bawah menunjukkan model pembuangan panas chip yang disederhanakan. Panas yang dihasilkan oleh chip pada gambar terutama disalurkan ke paket luar chip. Jika tidak ada unit pendingin yang terpasang, panas tersebut akan langsung hilang dari cangkang paket chip ke lingkungan; jika heat sink ditambahkan, panas akan disalurkan dari kemasan luar chip melalui perekat heat sink. ke unit pendingin, dan kemudian ke lingkungan melalui unit pendingin. Secara umum, luas permukaan heat sink dibuat cukup besar, dan permukaan kontak dengan udara besar, sehingga kondusif untuk perpindahan panas. Dalam praktik umum ditemukan bahwa sebagian besar unit pendingin berwarna hitam, karena benda hitam mudah memancarkan panas ke luar, yang juga kondusif untuk pembuangan panas ke luar. Dan semakin cepat kecepatan angin di permukaan heat sink, semakin baik pembuangan panasnya.
Model aliran panas chip yang disederhanakan
Selain itu, sejumlah kecil panas dialirkan ke bola solder chip melalui substrat chip, dan kemudian membuang panas ke lingkungan melalui PCB. Karena proporsi bagian panas ini relatif kecil, bagian ini diabaikan ketika membahas ketahanan termal paket chip dan unit pendingin di bawah.
Pertama-tama, kita perlu memahami konsep "resistensi termal". Resistansi termal menggambarkan kemampuan suatu benda untuk menghantarkan panas. Semakin kecil resistansi termalnya, semakin baik konduktivitas termalnya, dan sebaliknya. Hal ini agak mirip dengan konsep perlawanan.
Dari ketahanan termal chip silikon chip terhadap lingkungan, dengan asumsi bahwa semua panas akhirnya dibuang ke lingkungan oleh heat sink, model ketahanan termal sederhana dapat diperoleh, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Model pendingin chip dengan heat sink
Resistansi termal total dari cetakan ke lingkungan disebut JA, sehingga memenuhi:
JA=JC ditambah CS ditambah SA
JC mengacu pada ketahanan termal dari chip ke paket eksternal, yang umumnya disediakan oleh pemasok chip; CS mengacu pada ketahanan termal dari paket eksternal chip ke unit pendingin. Jika unit pendingin dipasang ke permukaan chip dengan perekat konduktif termal, hambatan termal ini akan memandu perekat termal. Ketahanan termal umumnya disediakan oleh pemasok perekat konduktif termal; SA mengacu pada ketahanan termal dari unit pendingin terhadap lingkungan, yang umumnya diberikan oleh produsen unit pendingin. Resistansi termal ini menurun seiring dengan meningkatnya kecepatan angin, dan pabrikan biasanya akan memberikan nilai resistansi termal pada kecepatan angin yang berbeda.
Paket chip itu sendiri berfungsi sebagai heat sink. Jika chip tidak memiliki heat sink, JA adalah ketahanan termal chip silikon terhadap lingkungan setelah dikemas. Nilai ini jelas lebih besar dibandingkan nilai JA dengan heat sink. Nilai ini bergantung pada karakteristik paket chip itu sendiri, dan umumnya disediakan oleh produsen chip.
Gambar di bawah menunjukkan paket ketahanan termal untuk perangkat STRATIX IV ALTERA. Ini memberikan nilai JA chip pada berbagai kecepatan angin, dan nilai ini dapat digunakan untuk menghitung situasi tanpa heat sink. Selain itu, JC digunakan untuk menghitung nilai JA total dengan heat sink.
Ketahanan Termal Paket Perangkat Stratix iv
Dengan asumsi daya yang dikonsumsi oleh chip silikon adalah P, maka:
TJ(suhu persimpangan)=TA ditambah P*JA
Perlu dipastikan bahwa TJ tidak boleh melebihi suhu persimpangan maksimum yang diizinkan oleh chip, dan kemudian menghitung persyaratan maksimum yang diizinkan untuk JA sesuai dengan suhu sekitar dan daya aktual yang dikonsumsi oleh chip.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(suhu sekitar)
Jika JA dari paket chip itu sendiri lebih besar dari nilai ini, maka perlu dipertimbangkan untuk menambahkan perangkat pembuangan panas yang sesuai ke dalam chip untuk mengurangi nilai JA efektif dari chip ke lingkungan dan mencegah chip dari panas berlebih.
Dalam sistem sebenarnya, sebagian panas juga akan hilang dari PCB. Jika PCB memiliki banyak lapisan dan area yang luas, juga sangat kondusif untuk pembuangan panas.
