Un aperçu complet de la conception thermique des FPGA

    Pour qu’une puce fonctionne, elle doit respecter une plage de température. Cette température fait référence à la température sur la puce de silicium, généralement appelée température de jonction.
Le FPGA d'ALTERA est divisé en deux types : de qualité commerciale (commercial) et de qualité industrielle (industrielle). La plage de température de jonction des puces de qualité commerciale qui peuvent fonctionner normalement est de 0~85 degrés Celsius, tandis que la plage de températures de jonction des puces de qualité industrielle est de -40~100 degrés Celsius. Dans le circuit réel, nous devons nous assurer que la température de jonction de la puce se situe dans sa plage acceptable.

À mesure que la consommation électrique de la puce augmente, de plus en plus de chaleur sera générée pendant le travail. Si vous souhaitez maintenir la température de jonction de la puce dans la plage normale, vous devez adopter certaines méthodes pour dissiper rapidement la chaleur générée par la puce dans l'environnement.
Quiconque a étudié la physique au collège sait qu’il existe trois méthodes principales de transfert de chaleur, à savoir la conduction, la convection et le rayonnement, et que ces méthodes sont également utilisées par les puces pour dissiper la chaleur vers l’extérieur.
La figure ci-dessous montre un modèle simplifié de dissipation thermique des puces. La chaleur générée par la puce sur la figure est principalement transmise à l'emballage extérieur de la puce. S'il n'y a pas de dissipateur thermique attaché, il sera directement dissipé de la coque du boîtier de puce vers l'environnement ; si un dissipateur thermique est ajouté, la chaleur sera transmise depuis l'emballage extérieur de la puce à travers l'adhésif du dissipateur thermique. au dissipateur thermique, puis à l'environnement via le dissipateur thermique. D'une manière générale, la surface du dissipateur thermique est assez grande et la surface de contact avec l'air est grande, ce qui favorise le transfert de chaleur. Il a été constaté dans la pratique habituelle que la plupart des dissipateurs thermiques sont noirs, car les objets noirs rayonnent facilement de la chaleur vers l'extérieur, ce qui favorise également la dissipation de la chaleur vers l'extérieur. Et plus la vitesse du vent sur la surface du dissipateur thermique est rapide, meilleure est la dissipation thermique.

Modèle simplifié de flux thermique des puces
De plus, une petite quantité de chaleur est conduite vers les billes de soudure de la puce à travers le substrat de la puce, puis dissipe la chaleur dans l'environnement à travers le PCB. Étant donné que la proportion de cette partie de la chaleur est relativement faible, cette partie est ignorée lors de l'examen de la résistance thermique du boîtier de puce et du dissipateur thermique ci-dessous.

Tout d’abord, il faut comprendre la notion de « résistance thermique ». La résistance thermique décrit la capacité d'un objet à conduire la chaleur. Plus la résistance thermique est faible, meilleure est la conductivité thermique, et vice versa. Cela ressemble quelque peu au concept de résistance.

À partir de la résistance thermique de la puce de silicium de la puce à l'environnement, en supposant que toute la chaleur est finalement dissipée vers l'environnement par le dissipateur thermique, un modèle simple de résistance thermique peut être obtenu, comme le montre la figure ci-dessous :

Modèle de refroidissement des puces avec dissipateur thermique
La résistance thermique totale de la puce à la température ambiante est appelée JA, elle satisfait donc :
JA=JC plus CS plus SA
JC fait référence à la résistance thermique de la puce au boîtier externe, qui est généralement fournie par le fournisseur de puces ; CS fait référence à la résistance thermique du boîtier externe de la puce au dissipateur thermique. Si le dissipateur thermique est fixé à la surface de la puce avec un adhésif thermoconducteur, cette résistance thermique sert à guider l'adhésif thermique. La résistance thermique est généralement fournie par le fournisseur d’adhésif thermoconducteur ; SA fait référence à la résistance thermique du dissipateur thermique à l'environnement, qui est généralement indiquée par le fabricant du dissipateur thermique. Cette résistance thermique diminue avec l'augmentation de la vitesse du vent, et le fabricant donne généralement les valeurs de résistance thermique à différentes vitesses de vent.
Le boîtier de la puce lui-même fait office de dissipateur thermique. Si la puce n'a pas de dissipateur thermique, JA est la résistance thermique de la puce de silicium à l'environnement après son emballage. Cette valeur est évidemment supérieure à la valeur JA avec un dissipateur thermique. Cette valeur dépend des caractéristiques du boîtier de la puce elle-même et est généralement fournie par le fabricant de la puce.
La figure ci-dessous montre la résistance thermique du boîtier pour le dispositif STRATIX IV d'ALTERA. Il donne la valeur JA de la puce à différentes vitesses de vent, et ces valeurs peuvent être utilisées pour calculer la situation sans dissipateur thermique. De plus, JC est utilisé pour calculer la valeur JA totale avec dissipateur thermique.

Résistance thermique des ensembles d'appareils Stratix iv
En supposant que la puissance consommée par la puce de silicium est P, alors :
TJ(température de jonction)=TA plus P*JA
Il est nécessaire de s'assurer que TJ ne peut pas dépasser la température de jonction maximale autorisée par la puce, puis de calculer l'exigence maximale autorisée pour JA en fonction de la température ambiante et de la puissance réelle consommée par la puce.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(température ambiante)
Si le JA du boîtier de puce lui-même est supérieur à cette valeur, il est nécessaire d'envisager d'ajouter un dispositif de dissipation thermique approprié à la puce pour réduire la valeur JA efficace de la puce vers l'environnement et empêcher la puce de surchauffer.
Dans un système réel, une partie de la chaleur se dissipera également du PCB. Si le PCB comporte de nombreuses couches et une grande surface, il est également très propice à la dissipation thermique.