Tổng quan toàn diện về thiết kế nhiệt FPGA

    Để bất kỳ con chip nào hoạt động được, nó phải đáp ứng một phạm vi nhiệt độ. Nhiệt độ này đề cập đến nhiệt độ trên chip silicon, thường được gọi là nhiệt độ tiếp giáp.
FPGA của ALTERA được chia thành hai loại: cấp thương mại (commercial) và cấp công nghiệp (induatrial). Phạm vi nhiệt độ tiếp giáp của chip cấp thương mại có thể hoạt động bình thường là 0~85 độ C, trong khi phạm vi nhiệt độ của chip cấp công nghiệp là -40~100 độ C. Trong mạch thực tế, chúng ta phải đảm bảo rằng nhiệt độ tiếp giáp của chip nằm trong phạm vi chấp nhận được.

Khi mức tiêu thụ điện năng của chip tăng lên, nhiệt lượng sẽ được tạo ra trong quá trình làm việc ngày càng nhiều. Nếu muốn duy trì nhiệt độ tiếp giáp của chip trong phạm vi bình thường, bạn cần thực hiện một số phương pháp nhất định để nhanh chóng tản nhiệt do chip tạo ra ra môi trường.
Ai đã học vật lý ở trường cấp hai đều biết rằng có ba phương pháp truyền nhiệt chính là dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, và những phương pháp này cũng được chip sử dụng để tản nhiệt ra bên ngoài.
Hình dưới đây cho thấy một mô hình tản nhiệt chip đơn giản. Nhiệt lượng do con chip trong hình tạo ra chủ yếu được truyền đến lớp vỏ bên ngoài của con chip. Nếu không có tản nhiệt kèm theo, nó sẽ bị tiêu tán trực tiếp từ vỏ gói chip ra môi trường; nếu lắp thêm tản nhiệt thì nhiệt lượng sẽ được truyền từ gói bên ngoài của chip qua lớp keo tản nhiệt. đến tản nhiệt, rồi ra môi trường qua tản nhiệt. Nói chung, diện tích bề mặt của tản nhiệt được làm khá lớn, bề mặt tiếp xúc với không khí lớn, thuận lợi cho việc truyền nhiệt. Trong thực tế thông thường, người ta nhận thấy hầu hết các tản nhiệt đều có màu đen, vì các vật màu đen rất dễ tỏa nhiệt ra bên ngoài, điều này cũng có lợi cho việc tản nhiệt ra bên ngoài. Và tốc độ gió trên bề mặt tản nhiệt càng nhanh thì khả năng tản nhiệt càng tốt.

Mô hình dòng nhiệt chip đơn giản hóa
Ngoài ra, một lượng nhiệt nhỏ được dẫn đến các bi hàn của chip thông qua đế chip, sau đó tản nhiệt ra môi trường thông qua PCB. Do tỷ lệ phần nhiệt này tương đối nhỏ nên phần này bị bỏ qua khi bàn về khả năng chịu nhiệt của gói chip và tản nhiệt bên dưới.

Trước hết chúng ta cần hiểu khái niệm “điện trở nhiệt”. Điện trở nhiệt mô tả khả năng dẫn nhiệt của vật thể. Điện trở nhiệt càng nhỏ thì dẫn nhiệt càng tốt và ngược lại. Điều này có phần giống với khái niệm về sự phản kháng.

Từ điện trở nhiệt của chip silicon của chip đến môi trường, giả sử rằng toàn bộ nhiệt cuối cùng được tản nhiệt tiêu tán ra môi trường, có thể thu được mô hình điện trở nhiệt đơn giản, như trong hình dưới đây:

Model làm mát bằng chip có tản nhiệt
Tổng nhiệt trở từ khuôn đến môi trường xung quanh được gọi là JA, do đó thỏa mãn:
JA=JC cộng CS cộng SA
JC đề cập đến điện trở nhiệt từ chip đến gói bên ngoài, thường được cung cấp bởi nhà cung cấp chip; CS đề cập đến điện trở nhiệt từ gói bên ngoài của chip đến tản nhiệt. Nếu tản nhiệt được gắn vào bề mặt chip bằng keo dẫn nhiệt thì điện trở nhiệt này có tác dụng dẫn hướng cho keo tản nhiệt. Khả năng chịu nhiệt thường được cung cấp bởi nhà cung cấp chất kết dính dẫn nhiệt; SA đề cập đến điện trở nhiệt từ tản nhiệt đến môi trường, thông số này thường được nhà sản xuất tản nhiệt đưa ra. Điện trở nhiệt này giảm khi tốc độ gió tăng và nhà sản xuất thường đưa ra các giá trị điện trở nhiệt ở các tốc độ gió khác nhau.
Bản thân gói chip hoạt động như một bộ tản nhiệt. Nếu chip không có tản nhiệt thì JA là khả năng chịu nhiệt của chip silicon với môi trường sau khi được đóng gói. Giá trị này rõ ràng là lớn hơn giá trị JA với tản nhiệt. Giá trị này phụ thuộc vào đặc tính của gói chip và thường do nhà sản xuất chip cung cấp.
Hình bên dưới thể hiện khả năng chịu nhiệt của gói dành cho thiết bị STRATIX IV của ALTERA. Nó cung cấp giá trị JA của chip ở các tốc độ gió khác nhau và những giá trị này có thể được sử dụng để tính toán tình huống không có tản nhiệt. Ngoài ra, JC còn được dùng để tính tổng giá trị JA với tản nhiệt.

Khả năng chịu nhiệt của gói thiết bị Stratix iv
Giả sử năng lượng tiêu thụ của chip silicon là P thì:
TJ(nhiệt độ tiếp giáp)=TA cộng với P*JA
Cần phải thỏa mãn rằng TJ không thể vượt quá nhiệt độ tiếp giáp tối đa mà chip cho phép, sau đó tính toán yêu cầu tối đa cho phép đối với JA theo nhiệt độ môi trường và công suất thực tế mà chip tiêu thụ.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(nhiệt độ môi trường xung quanh)
Nếu JA của bản thân gói chip lớn hơn giá trị này thì cần cân nhắc bổ sung một thiết bị tản nhiệt phù hợp cho chip để giảm giá trị JA hiệu quả từ chip ra môi trường và tránh cho chip bị quá nhiệt.
Trong một hệ thống thực tế, một phần nhiệt cũng sẽ tiêu tan khỏi PCB. Nếu PCB có nhiều lớp và diện tích lớn thì khả năng tản nhiệt cũng rất tốt.