淺析FPGA芯片的散熱設(shè)計(jì)

1、淺析FPGA芯片的散熱設(shè)計(jì)任何芯片要工作，必須滿足一個(gè)溫度范圍，這個(gè)溫度是 指硅片上的溫度，通常稱之為結(jié)溫(junction temperature) ALTERA的FPGA分為商用級(jí)(commercial)和工業(yè)級(jí) (induatrial)兩種，商用級(jí)的芯片可以正常工作的結(jié)溫范圍 為085攝氏度，而工業(yè)級(jí)芯片的范圍是-40100攝氏度。 在實(shí)際電路中，我們必須保證芯片的結(jié)溫在其可以承受的 范圍之內(nèi)。隨著芯片的功耗越來(lái)越大，在工作的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生越來(lái) 越多的熱量。如果要維持芯片的結(jié)溫在正常的范圍以內(nèi)， 就需要采取一定的方法使得芯片產(chǎn)生的熱量迅速發(fā)散到環(huán) 境中去。學(xué)過(guò)中學(xué)物理的人都知道，熱量傳遞主

2、要采用三種方法， 即傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，芯片向外散熱同樣是采用這幾種方 式。下圖所示為一個(gè)芯片散熱的簡(jiǎn)化模型。圖中芯片產(chǎn)生的 熱量主要傳給芯片外封裝，如果沒(méi)有貼散熱片，就由芯片 封裝外殼直接散布到環(huán)境中去;如果加了散熱片，熱量就會(huì) 由芯片的外封裝通過(guò)散熱片膠傳到散熱片上，再由散熱片 傳到環(huán)境中。一般來(lái)說(shuō)，散熱片的表面積都做的相當(dāng)大， 與空氣的接觸面就大，這樣有利于傳熱。在平時(shí)的實(shí)踐中 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)散熱片都是黑色的，由于黑色物體容 易向外輻射熱量，這樣也有利于熱量向外散發(fā)。而且散熱 片表面的風(fēng)速越快，散熱越好。簡(jiǎn)化的芯片熱流模型除此之外，有一小部分熱量經(jīng)過(guò)芯片襯底傳導(dǎo)到芯片的 焊錫球上，再經(jīng)

3、由PCB把熱量散步到環(huán)境中。由于這部分 熱量所占的比例比較小，所以在下面討論芯片封裝和散熱 片的熱阻時(shí)就忽略了這一部分。首先需要理解“熱阻(thermal resistance)的概念，熱阻 是描述物體導(dǎo)熱的能力，熱阻越小，導(dǎo)熱性越好，反之越 差，這一點(diǎn)有點(diǎn)類似電阻的概念。從芯片的硅片到環(huán)境的熱阻，假設(shè)所有的熱量都最終由 散熱片散布到環(huán)境中，這樣可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的熱阻模型，如下圖：刊SA【勝地員到庫(kù)埃的州布-(ft約 1更也供0 CS (芯片怕H裝我般斐JV的域皿 也.心L研也F般的鳩艮n散鰻片股探理fft0 JC(H r,到江片外時(shí)囊的理的E片I家蜘HiT拈湖)帶散熱片的芯片散熱模型從硅片到

4、環(huán)境的總熱阻稱為JA，因此滿足：JA=JC+CS+SAJC是指芯片到外封裝的熱阻，一般由芯片供應(yīng)商提 供;CS是指芯片外封裝到散熱片的熱阻，如果散熱片采用 導(dǎo)熱膠附著在芯片表面，這個(gè)熱阻就是指導(dǎo)熱膠的熱阻， 一般由導(dǎo)熱膠供應(yīng)商提供；SA是指散熱片到環(huán)境的熱阻， 一般由散熱片廠家給出這個(gè)熱阻值，這個(gè)熱阻值是隨著風(fēng) 速的提高而降低的，廠家通常會(huì)給出不同風(fēng)速情況下的熱 阻值。芯片的封裝本身就是作為一個(gè)散熱裝置。如果芯片沒(méi)有 加散熱片，JA就是硅片經(jīng)過(guò)外封裝，再到環(huán)境中的熱阻值， 這個(gè)值顯然要大于有散熱片是的JA值。這個(gè)值取決于芯片 本身封裝的特性，一般由芯片廠家提供。下圖顯示為ALTERA的STRA

5、TIX IV器件的封裝熱阻。 其中給出了各種風(fēng)速下的芯片的JA值，這些值可以用來(lái)計(jì) 算無(wú)散熱器時(shí)的情況。另外，其中的JC是用來(lái)計(jì)算帶散 熱片時(shí)的總JA值。UmicHPi*項(xiàng)&頑 WIAb偵FW12N Itjmlti.W555r eJEDC 2S2PiBaart witnatii OPf) *響 tarar?aFB&AV0.78S72D.3EP-ISE230FBGA97647Q022.0EP4SE29O泗HBGA9.0B2675G02XENSE3W湖1 H9.08267_ 5；6占廠022CEP*沁 K7DFBGA10.73 6as丁舸F皿107旺7Z時(shí)g2 311S2I06A9877E3520

6、.3建0F她g.?04?D5BQZJJ1152陽(yáng)伊08756 1500.217EB45(j3O7WFKfi6470580.2土廠1152FB曲嘉75e.i5.00-21 7頒9 0S25S02鄧1152fBGAS374fi.O4。I。？16面身092 TSB11位FBGA9.74is.aw(2 - ,r 1： - 1StraTIx iv器件封裝的熱阻假設(shè)硅片消耗的功率是P，則:TJ(結(jié)溫)=TA+P*JA需要滿足TJ不能超過(guò)芯片允許的最大的結(jié)溫，再根據(jù) 環(huán)境溫度和芯片實(shí)際消耗的功率，可以計(jì)算出對(duì)JA最大允 許的要求。JAMax=(TJMax - TA)/P TA(環(huán)境溫度)如果芯片封裝本身的JA大