एफपीजीए थर्मल डिजाइन का एक व्यापक अवलोकन

    किसी भी चिप को काम करने के लिए, उसे एक तापमान सीमा को पूरा करना होगा। यह तापमान सिलिकॉन चिप पर तापमान को संदर्भित करता है, जिसे आमतौर पर जंक्शन तापमान कहा जाता है।
ALTERA का FPGA दो प्रकारों में विभाजित है: वाणिज्यिक ग्रेड (वाणिज्यिक) और औद्योगिक ग्रेड (औद्योगिक)। सामान्य रूप से काम कर सकने वाले व्यावसायिक ग्रेड चिप्स की जंक्शन तापमान सीमा 0~85 डिग्री सेल्सियस है, जबकि औद्योगिक ग्रेड चिप्स की सीमा -40~100 डिग्री सेल्सियस है। वास्तविक सर्किट में, हमें यह सुनिश्चित करना होगा कि चिप का जंक्शन तापमान इसकी स्वीकार्य सीमा के भीतर है।

जैसे-जैसे चिप की बिजली खपत बढ़ेगी, काम के दौरान अधिक से अधिक गर्मी उत्पन्न होगी। यदि आप चिप के जंक्शन तापमान को सामान्य सीमा के भीतर बनाए रखना चाहते हैं, तो आपको चिप द्वारा उत्पन्न गर्मी को पर्यावरण में शीघ्रता से फैलाने के लिए कुछ तरीके अपनाने की आवश्यकता है।
जिस किसी ने भी मिडिल स्कूल में भौतिकी का अध्ययन किया है, वह जानता है कि गर्मी हस्तांतरण की तीन मुख्य विधियाँ हैं, अर्थात् चालन, संवहन और विकिरण, और इन विधियों का उपयोग चिप्स द्वारा गर्मी को बाहर की ओर फैलाने के लिए भी किया जाता है।
नीचे दिया गया चित्र चिप ताप अपव्यय का एक सरलीकृत मॉडल दिखाता है। चित्र में चिप द्वारा उत्पन्न गर्मी मुख्य रूप से चिप के बाहरी पैकेज में संचारित होती है। यदि कोई हीट सिंक संलग्न नहीं है, तो यह सीधे चिप पैकेज शेल से पर्यावरण में फैल जाएगा; यदि हीट सिंक जोड़ा जाता है, तो हीट सिंक चिपकने वाले के माध्यम से चिप के बाहरी पैकेज से गर्मी प्रसारित की जाएगी। हीट सिंक तक, और फिर हीट सिंक के माध्यम से पर्यावरण तक। सामान्यतया, हीट सिंक का सतह क्षेत्र काफी बड़ा बनाया जाता है, और हवा के साथ संपर्क सतह बड़ी होती है, जो गर्मी हस्तांतरण के लिए अनुकूल होती है। सामान्य व्यवहार में यह पाया गया है कि अधिकांश हीट सिंक काले होते हैं, क्योंकि काली वस्तुएं आसानी से गर्मी को बाहर की ओर विकीर्ण कर सकती हैं, जो गर्मी के बाहरी अपव्यय के लिए भी अनुकूल है। और हीट सिंक की सतह पर हवा की गति जितनी तेज़ होगी, गर्मी का अपव्यय उतना ही बेहतर होगा।

सरलीकृत चिप ताप प्रवाह मॉडल
इसके अलावा, चिप सब्सट्रेट के माध्यम से चिप की सोल्डर गेंदों में गर्मी की एक छोटी मात्रा का संचालन किया जाता है, और फिर पीसीबी के माध्यम से पर्यावरण में गर्मी को नष्ट कर दिया जाता है। चूंकि गर्मी के इस हिस्से का अनुपात अपेक्षाकृत छोटा है, इसलिए चिप पैकेज और नीचे हीट सिंक के थर्मल प्रतिरोध पर चर्चा करते समय इस हिस्से को नजरअंदाज कर दिया जाता है।

सबसे पहले, हमें "थर्मल प्रतिरोध" की अवधारणा को समझने की आवश्यकता है। थर्मल प्रतिरोध किसी वस्तु की गर्मी संचालित करने की क्षमता का वर्णन करता है। तापीय प्रतिरोध जितना छोटा होगा, तापीय चालकता उतनी ही बेहतर होगी, और इसके विपरीत। यह कुछ हद तक प्रतिरोध की अवधारणा के समान है।

चिप के सिलिकॉन चिप के पर्यावरण के थर्मल प्रतिरोध से, यह मानते हुए कि सारी गर्मी अंततः हीट सिंक द्वारा पर्यावरण में नष्ट हो जाती है, एक सरल थर्मल प्रतिरोध मॉडल प्राप्त किया जा सकता है, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है:

हीट सिंक के साथ चिप कूलिंग मॉडल
डाई से परिवेश तक के कुल तापीय प्रतिरोध को JA कहा जाता है, इसलिए यह संतुष्ट होता है:
जेए=जेसी प्लस सीएस प्लस एसए
जेसी चिप से बाहरी पैकेज तक थर्मल प्रतिरोध को संदर्भित करता है, जो आम तौर पर चिप आपूर्तिकर्ता द्वारा प्रदान किया जाता है; सीएस चिप के बाहरी पैकेज से हीट सिंक तक थर्मल प्रतिरोध को संदर्भित करता है। यदि हीट सिंक थर्मल प्रवाहकीय चिपकने वाले के साथ चिप की सतह से जुड़ा हुआ है, तो यह थर्मल प्रतिरोध थर्मल चिपकने वाले का मार्गदर्शन करने के लिए है। थर्मल प्रतिरोध आम तौर पर थर्मल प्रवाहकीय चिपकने वाले के आपूर्तिकर्ता द्वारा प्रदान किया जाता है; एसए हीट सिंक से पर्यावरण के लिए थर्मल प्रतिरोध को संदर्भित करता है, जो आम तौर पर हीट सिंक निर्माता द्वारा दिया जाता है। यह थर्मल प्रतिरोध हवा की गति बढ़ने के साथ कम हो जाता है, और निर्माता आमतौर पर विभिन्न हवा की गति पर थर्मल प्रतिरोध मान देगा।
चिप का पैकेज ही हीट सिंक का काम करता है। यदि चिप में हीट सिंक नहीं है, तो जेए पैक किए जाने के बाद पर्यावरण के लिए सिलिकॉन चिप का थर्मल प्रतिरोध है। यह मान स्पष्ट रूप से हीट सिंक के साथ JA मान से अधिक है। यह मान चिप के पैकेज की विशेषताओं पर निर्भर करता है, और आम तौर पर चिप निर्माता द्वारा प्रदान किया जाता है।
नीचे दिया गया चित्र ALTERA के STRATIX IV डिवाइस के लिए पैकेज थर्मल प्रतिरोध दिखाता है। यह विभिन्न हवा की गति पर चिप का JA मान देता है, और इन मानों का उपयोग हीट सिंक के बिना स्थिति की गणना करने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, जेसी का उपयोग हीट सिंक के साथ कुल जेए मान की गणना करने के लिए किया जाता है।

स्ट्रैटिक्स iv डिवाइस पैकेज का थर्मल प्रतिरोध
यह मानते हुए कि सिलिकॉन चिप द्वारा खपत की गई शक्ति P है, तो:
टीजे(जंक्शन तापमान)=टीए प्लस पी*जेए
यह संतुष्ट करना आवश्यक है कि टीजे चिप द्वारा अनुमत अधिकतम जंक्शन तापमान से अधिक नहीं हो सकता है, और फिर परिवेश के तापमान और चिप द्वारा खपत की गई वास्तविक शक्ति के अनुसार जेए के लिए अधिकतम स्वीकार्य आवश्यकता की गणना करें।
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(परिवेश तापमान)
यदि चिप पैकेज का JA स्वयं इस मान से अधिक है, तो चिप से पर्यावरण तक प्रभावी JA मान को कम करने और चिप को ज़्यादा गरम होने से रोकने के लिए चिप में एक उपयुक्त ताप अपव्यय उपकरण जोड़ने पर विचार करना आवश्यक है।
एक वास्तविक प्रणाली में, गर्मी का कुछ हिस्सा पीसीबी से भी नष्ट हो जाएगा। यदि पीसीबी में कई परतें और एक बड़ा क्षेत्र है, तो यह गर्मी अपव्यय के लिए भी बहुत अनुकूल है।