FPGA 열 설계의 종합적인 개요
모든 칩이 작동하려면 온도 범위를 충족해야 합니다. 이 온도는 일반적으로 접합 온도라고 불리는 실리콘 칩의 온도를 나타냅니다.
ALTERA의 FPGA는 상업 등급(commercial)과 산업 등급(induatrial)의 두 가지 유형으로 구분됩니다. 정상적으로 작동할 수 있는 상용 등급 칩의 접합 온도 범위는 섭씨 0~85도이고, 산업용 등급 칩의 온도 범위는 섭씨 -40~100도입니다. 실제 회로에서는 칩의 접합 온도가 허용 가능한 범위 내에 있는지 확인해야 합니다.
칩의 전력 소비가 증가함에 따라 작업 중에 더 많은 열이 발생합니다. 칩의 접합 온도를 정상 범위 내로 유지하려면 칩에서 발생하는 열을 주변 환경으로 빠르게 방출하는 특정 방법을 취해야 합니다.
중학교에서 물리학을 공부한 사람이라면 열 전달에 전도, 대류, 복사의 세 가지 주요 방법이 있다는 것을 알고 있으며, 이러한 방법은 칩에서도 열을 외부로 방출하는 데 사용됩니다.
아래 그림은 칩 열 방출의 단순화된 모델을 보여줍니다. 그림의 칩에서 발생하는 열은 주로 칩의 외부 패키지로 전달됩니다. 방열판이 부착되어 있지 않으면 칩 패키지 쉘에서 환경으로 직접 소산됩니다. 방열판을 추가하면 방열판 접착제를 통해 칩 외부 패키지에서 열이 전달됩니다. 방열판으로 이동한 다음 방열판을 통해 환경으로 이동합니다. 일반적으로 방열판의 표면적은 상당히 크게 만들어지고 공기와의 접촉면도 넓어 열 전달에 도움이 됩니다. 일반적으로 방열판의 대부분은 검은색인 것으로 밝혀졌습니다. 검은색 물체는 열을 외부로 방출하기 쉽고 열의 외부 방출에도 도움이 되기 때문입니다. 그리고 방열판 표면의 풍속이 빠를수록 열 방출이 좋아집니다.
단순화된 칩 열 흐름 모델
또한 칩 기판을 통해 칩의 솔더볼에 소량의 열이 전달된 후 PCB를 통해 주변으로 열을 방출합니다. 이 부분은 열의 비율이 상대적으로 작기 때문에 아래에서 칩 패키지와 방열판의 열 저항을 논의할 때 이 부분은 무시됩니다.
먼저 '열저항'의 개념을 이해해야 합니다. 열 저항은 물체가 열을 전도하는 능력을 나타냅니다. 열저항이 작을수록 열전도율은 높아지며, 그 반대도 마찬가지입니다. 이는 저항의 개념과 다소 유사합니다.
칩의 실리콘 칩의 열 저항부터 환경까지 모든 열이 방열판에 의해 최종적으로 환경으로 소산된다고 가정하면 아래 그림과 같이 간단한 열 저항 모델을 얻을 수 있습니다.
방열판을 갖춘 칩 냉각 모델
다이에서 주변까지의 총 열 저항을 JA라고 하며 다음을 충족합니다.
JA=JC + CS + SA
JC는 칩에서 외부 패키지까지의 열 저항을 말하며 일반적으로 칩 공급업체가 제공합니다. CS는 칩의 외부 패키지에서 방열판까지의 열 저항을 나타냅니다. 방열판을 열전도성 접착제로 칩 표면에 부착하면 이 열저항이 열접착제를 유도하게 됩니다. 열저항은 일반적으로 열전도성 접착제 공급업체에서 제공합니다. SA는 방열판에서 환경까지의 열 저항을 나타내며 일반적으로 방열판 제조업체에서 제공합니다. 이 열 저항은 풍속이 증가함에 따라 감소하며 제조업체는 일반적으로 다양한 풍속에 대한 열 저항 값을 제공합니다.
칩 패키지 자체가 방열판 역할을 합니다. 칩에 방열판이 없는 경우 JA는 패키징된 후 환경에 대한 실리콘 칩의 열 저항입니다. 이 값은 방열판을 사용한 JA 값보다 확실히 더 큽니다. 이 값은 칩 자체의 패키지 특성에 따라 달라지며 일반적으로 칩 제조업체에서 제공합니다.
아래 그림은 ALTERA의 STRATIX IV 장치에 대한 패키지 열 저항을 보여줍니다. 다양한 풍속에서 칩의 JA 값을 제공하며, 이 값을 사용하여 방열판이 없는 상황을 계산할 수 있습니다. 또한 JC는 방열판을 사용하여 총 JA 값을 계산하는 데 사용됩니다.
Stratix iv 장치 패키지의 열 저항
실리콘 칩이 소비하는 전력을 P라고 가정하면 다음과 같습니다.
TJ(접합 온도)=TA + P*JA
TJ는 칩이 허용하는 최대 접합 온도를 초과할 수 없다는 점을 만족시킨 후 주변 온도와 칩이 소비하는 실제 전력에 따라 JA의 최대 허용 요구 사항을 계산해야 합니다.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(주위 온도)
칩 패키지 자체의 JA가 이 값보다 큰 경우 칩에서 환경으로의 유효 JA 값을 줄이고 칩이 과열되는 것을 방지하기 위해 칩에 적합한 방열 장치를 추가하는 것을 고려해야 합니다.
실제 시스템에서는 열의 일부가 PCB에서도 방출됩니다. PCB에 층이 많고 면적이 넓으면 열 방출에도 매우 도움이 됩니다.
