淺析FPGA芯片的散熱設(shè)計

任何芯片要工作，必須滿足一個溫度范圍，這個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(commercial)和工業(yè)級(induatrial)兩種，商用級的芯片可以正常工作的結(jié)溫范圍為0~85攝氏度，而工業(yè)級芯片的范圍是-40~100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越大，在工作的時候就會產(chǎn)生越來越多的熱量。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)過中學(xué)物理的人都知道，熱量傳遞主要采用三種方法，即傳導(dǎo)、對流和輻射，芯片向外散熱同樣是采用這幾種方式。

下圖所示為一個芯片散熱的簡化模型。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，熱量就會由芯片的外封裝通過散熱片膠傳到散熱片上，再由散熱片傳到環(huán)境中。一般來說，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。

簡化的芯片熱流模型

除此之外，有一小部分熱量經(jīng)過芯片襯底傳導(dǎo)到芯片的焊錫球上，再經(jīng)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，這樣可以得到一個簡單的熱阻模型，如下圖：

帶散熱片的芯片散熱模型

從硅片到環(huán)境的總熱阻稱為JA，因此滿足：

JA=JC+CS+SA

JC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熱阻值，這個熱阻值是隨著風(fēng)速的提高而降低的，廠家通常會給出不同風(fēng)速情況下的熱阻值。

芯片的封裝本身就是作為一個散熱裝置。如果芯片沒有加散熱片，JA就是硅片經(jīng)過外封裝，再到環(huán)境中的熱阻值，這個值顯然要大于有散熱片是的JA值。這個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STRATIX 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，這些值可以用來計算無散熱器時的情況。另外，其中的JC是用來計算帶散熱片時的總JA值。

StraTIx 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，可以計算出對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大于這個值，那么必須考慮給芯片加合適的散熱裝置，以降低芯片到環(huán)境的有效JA值，防止芯片過熱。

在實(shí)際的系統(tǒng)中，部分熱量也會從PCB散出，如果PCB層數(shù)多，面積較大，也是非常有利于散熱的。