浅析FPGA芯片的散热设计

1、浅析FPGA芯片的散热设计任何芯片要工作，必须满足一个温度范围，这个温度是 指硅片上的温度，通常称之为结温(junction temperature) ALTERA的FPGA分为商用级(commercial)和工业级 (induatrial)两种，商用级的芯片可以正常工作的结温范围 为085摄氏度，而工业级芯片的范围是-40100摄氏度。 在实际电路中，我们必须保证芯片的结温在其可以承受的 范围之内。随着芯片的功耗越来越大，在工作的时候就会产生越来 越多的热量。如果要维持芯片的结温在正常的范围以内， 就需要采取一定的方法使得芯片产生的热量迅速发散到环 境中去。学过中学物理的人都知道，热量传递主

2、要采用三种方法， 即传导、对流和辐射，芯片向外散热同样是采用这几种方 式。下图所示为一个芯片散热的简化模型。图中芯片产生的 热量主要传给芯片外封装，如果没有贴散热片，就由芯片 封装外壳直接散布到环境中去;如果加了散热片，热量就会 由芯片的外封装通过散热片胶传到散热片上，再由散热片 传到环境中。一般来说，散热片的表面积都做的相当大， 与空气的接触面就大，这样有利于传热。在平时的实践中 已经发现，绝大多数散热片都是黑色的，由于黑色物体容 易向外辐射热量，这样也有利于热量向外散发。而且散热 片表面的风速越快，散热越好。简化的芯片热流模型除此之外，有一小部分热量经过芯片衬底传导到芯片的 焊锡球上，再经

3、由PCB把热量散步到环境中。由于这部分 热量所占的比例比较小，所以在下面讨论芯片封装和散热 片的热阻时就忽略了这一部分。首先需要理解“热阻(thermal resistance)的概念，热阻 是描述物体导热的能力，热阻越小，导热性越好，反之越 差，这一点有点类似电阻的概念。从芯片的硅片到环境的热阻，假设所有的热量都最终由 散热片散布到环境中，这样可以得到一个简单的热阻模型，如下图：刊SA【胜地员到库埃的州布-(ft约 1更也供0 CS (芯片怕H装我般斐JV的域皿 也.心L研也F般的鸠艮n散鳗片股探理fft0 JC(H r,到江片外时囊的理的E片I家蜘HiT拈湖)带散热片的芯片散热模型从硅片到

4、环境的总热阻称为JA，因此满足：JA=JC+CS+SAJC是指芯片到外封装的热阻，一般由芯片供应商提 供;CS是指芯片外封装到散热片的热阻，如果散热片采用 导热胶附着在芯片表面，这个热阻就是指导热胶的热阻， 一般由导热胶供应商提供；SA是指散热片到环境的热阻， 一般由散热片厂家给出这个热阻值，这个热阻值是随着风 速的提高而降低的，厂家通常会给出不同风速情况下的热 阻值。芯片的封装本身就是作为一个散热装置。如果芯片没有 加散热片，JA就是硅片经过外封装，再到环境中的热阻值， 这个值显然要大于有散热片是的JA值。这个值取决于芯片 本身封装的特性，一般由芯片厂家提供。下图显示为ALTERA的STRA

5、TIX IV器件的封装热阻。 其中给出了各种风速下的芯片的JA值，这些值可以用来计 算无散热器时的情况。另外，其中的JC是用来计算带散 热片时的总JA值。UmicHPi*项&顽 WIAb侦FW12N Itjmlti.W555r eJEDC 2S2PiBaart witnatii OPf) *响 tarar?aFB&AV0.78S72D.3EP-ISE230FBGA97647Q022.0EP4SE29O泗HBGA9.0B2675G02XENSE3W湖1 H9.08267_ 5；6占厂022CEP*沁 K7DFBGA10.73 6as丁舸F皿107旺7Z时g2 311S2I06A9877E3520

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