FPGA の熱設計の包括的な概要

    チップが動作するには、温度範囲を満たしている必要があります。 この温度はシリコンチップ上の温度を指し、通常はジャンクション温度と呼ばれます。
アルテラのFPGAはコマーシャルグレード（商用）とインダストリアルグレード（工業用）の2種類に分かれます。 正常に動作できる商用グレードのチップのジャンクション温度範囲は摂氏 0 ～ 85 ℃ですが、産業用グレードのチップのジャンクション温度範囲は摂氏 -40 ～ 100 ℃です。 実際の回路では、チップのジャンクション温度が許容範囲内にあることを確認する必要があります。

チップの消費電力が増加すると、動作中に発生する熱も増加します。 チップのジャンクション温度を通常の範囲内に維持したい場合は、チップから発生した熱を環境に素早く放散するための特定の方法を講じる必要があります。
中学校で物理を勉強したことのある人なら誰でも、熱伝達には伝導、対流、放射という 3 つの主な方法があり、チップが熱を外部に放散するためにもこれらの方法が使用されていることを知っています。
以下の図は、チップの放熱の簡略化されたモデルを示しています。 図のチップから発生する熱は主にチップの外装に伝わります。 ヒートシンクが取り付けられていない場合、ヒートシンクはチップパッケージのシェルから環境に直接放散されます。 ヒートシンクを追加すると、熱はチップの外側のパッケージからヒートシンク接着剤を介して伝達されます。 ヒートシンクに伝わり、次にヒートシンクを通って環境に伝わります。 一般にヒートシンクは表面積が大きく作られており、空気との接触面が大きいため熱が伝わりやすくなります。 通常、ほとんどのヒートシンクは黒色であることがわかっています。これは、黒い物体は熱を外部に放射しやすく、熱を外部に放散するのにも役立つためです。 また、ヒートシンク表面の風速が速いほど、熱放散が良くなります。

簡略化されたチップ熱流モデル
さらに、少量の熱がチップ基板を介してチップのはんだボールに伝導し、PCB を介して環境に熱を放散します。 熱のこの部分の割合は比較的小さいため、以下のチップ パッケージとヒート シンクの熱抵抗を議論する際には、この部分は無視されます。

まずは「熱抵抗」という概念を理解する必要があります。 熱抵抗は、物体の熱伝導能力を表します。 熱抵抗が小さいほど熱伝導率は良く、その逆も同様です。 これは抵抗の概念に似ています。

チップのシリコンチップから環境への熱抵抗から、すべての熱が最終的にヒートシンクによって環境に放散されると仮定すると、次の図に示すような単純な熱抵抗モデルを取得できます。

ヒートシンク付きチップ冷却モデル
ダイから周囲までの総熱抵抗は JA と呼ばれ、次の条件を満たします。
JA=JC プラス CS プラス SA
JC はチップから外部パッケージまでの熱抵抗を指し、通常はチップの供給者によって提供されます。 CS は、チップの外部パッケージからヒートシンクまでの熱抵抗を指します。 ヒートシンクが熱伝導性接着剤を使用してチップの表面に取り付けられている場合、この熱抵抗は熱伝導性接着剤のガイドとなります。 熱抵抗は通常、熱伝導性接着剤の供給者によって提供されます。 SA は、ヒートシンクから環境までの熱抵抗を指し、通常、ヒートシンクのメーカーによって指定されます。 この熱抵抗は風速の増加とともに減少するため、メーカーは通常、さまざまな風速での熱抵抗値を示します。
チップのパッケージ自体がヒートシンクとして機能します。 チップにヒートシンクがない場合、JA はパッケージ化後の環境に対するシリコン チップの熱抵抗です。 この値はヒートシンクを使用した場合の JA 値よりも明らかに大きくなります。 この値はチップ自体のパッケージの特性に依存し、通常はチップの製造元によって提供されます。
以下の図は、ALTERA の STRATIX IV デバイスのパッケージの熱抵抗を示しています。 さまざまな風速におけるチップの JA 値が得られ、これらの値を使用してヒートシンクなしの状況を計算できます。 また、JC はヒートシンクとの合計 JA 値を計算するために使用されます。

Stratix iv デバイス・パッケージの熱抵抗
シリコン チップによって消費される電力を P とすると、次のようになります。
TJ(接合温度)=TA プラス P*JA
TJ がチップで許容される最大接合部温度を超えられないことを確認し、周囲温度とチップが実際に消費する電力に応じて JA の最大許容要件を計算する必要があります。
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(周囲温度)
チップパッケージ自体の JA がこの値より大きい場合は、チップから環境への実効 JA 値を減らし、チップの過熱を防ぐために、チップに適切な放熱デバイスを追加することを検討する必要があります。
実際のシステムでは、熱の一部は PCB からも放散されます。 PCB の層が多く面積が大きい場合、熱放散にも非常に役立ちます。