এফপিজিএ থার্মাল ডিজাইনের একটি ব্যাপক ওভারভিউ

    যেকোনো চিপ কাজ করার জন্য, এটি অবশ্যই একটি তাপমাত্রা পরিসীমা পূরণ করতে হবে। এই তাপমাত্রা সিলিকন চিপের তাপমাত্রাকে বোঝায়, যাকে সাধারণত জংশন তাপমাত্রা বলা হয়।
ALTERA-এর FPGA দুটি প্রকারে বিভক্ত: বাণিজ্যিক গ্রেড (বাণিজ্যিক) এবং শিল্প গ্রেড (ইন্ডুয়াট্রিয়াল)। বাণিজ্যিক গ্রেড চিপগুলির জংশন তাপমাত্রা পরিসীমা যা সাধারণত কাজ করতে পারে তা হল 0~85 ডিগ্রি সেলসিয়াস, যেখানে শিল্প গ্রেড চিপগুলির পরিসর হল -40~100 ডিগ্রি সেলসিয়াস৷ প্রকৃত সার্কিটে, আমাদের অবশ্যই নিশ্চিত করতে হবে যে চিপের জংশন তাপমাত্রা তার গ্রহণযোগ্য সীমার মধ্যে রয়েছে।

চিপের বিদ্যুৎ খরচ বাড়ার সাথে সাথে কাজের সময় আরও বেশি তাপ তৈরি হবে। আপনি যদি স্বাভাবিক সীমার মধ্যে চিপের জংশন তাপমাত্রা বজায় রাখতে চান তবে চিপ দ্বারা উত্পন্ন তাপ পরিবেশে দ্রুত নষ্ট করার জন্য আপনাকে নির্দিষ্ট পদ্ধতি গ্রহণ করতে হবে।
যে কেউ মাধ্যমিক বিদ্যালয়ে পদার্থবিদ্যা অধ্যয়ন করেছেন তারা জানেন যে তাপ স্থানান্তরের তিনটি প্রধান পদ্ধতি রয়েছে, যথা পরিবাহী, পরিচলন এবং বিকিরণ, এবং এই পদ্ধতিগুলি চিপগুলি দ্বারা তাপকে বাইরের দিকে ছড়িয়ে দেওয়ার জন্যও ব্যবহার করা হয়।
নীচের চিত্রটি চিপ তাপ অপচয়ের একটি সরলীকৃত মডেল দেখায়। চিত্রে চিপ দ্বারা উত্পন্ন তাপ প্রধানত চিপের বাইরের প্যাকেজে প্রেরণ করা হয়। যদি কোনও তাপ সিঙ্ক সংযুক্ত না থাকে তবে এটি চিপ প্যাকেজ শেল থেকে সরাসরি পরিবেশে ছড়িয়ে পড়বে; যদি একটি তাপ সিঙ্ক যোগ করা হয়, তাপ চিপের বাইরের প্যাকেজ থেকে তাপ সিঙ্ক আঠালো মাধ্যমে প্রেরণ করা হবে। তাপ সিঙ্কে, এবং তারপর তাপ সিঙ্কের মাধ্যমে পরিবেশে। সাধারণভাবে বলতে গেলে, তাপ সিঙ্কের পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল বেশ বড় এবং বাতাসের সাথে যোগাযোগের পৃষ্ঠটি বড়, যা তাপ স্থানান্তরের জন্য সহায়ক। এটি স্বাভাবিক অনুশীলনে পাওয়া গেছে যে বেশিরভাগ তাপ সিঙ্কগুলি কালো, কারণ কালো বস্তুগুলি তাপকে বাইরের দিকে বিকিরণ করা সহজ, যা তাপের বাহ্যিক অপচয়ের জন্যও সহায়ক। এবং তাপ সিঙ্কের পৃষ্ঠে বাতাসের গতি যত দ্রুত হবে, তাপ অপচয় তত ভাল।

সরলীকৃত চিপ তাপ প্রবাহ মডেল
এছাড়াও, চিপ সাবস্ট্রেটের মাধ্যমে চিপের সোল্ডার বলগুলিতে অল্প পরিমাণ তাপ সঞ্চালিত হয় এবং তারপরে তাপকে PCB-এর মাধ্যমে পরিবেশে ছড়িয়ে দেয়। যেহেতু তাপের এই অংশের অনুপাত তুলনামূলকভাবে ছোট, তাই নিচে চিপ প্যাকেজ এবং তাপ সিঙ্কের তাপ প্রতিরোধের আলোচনা করার সময় এই অংশটিকে উপেক্ষা করা হয়।

প্রথমত, আমাদের "তাপীয় প্রতিরোধের" ধারণাটি বুঝতে হবে। তাপীয় প্রতিরোধ একটি বস্তুর তাপ সঞ্চালনের ক্ষমতা বর্ণনা করে। তাপীয় প্রতিরোধ ক্ষমতা যত কম হবে, তাপ পরিবাহিতা তত ভালো হবে এবং তদ্বিপরীত হবে। এটি কিছুটা প্রতিরোধের ধারণার অনুরূপ।

চিপের সিলিকন চিপের তাপীয় প্রতিরোধ থেকে পরিবেশে, অনুমান করে যে সমস্ত তাপ শেষ পর্যন্ত তাপ সিঙ্ক দ্বারা পরিবেশে ছড়িয়ে পড়েছে, একটি সাধারণ তাপ প্রতিরোধের মডেল পাওয়া যেতে পারে, যা নীচের চিত্রে দেখানো হয়েছে:

তাপ সিঙ্ক সঙ্গে চিপ কুলিং মডেল
ডাই থেকে অ্যাম্বিয়েন্ট পর্যন্ত মোট তাপীয় প্রতিরোধকে JA বলা হয়, তাই সন্তুষ্ট হয়:
JA=JC প্লাস CS প্লাস SA
JC চিপ থেকে বাহ্যিক প্যাকেজের তাপীয় প্রতিরোধকে বোঝায়, যা সাধারণত চিপ সরবরাহকারী দ্বারা সরবরাহ করা হয়; CS বলতে চিপের বাহ্যিক প্যাকেজ থেকে তাপ সিঙ্ক পর্যন্ত তাপীয় প্রতিরোধকে বোঝায়। যদি তাপ সিঙ্ক তাপ পরিবাহী আঠালো সঙ্গে চিপের পৃষ্ঠের সাথে সংযুক্ত করা হয়, এই তাপ প্রতিরোধের তাপ আঠালো গাইড. তাপ প্রতিরোধের সাধারণত তাপ পরিবাহী আঠালো সরবরাহকারী দ্বারা প্রদান করা হয়; SA বলতে তাপ সিঙ্ক থেকে পরিবেশের তাপীয় প্রতিরোধকে বোঝায়, যা সাধারণত তাপ সিঙ্ক প্রস্তুতকারকের দ্বারা দেওয়া হয়। বাতাসের গতি বৃদ্ধির সাথে সাথে এই তাপীয় প্রতিরোধ ক্ষমতা হ্রাস পায় এবং প্রস্তুতকারক সাধারণত বিভিন্ন বায়ুর গতিতে তাপীয় প্রতিরোধের মান প্রদান করে।
চিপের প্যাকেজ নিজেই তাপ সিঙ্ক হিসাবে কাজ করে। চিপে যদি হিট সিঙ্ক না থাকে, তাহলে প্যাকেজ হওয়ার পর পরিবেশে সিলিকন চিপের তাপীয় প্রতিরোধের JA হল। এই মান স্পষ্টতই একটি তাপ সিঙ্ক সহ JA মানের চেয়ে বেশি। এই মানটি চিপের প্যাকেজের বৈশিষ্ট্যগুলির উপর নির্ভর করে এবং সাধারণত চিপ প্রস্তুতকারক দ্বারা সরবরাহ করা হয়।
নীচের চিত্রটি ALTERA এর STRATIX IV ডিভাইসের জন্য প্যাকেজ তাপীয় প্রতিরোধের দেখায়। এটি বিভিন্ন বাতাসের গতিতে চিপের JA মান দেয় এবং এই মানগুলি হিট সিঙ্ক ছাড়াই পরিস্থিতি গণনা করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। উপরন্তু, JC তাপ সিঙ্কের সাথে মোট JA মান গণনা করতে ব্যবহৃত হয়।

Stratix iv ডিভাইস প্যাকেজের তাপীয় প্রতিরোধ
অনুমান করা হচ্ছে যে সিলিকন চিপ দ্বারা ব্যবহৃত শক্তি হল P, তারপর:
TJ(জংশন তাপমাত্রা)=TA প্লাস P*JA
এটি সন্তুষ্ট করা প্রয়োজন যে TJ চিপ দ্বারা অনুমোদিত সর্বাধিক জংশন তাপমাত্রা অতিক্রম করতে পারে না এবং তারপর পরিবেষ্টিত তাপমাত্রা এবং চিপ দ্বারা ব্যবহৃত প্রকৃত শক্তি অনুসারে JA-এর জন্য সর্বাধিক অনুমোদিত প্রয়োজনীয়তা গণনা করুন৷
JAMAX=(TJMax - TA)/P TA(পরিবেষ্টিত তাপমাত্রা)
যদি চিপ প্যাকেজের JA নিজেই এই মানের থেকে বেশি হয়, তাহলে চিপ থেকে পরিবেশে কার্যকর JA মান কমাতে এবং চিপটিকে অতিরিক্ত গরম হওয়া থেকে রোধ করতে চিপে একটি উপযুক্ত তাপ অপচয়কারী ডিভাইস যোগ করার কথা বিবেচনা করা প্রয়োজন।
একটি প্রকৃত সিস্টেমে, তাপের কিছু অংশ PCB থেকেও ছড়িয়ে পড়বে। যদি পিসিবিতে অনেকগুলি স্তর থাকে এবং একটি বৃহৎ এলাকা থাকে তবে এটি তাপ অপচয়ের জন্যও খুব উপযোগী।