工業(yè)級FPGA器件空間應(yīng)用散熱設(shè)計

呂 強(qiáng)，尤明懿, 姜建飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第36研究所，浙江 嘉興 314033）

1 引言

衛(wèi)星上傳感器獲取的信息量越來越大，為完成高效的在軌信號處理，就需要性能強(qiáng)大的信號處理平臺，F(xiàn)PGA+DSP仍是目前星上數(shù)字信號處理的主流工作模式。由于宇航級FPGA器件不僅價格昂貴，采購渠道不暢，并且在性能上遠(yuǎn)落后于同時代的工業(yè)級FPGA器件，不能滿足日益增長的空間高性能信號處理平臺的需求，工業(yè)級FPGA的空間應(yīng)用就顯得尤為迫切[1]。

針對工業(yè)級FPGA空間應(yīng)用風(fēng)險及緩解措施，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2~6]，主要集中在采辦控制、可靠性評估、器件級升級篩選、器件外圍級設(shè)計（如抗電離總劑量加固設(shè)計、抗單粒子閂鎖設(shè)計）、系統(tǒng)級設(shè)計（如三模冗余設(shè)計、軟件容錯設(shè)計）等方面。本文重點(diǎn)討論工業(yè)級FPGA器件散熱設(shè)計問題。

工業(yè)級FPGA與宇航級FPGA相比，雖然其晶體管電壓、電流更小，功耗更低，但大容量運(yùn)算資源仍使得工業(yè)級FPGA在獲得高性能的同時，器件總功耗相當(dāng)可觀，如某A型FPGA在資源利用率70%時，實測熱功耗約10 W，這無疑給空間信號處理平臺應(yīng)用帶來巨大挑戰(zhàn)。

本文采用Ansysworkbench有限元分析軟件，以大規(guī)模集成電路空間應(yīng)用需滿足一級降額要求（結(jié)溫85℃）及高可靠性組裝工藝為目標(biāo)，對工業(yè)級FPGA空間應(yīng)用場合的散熱影響因素進(jìn)行了分析。本研究將有助于有效降低工業(yè)級FPGA空間應(yīng)用使用風(fēng)險，為推動衛(wèi)星在軌處理能力的發(fā)展提供理論依據(jù)。

2 有限元分析模型

2.1 模塊有限元分析模型

信號處理模塊有限元分析3D模型如圖1所示。模塊盒外形尺寸208 mm×140 mm×24 mm，壁厚為3 mm，材料為5A05鋁合金；印制板尺寸為202 mm×134 mm×1.4 mm，材料為FR4。FPGA1和FPGA2封裝尺寸35 mm×35 mm×3.1 mm，功耗分別為10 W，F(xiàn)PGA3封裝尺寸29 mm×29 mm×3.1 mm，功耗為5 W，兩片DSP封裝尺寸25 mm×25 mm×3.5 mm，功耗分別為5 W，兩片SRIO封裝尺寸29 mm×29 mm×3.5 mm，功耗分別為8 W。器件熱量通過帶凸臺的鋁合金蓋板傳導(dǎo)至模塊安裝面（A面）進(jìn)行散熱。

圖1 模塊熱分析模型

2.2 器件有限元分析模型

為簡化計算，以圖1（a）所示剖切面，截取器件中間1 mm寬度作有限元分析3D模型，如圖2所示。FPGA外形尺寸為35 mm×1 mm×3.1 mm，BT基板尺寸為35 mm×1 mm×1.2 mm。器件與PCB板連接焊球為63Sn37Pb材料，直徑Φ0.6 mm，高度0.5 mm，焊球間距1 mm。上述尺寸在器件封裝手冊中可以查詢，而器件內(nèi)部尺寸手冊中并未提供，本文假定芯片尺寸為20 mm×1 mm×0.45 mm，底充膠厚度0.3 mm，導(dǎo)熱膠厚度0.15 mm，頂蓋厚度0.4 mm， PCB外形尺寸60 mm×1 mm×1.5 mm，蓋板尺寸60 mm×1 mm×3 mm（未包含散熱凸臺），導(dǎo)熱襯墊厚度作為設(shè)計變化量進(jìn)行考慮。為進(jìn)一步簡化模型，圖中省略了芯片與BT基板的連接焊球、焊盤、阻焊劑等因素。同時假設(shè)封裝器件無空洞、裂縫及雜質(zhì)等加工缺陷，界面接觸良好，溫度在界面處連續(xù)，器件表面組裝工藝成熟，不存在焊接工藝缺陷和印制板安裝變形。

圖2 器件熱分析模型

2.3 材料參數(shù)

除FR4和BT外，其他材料認(rèn)為是各向同性和均勻的，模型的材料參數(shù)如表1所示[7~9]。

表1 材料參數(shù)

2.4 邊界條件

圖1中A面為安裝面，按星載設(shè)備鑒定級高溫工作溫度條件，設(shè)置恒定溫度50 ℃；其余表面為輻射面，其表面為氧化發(fā)黑工藝，發(fā)射率ε設(shè)置為0.85；所有器件以熱功耗除以器件外形體積設(shè)置內(nèi)部熱生成熱源；模型無對流換熱，環(huán)境溫度設(shè)置為50 ℃。圖2中1～4端面以模塊熱分析的輸出結(jié)果作為溫度邊界條件，器件以熱功耗除以芯片外形體積設(shè)置內(nèi)部熱生成熱源，模型無對流換熱，環(huán)境溫度設(shè)置為50 ℃。

3 結(jié)果分析

3.1 模塊熱分析

模塊熱分析主要觀察模塊蓋板傳導(dǎo)散熱的能力，圖3顯示了模塊在前述熱邊界條件下的溫度分布云圖。由圖可見，盡管鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)240W·(mK)-1，但蓋板仍呈現(xiàn)明顯的溫度不均勻性；PCB平面方向的導(dǎo)熱系數(shù)只有17 W·(mK)-1，其表面溫度的不均勻性則更加明顯。因此，當(dāng)我們需要進(jìn)一步分析FPGA2器件的結(jié)溫時，首先要利用模塊熱分析模型得到FPGA2器件蓋板和PCB周圍的溫度值。此外，可以觀察到，F(xiàn)PGA1和FPGA2雖然功耗比FPGA3和兩片SRIO的功耗高，但由于布置在PCB下部，更有利于熱量傳遞，在此模型中，它們的器件溫度會低于FPGA3和SRIO器件的溫度。由此可知，功耗較大的器件應(yīng)盡可能布置在靠近模塊的散熱面，這樣散熱效果會更加明顯。

由于蓋板是器件散熱的主要通道，以下對兩種蓋板厚度的散熱情況進(jìn)行了分析：

當(dāng)蓋板厚度為1.5 mm時，F(xiàn)PGA2器件蓋板和PCB兩端溫度值分別是：1面52.5 ℃，2面69.6 ℃，3面50.9 ℃，4面71.3 ℃。蓋板最高溫度為72 ℃。

當(dāng)蓋板厚度為3 mm時，F(xiàn)PGA2器件蓋板和PCB兩端溫度值分別是：1面50.8 ℃，2面63.8 ℃，3面50.6 ℃，4面65.7 ℃。蓋板最高溫度為65.5 ℃。

由此可見，增加蓋板厚度到3 mm之后，可使最高溫度下降6.5 ℃，散熱效果明顯。在模塊重量方面，可將模塊腔底的厚度由原來的3 mm改為1.5 mm，使模塊重量基本保持不變。

3.2 器件熱分析

在模塊熱分析中，器件是作為整體熱源來考慮的，未考慮其內(nèi)部頂蓋、芯片、底充膠、導(dǎo)熱膠、基板及焊球?qū)ι岬挠绊?，也未考慮器件與蓋板之間的導(dǎo)熱墊對散熱的影響，因此為準(zhǔn)確計算器件結(jié)溫，同時也為了觀察FPGA內(nèi)部熱分布及Sn63Pb37焊球的散熱情況，需對圖2所示器件熱分析模型作進(jìn)一步分析。

以下用采用3 mm蓋板時的模塊熱分析結(jié)果作為器件熱分析的輸入條件，分析FPGA2器件在兩種不同導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱襯墊和不同襯墊厚度情況下的內(nèi)部熱分布。導(dǎo)熱襯墊為陶瓷填充硅橡膠（導(dǎo)熱系數(shù)1.1 W·(mK)-1）和氮化硼填充硅橡膠（導(dǎo)熱系數(shù)6 W·(mK)-1），厚度分別為1.5 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm。

圖3 模塊模型溫度云圖

圖4顯示了上述兩種材料不同厚度條件下的芯片結(jié)溫。圖5顯示了氮化硼填充硅橡膠厚度為1.5 mm時的芯片熱分布云圖。

圖4 材料及厚度對芯片結(jié)溫的影響

從圖4可以觀察到：采用氮化硼填充硅橡膠的散熱效果較好，且導(dǎo)熱襯墊厚度對芯片結(jié)溫的影響不明顯，厚度0.25 mm時芯片結(jié)溫73.2 ℃，厚度1.5 mm時芯片結(jié)溫77.7 ℃。采用陶瓷填充硅橡膠時導(dǎo)熱襯墊厚度對芯片結(jié)溫的影響明顯，厚度0.25 mm時芯片結(jié)溫77.3 ℃，厚度1.5 mm時芯片結(jié)溫97.8 ℃。以器件一級降額結(jié)溫85 ℃為設(shè)計值，氮化硼填充硅橡膠4種厚度均可采用，陶瓷填充硅橡膠只能用0.25 mm和0.5 mm兩種厚度。

在實際使用中，考慮到零件加工和器件焊接組裝過程中產(chǎn)生的誤差及硅橡膠的軟硬程度，氮化硼填充硅橡膠可選1 mm或1.5 mm厚度，陶瓷填充硅橡膠可選0.5 mm厚度。壓縮量需采用材料提供商推薦的值，陶瓷填充硅橡膠壓縮后產(chǎn)生的壓強(qiáng)為69 kPa，氮化硼填充硅橡膠壓縮后產(chǎn)生的壓強(qiáng)為138 kPa，對應(yīng)FPGA器件每個焊球上承受的壓力分別為3.61 gf和7.22 gf。相關(guān)研究表明[10~11]，當(dāng)BGA焊球或CCGA焊柱承受正壓力時，焊點(diǎn)的熱疲勞壽命會受到影響。此外，材料的導(dǎo)熱系數(shù)是不變的，增加硅橡膠壓縮量，對散熱并不會有明顯改善。因此，硅橡膠使用壓強(qiáng)不應(yīng)超過上述推薦值。

圖5 器件模型溫度云圖

從圖5可以觀察到：器件內(nèi)部溫度呈中間高四周低形態(tài)分布，芯片區(qū)域為高溫區(qū)，其中芯片結(jié)溫77.7 ℃，器件頂蓋75.9 ℃，BT基板77.5 ℃，焊球77.4 ℃，PCB為75.4 ℃，說明器件內(nèi)部的傳熱性能較好。結(jié)溫與頂蓋的溫差為1.8 ℃，除以總功耗10 W，導(dǎo)熱膠的熱阻為0.18 ℃·W-1，與器件手冊提供的芯片?頂蓋熱阻不大于0.2 ℃·W-1較符合。其次，器件外表的溫度分布是不均勻的，如頂蓋中間位置溫度為75.9 ℃，而頂蓋及基板外側(cè)溫度為71.4 ℃，兩者相差5.5 ℃。芯片與器件外側(cè)溫差6.3 ℃，芯片?器件外側(cè)熱阻為0.63 ℃·W-1，比芯片?頂蓋熱阻值大3倍。由此說明，將器件作為整體熱源考慮時是存在一定誤差的。此外，在實際溫度測量時，應(yīng)根據(jù)溫度傳感器放置位置，采用相對應(yīng)的熱阻值來計算芯片結(jié)溫。

3.3 計算誤差分析

上述分析模型中，以下幾方面與實際情況不同會使計算結(jié)果存在一定偏差。首先，信號處理模塊需與其他模塊一起工作才能構(gòu)成單機(jī)，信號處理模塊與其他模塊安裝接觸時會相互影響，與功耗低的模塊接觸對散熱有利，若與功耗大的電源模塊接觸則對散熱不利，如果能和相鄰模塊一起分析，會使結(jié)果更加準(zhǔn)確。其次，模型中未考慮蓋板與模塊盒體、模塊盒體與安裝平臺之間等所有接觸面上的接觸熱阻，計算值比實際值會略微偏低。另外印制板組件上估算的器件功耗與實際功耗有誤差，需要通過實際測試、多次迭代后才能使分析模型與實際狀態(tài)更加接近。

4 結(jié)論

經(jīng)上述信號處理模塊級和器件級的熱仿真分析，可得到以下結(jié)論：

（1）A型工業(yè)級FPGA在208 mm×140 mm×24 mm尺寸、總功耗51 W左右的信號處理模塊中，通過傳導(dǎo)散熱方式，其結(jié)溫能夠滿足星載設(shè)備一級降額的要求；（2）3 mm厚模塊蓋板比1.5 mm厚模塊蓋板能使溫度降低6.5 ℃，增加蓋板厚度的散熱效果比較顯著，重量方面可以通過減薄模塊盒體底面及左、上、右三邊圍框以抵消；（3）印制板布局方面，發(fā)熱器件應(yīng)盡可能靠近模塊的安裝面方向或盡可能靠近模塊盒邊框，避免布置在印制板中心區(qū)域；（4）可采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的氮化硼填充硅橡膠作導(dǎo)熱襯墊，厚度可選1 mm或1.5 mm。如采用陶瓷填充硅橡膠，厚度可選0.5 mm。

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