反熔絲FPGA 器件真空發(fā)熱及散熱措施

孫杰杰，王海超，于 躍，費(fèi)劉俊，完文韜，曹凱華

（1. 中科芯集成電路有限公司，無(wú)錫 214072； 2. 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109；3. 北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院； 4. 北京航空航天大學(xué) 集成電路科學(xué)與工程學(xué)院：北京 100191）

0 引言

航天器長(zhǎng)期工作在復(fù)雜惡劣的真空環(huán)境中，散熱手段有限。其內(nèi)部溫度水平關(guān)乎儀器設(shè)備和部件功能的發(fā)揮、性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)以及整器的可靠性和壽命等。因此，航天器的熱控制能力對(duì)其在空間應(yīng)用至關(guān)重要。隨著航天器功能任務(wù)的提高，對(duì)熱控制系統(tǒng)的控溫能力和控溫精度要求越來(lái)越高。然而，系統(tǒng)控溫措施往往僅關(guān)注整體或者發(fā)熱量較大的分系統(tǒng)或模塊；若要精細(xì)到個(gè)別局部區(qū)域或某個(gè)電子元器件時(shí)，則需要采取一些有效措施將局部散熱與系統(tǒng)散熱進(jìn)行有效連接和組合。

電子設(shè)備是航天器內(nèi)部熱量的來(lái)源之一。隨著電子元器件的性能提升以及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，電子元器件的總發(fā)熱密度大幅增長(zhǎng)。若器件的散熱能力有限，就會(huì)造成自身溫度升高，以致性能下降、可靠性變差、壽命縮短等。阿倫紐斯模型表明，器件的退化速率隨溫度呈e 指數(shù)規(guī)律變化，即溫度每上升10 ℃，器件壽命縮短一半。因此，美國(guó)早在20 世紀(jì)70 年代就發(fā)布了可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)，要求在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，電子設(shè)備設(shè)計(jì)工程師、熱設(shè)計(jì)工程師和可靠性工程師密切合作，將熱管理貫穿于電子系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)的全過(guò)程。我國(guó)國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)委員會(huì)也在1992 年7 月頒布了GJB/Z 27—1992《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》，為軍用電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)提供了基本理論和方法；1993 年9 月頒布了GJB/Z 35—1993《元器件降額準(zhǔn)則》，規(guī)定了各種元器件在不同應(yīng)用情況下應(yīng)降額的參數(shù)和量值。合理的熱設(shè)計(jì)可以減少元器件，尤其是真空環(huán)境中的電子元器件的失效，因此有必要對(duì)真空環(huán)境下的器件發(fā)熱及散熱特性進(jìn)行分析，以便為后端熱設(shè)計(jì)提供參考。

反熔絲FPGA 因其較高的可靠性和反熔絲本身對(duì)輻照免疫而被廣泛應(yīng)用于各種航天器。早期國(guó)內(nèi)外航天器所需的FPGA 產(chǎn)品均來(lái)自美國(guó)的Actel 公司，而當(dāng)前為應(yīng)對(duì)西方對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖和核心元器件禁運(yùn)，亟需實(shí)現(xiàn)反熔絲FPGA 產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化。國(guó)產(chǎn)10 萬(wàn)門反熔絲FPGA 內(nèi)部時(shí)序邏輯（R 單元）采用了三模冗余，質(zhì)量等級(jí)對(duì)標(biāo)Actel 公司宇航最高等級(jí)（V 級(jí)）產(chǎn)品，采用了帶熱沉的陶瓷四側(cè)扁平208 引腳封裝（CQFP208）。在此類較大尺寸封裝（瓷體29.2 mm×29.2 mm）中引入大尺寸熱沉（23 mm×23 mm）并應(yīng)用于航天器在國(guó)內(nèi)尚屬首次，且對(duì)于帶熱沉封裝的反熔絲FPGA 的裝配和散熱方式無(wú)任何資料可借鑒。由于該器件自帶熱沉，最好的散熱措施應(yīng)為直接將熱沉焊接到印制電路板（PCB）上，然而這種方法只適用于代碼和技術(shù)狀態(tài)均已固化的成熟產(chǎn)品；另外，在實(shí)際使用中，某些應(yīng)用場(chǎng)合該器件的功耗并不大，無(wú)須散熱處理。因此，為了合理使用該器件，應(yīng)當(dāng)首先確定其必須進(jìn)行散熱處理的臨界功耗，再找到不對(duì)熱沉進(jìn)行焊接的其他散熱措施。本文通過(guò)熱真空試驗(yàn)對(duì)反熔絲FPGA 器件的真空發(fā)熱特性進(jìn)行研究，以確定合理、有效的散熱措施。

1 試驗(yàn)對(duì)象和方法

試驗(yàn)器件選用某國(guó)產(chǎn)10 萬(wàn)門反熔絲FPGA，其正、背面照片如圖1(a)、(b)所示，圖1(c)為其橫截面示意。芯片與熱沉通過(guò)導(dǎo)電膠黏結(jié)，熱沉為WuCu合金，是導(dǎo)熱系數(shù)為191 W/(m?K)的高導(dǎo)熱材料，厚度為1 mm，面積為23 mm×23 mm。

圖1 試驗(yàn)器件照片及其橫截面示意Fig. 1 Front, back and cross section view of the device

試驗(yàn)過(guò)程中，將器件置于真空度優(yōu)于1.3×10Pa的真空罐中，用加熱絲模擬熱輻射源，通過(guò)測(cè)控設(shè)備穩(wěn)定試驗(yàn)條件。為使試驗(yàn)樣品產(chǎn)生遞增功耗，采用外部信號(hào)源提供頻率遞增的工作時(shí)鐘。通過(guò)熱電偶溫度傳感器測(cè)試樣品電路頂部蓋板中央或底部熱沉中央的溫度代表器件溫度。熱電偶端頭為直徑8 mm 的圓形平面，通過(guò)導(dǎo)熱膠GD480 與被測(cè)點(diǎn)緊密黏結(jié)。試驗(yàn)時(shí)器件處于工作狀態(tài)，端口電壓和內(nèi)核電壓分別設(shè)置為5.5 V 和2.75 V（為了產(chǎn)生較大功耗，均較典型工作電壓超出10%）。器件編程后的資源利用率為93.49%。

試驗(yàn)條件及樣品分配情況如表1 所示。其中在焊盤上打通孔是為了將熱量從焊盤傳導(dǎo)到2 mm厚的PCB 的地平面并散發(fā)出去。試驗(yàn)過(guò)程中，每次增大功耗后須等待器件溫度上升且穩(wěn)定后記錄蓋板和熱沉溫度數(shù)值（試驗(yàn)條件2～13 中由于空間關(guān)系無(wú)法測(cè)量熱沉溫度，僅測(cè)量蓋板溫度），再進(jìn)行下一次增大器件功耗的操作。

表1 試驗(yàn)條件及樣品分配情況Table 1 Test conditions and sample allocations

試驗(yàn)用PCB 如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)用PCB 照片F(xiàn)ig. 2 Photos of PCB for the test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)條件1 下，器件散熱只有2 種途徑：其一為器件自身熱輻射；其二為熱量通過(guò)208 個(gè)引腳傳到PCB，再?gòu)腜CB 經(jīng)過(guò)熱輻射散發(fā)出去，散熱效果與PCB 面積直接相關(guān)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)熱電偶對(duì)每次增大功耗后的器件蓋板和熱沉溫度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖3 所示，其中每次溫度重新達(dá)到平衡的時(shí)間不超過(guò)11 min。

圖3 試驗(yàn)條件1 下器件蓋板和熱沉溫度隨功耗的變化Fig. 3 Temperature changes of device cover plate and heat sink against power consumption under condition 1

在航天工程應(yīng)用中，應(yīng)按照GJB/Z 35—1993《元器件降額準(zhǔn)則》的要求對(duì)元器件降額使用，其中要求航天器與戰(zhàn)略火箭降額等級(jí)至少為Ⅰ級(jí)，在此要求下MOS 集成電路結(jié)溫最高不能超過(guò)85 ℃。根據(jù)圖3，器件功耗為0.97 W 時(shí)其熱沉溫度達(dá)到85 ℃；而結(jié)–熱沉間的熱阻僅為0.56 ℃/W，因此芯片結(jié)溫約等于熱沉溫度，即可以認(rèn)為在該試驗(yàn)條件下，若要滿足Ⅰ級(jí)降額要求，則器件功耗不能超過(guò)0.97 W；若想提升功耗，則必須要有更好的散熱措施。從圖3 中也可以看出，隨著功耗升高，熱沉與蓋板之間的溫差越來(lái)越大，這是由于結(jié)–蓋板間的熱阻（5.41 ℃/W）遠(yuǎn)大于結(jié)?熱沉間的熱阻，隨著功耗的增加，散熱熱流越來(lái)越大所致。

試驗(yàn)條件2～5 下，器件蓋板溫度隨功耗的變化如圖4 所示。這4 種條件均為熱沉直接焊接到PCB 上，但熱沉下方的焊盤面積和通孔數(shù)量不同。從圖4 可以看出，4 種條件下蓋板溫度在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上相差不大，表明蓋板溫度與焊盤面積、通孔數(shù)量關(guān)系不大。這并不符合最初的預(yù)期，因?yàn)槔碚撋虾副P越大、通孔數(shù)量越多，越有利于器件將熱量傳導(dǎo)到PCB 進(jìn)行散熱。分析其原因認(rèn)為，在真空模擬環(huán)境中，熱量傳遞按照“芯片→熱沉→焊盤→PCB→真空腔體模擬環(huán)境”和“芯片→管殼和蓋板→真空腔體模擬環(huán)境”鏈條進(jìn)行，其中“芯片→熱沉→焊盤→PCB”和“芯片→管殼和蓋板”均主要靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱量傳遞，傳遞效率高；而最后一環(huán)“PCB→真空腔體模擬環(huán)境”和“管殼和蓋板→真空腔體模擬環(huán)境”靠熱輻射進(jìn)行散熱，散熱效率低，成為散熱的“瓶頸”。而在實(shí)際的航天器熱設(shè)計(jì)中，PCB 連接金屬機(jī)殼（器件也可以通過(guò)在蓋板上安裝散熱片、導(dǎo)熱鎖等連接機(jī)殼），機(jī)殼的熱量通過(guò)系統(tǒng)散熱措施直接散到航天器外部真空黑冷環(huán)境中，其散熱效率比本試驗(yàn)中的最后散熱環(huán)節(jié)（熱輻射）效率高得多。本試驗(yàn)受條件所限，無(wú)法模擬航天器的系統(tǒng)散熱，但可證明熱沉下方焊盤面積、通孔數(shù)量均不是器件散熱過(guò)程中的“瓶頸”。比較試驗(yàn)條件6～9 下器件蓋板溫度隨功耗的變化（圖5），可以得出相同的結(jié)論。

圖4 試驗(yàn)條件2～5 下器件蓋板溫度隨功耗的變化Fig. 4 Temperature changes of cover plate against power consumption under conditions 2 to 5

圖5 試驗(yàn)條件6～9 下器件蓋板溫度隨功耗的變化Fig. 5 Temperature change of cover plate against power consumption under conditions 6 to 9

比較試驗(yàn)條件10～13 下器件蓋板溫度隨功耗的變化，如圖6 所示。其中，條件10 和11 為熱沉通過(guò)銅帶（厚度分別為0.2 mm 和0.1 mm）與PCB連接散熱，條件12 和13 為銅帶保持與熱沉的連接但與PCB 斷開接觸的情況。

圖6 試驗(yàn)條件10～13 下器件蓋板溫度隨功耗的變化Fig. 6 Temperature change of cover plate against power consumption under conditions 10 to 13

由圖6 可以看出：

1）采用0.2 mm 或0.1 mm 厚銅帶在器件散熱效果方面無(wú)明顯區(qū)別；

2）銅帶是否斷開與PCB 的接觸對(duì)器件散熱效果影響不明顯，環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)兩者間大約有3 ℃差異，而環(huán)境溫度為70 ℃時(shí)已無(wú)明顯差異，其主要原因?yàn)闊彷椛鋸?qiáng)度與溫度的4 次方成正比，隨著溫度升高，銅帶本身的熱輻射顯著增強(qiáng)。

另外，與條件2～9 相比，條件10～13 下的PCB面積大大增加但并未顯著加快散熱速度，因?yàn)镻CB地平面中距銅帶接觸點(diǎn)越遠(yuǎn)的地方溫度越低，且溫度從地平面?zhèn)鲗?dǎo)到PCB 表面再進(jìn)行熱輻射這一環(huán)節(jié)中的熱傳遞效率較低（PCB 板材質(zhì)為FR-4，導(dǎo)熱系數(shù)較小，為0.2 W/(m?K)），所以PCB 上距接觸點(diǎn)較遠(yuǎn)處的散熱可忽略不計(jì)。

3 結(jié)論與建議

本文通過(guò)熱真空試驗(yàn)，探索了采用帶熱沉封裝的反熔絲FPGA 器件在真空環(huán)境下功耗與器件溫度之間的關(guān)系，以及器件溫度與PCB 面積、熱沉散熱方式、PCB 上熱沉焊盤面積、焊盤與地平面之間通孔數(shù)量的關(guān)系，得到如下結(jié)論與建議：

1）在PCB 面積為9.25 cm×9.0 cm、無(wú)散熱措施、器件結(jié)溫達(dá)到85 ℃時(shí)，功耗約為1 W。此數(shù)據(jù)可作為在實(shí)際應(yīng)用時(shí)是否須對(duì)器件作散熱處理的參考臨界值。

2）在該試驗(yàn)中熱沉與PCB 之間采用焊接或?qū)峤^緣墊對(duì)散熱效果影響不大，熱沉焊盤面積及焊盤與地平面之間通孔數(shù)量對(duì)散熱效果也影響不大，但為了達(dá)到更快的散熱速度，仍建議在航天裝聯(lián)工藝規(guī)則范圍內(nèi)盡量擴(kuò)大熱沉下方焊盤的面積并適當(dāng)增加焊盤到地平面的通孔數(shù)量，且通孔應(yīng)盡量分布在焊盤邊緣。另外，建議選用高導(dǎo)熱率的PCB，并將PCB 連接到結(jié)構(gòu)件以對(duì)接系統(tǒng)散熱連接。

3）實(shí)際航天器系統(tǒng)控溫措施可靠性較高，其內(nèi)部電子元器件工作環(huán)境溫度可控制在0～25 ℃范圍。因此可考慮將與器件熱沉連接的銅帶另一端直接通過(guò)導(dǎo)熱絕緣墊連接到機(jī)殼進(jìn)行散熱。

4）若FPGA 底部PCB 無(wú)走線或背部無(wú)其他元器件，熱沉通過(guò)PCB 開窗及導(dǎo)熱絕緣墊直接連接到金屬機(jī)殼的方案也是非常有效的散熱方式。

5）在實(shí)際使用過(guò)程中也可考慮其他散熱措施，例如通過(guò)蓋板散熱，可在蓋板上安裝通過(guò)絕緣措施連接到結(jié)構(gòu)件的散熱片或?qū)徭i等。

6）發(fā)射率是輻射換熱的重要參數(shù)，為增加結(jié)構(gòu)面到真空腔體的輻射換熱，可考慮采用涂黑等方式。

本次實(shí)驗(yàn)由于條件所限未采用系統(tǒng)散熱措施，對(duì)元器件和PCB 的散熱造成了一定的限制，后續(xù)將配合熱傳導(dǎo)和輻射仿真軟件進(jìn)行先期分析，進(jìn)一步完善該實(shí)驗(yàn)。