工业级FPGA器件空间应用散热设计

吕 强，尤明懿, 姜建飞

（中国电子科技集团公司第36研究所，浙江 嘉兴 314033）

1 引言

卫星上传感器获取的信息量越来越大，为完成高效的在轨信号处理，就需要性能强大的信号处理平台，FPGA+DSP仍是目前星上数字信号处理的主流工作模式。由于宇航级FPGA器件不仅价格昂贵，采购渠道不畅，并且在性能上远落后于同时代的工业级FPGA器件，不能满足日益增长的空间高性能信号处理平台的需求，工业级FPGA的空间应用就显得尤为迫切[1]。

针对工业级FPGA空间应用风险及缓解措施，国内外学者进行了大量研究[2~6]，主要集中在采办控制、可靠性评估、器件级升级筛选、器件外围级设计（如抗电离总剂量加固设计、抗单粒子闩锁设计）、系统级设计（如三模冗余设计、软件容错设计）等方面。本文重点讨论工业级FPGA器件散热设计问题。

工业级FPGA与宇航级FPGA相比，虽然其晶体管电压、电流更小，功耗更低，但大容量运算资源仍使得工业级FPGA在获得高性能的同时，器件总功耗相当可观，如某A型FPGA在资源利用率70%时，实测热功耗约10 W，这无疑给空间信号处理平台应用带来巨大挑战。

本文采用Ansysworkbench有限元分析软件，以大规模集成电路空间应用需满足一级降额要求（结温85℃）及高可靠性组装工艺为目标，对工业级FPGA空间应用场合的散热影响因素进行了分析。本研究将有助于有效降低工业级FPGA空间应用使用风险，为推动卫星在轨处理能力的发展提供理论依据。

2 有限元分析模型

2.1 模块有限元分析模型

信号处理模块有限元分析3D模型如图1所示。模块盒外形尺寸208 mm×140 mm×24 mm，壁厚为3 mm，材料为5A05铝合金；印制板尺寸为202 mm×134 mm×1.4 mm，材料为FR4。FPGA1和FPGA2封装尺寸35 mm×35 mm×3.1 mm，功耗分别为10 W，FPGA3封装尺寸29 mm×29 mm×3.1 mm，功耗为5 W，两片DSP封装尺寸25 mm×25 mm×3.5 mm，功耗分别为5 W，两片SRIO封装尺寸29 mm×29 mm×3.5 mm，功耗分别为8 W。器件热量通过带凸台的铝合金盖板传导至模块安装面（A面）进行散热。

图1 模块热分析模型

2.2 器件有限元分析模型

为简化计算，以图1（a）所示剖切面，截取器件中间1 mm宽度作有限元分析3D模型，如图2所示。FPGA外形尺寸为35 mm×1 mm×3.1 mm，BT基板尺寸为35 mm×1 mm×1.2 mm。器件与PCB板连接焊球为63Sn37Pb材料，直径Φ0.6 mm，高度0.5 mm，焊球间距1 mm。上述尺寸在器件封装手册中可以查询，而器件内部尺寸手册中并未提供，本文假定芯片尺寸为20 mm×1 mm×0.45 mm，底充胶厚度0.3 mm，导热胶厚度0.15 mm，顶盖厚度0.4 mm， PCB外形尺寸60 mm×1 mm×1.5 mm，盖板尺寸60 mm×1 mm×3 mm（未包含散热凸台），导热衬垫厚度作为设计变化量进行考虑。为进一步简化模型，图中省略了芯片与BT基板的连接焊球、焊盘、阻焊剂等因素。同时假设封装器件无空洞、裂缝及杂质等加工缺陷，界面接触良好，温度在界面处连续，器件表面组装工艺成熟，不存在焊接工艺缺陷和印制板安装变形。

图2 器件热分析模型

2.3 材料参数

除FR4和BT外，其他材料认为是各向同性和均匀的，模型的材料参数如表1所示[7~9]。

表1 材料参数

2.4 边界条件

图1中A面为安装面，按星载设备鉴定级高温工作温度条件，设置恒定温度50 ℃；其余表面为辐射面，其表面为氧化发黑工艺，发射率ε设置为0.85；所有器件以热功耗除以器件外形体积设置内部热生成热源；模型无对流换热，环境温度设置为50 ℃。图2中1～4端面以模块热分析的输出结果作为温度边界条件，器件以热功耗除以芯片外形体积设置内部热生成热源，模型无对流换热，环境温度设置为50 ℃。

3 结果分析

3.1 模块热分析

模块热分析主要观察模块盖板传导散热的能力，图3显示了模块在前述热边界条件下的温度分布云图。由图可见，尽管铝合金的导热系数高达240W·(mK)-1，但盖板仍呈现明显的温度不均匀性；PCB平面方向的导热系数只有17 W·(mK)-1，其表面温度的不均匀性则更加明显。因此，当我们需要进一步分析FPGA2器件的结温时，首先要利用模块热分析模型得到FPGA2器件盖板和PCB周围的温度值。此外，可以观察到，FPGA1和FPGA2虽然功耗比FPGA3和两片SRIO的功耗高，但由于布置在PCB下部，更有利于热量传递，在此模型中，它们的器件温度会低于FPGA3和SRIO器件的温度。由此可知，功耗较大的器件应尽可能布置在靠近模块的散热面，这样散热效果会更加明显。

由于盖板是器件散热的主要通道，以下对两种盖板厚度的散热情况进行了分析：

当盖板厚度为1.5 mm时，FPGA2器件盖板和PCB两端温度值分别是：1面52.5 ℃，2面69.6 ℃，3面50.9 ℃，4面71.3 ℃。盖板最高温度为72 ℃。

当盖板厚度为3 mm时，FPGA2器件盖板和PCB两端温度值分别是：1面50.8 ℃，2面63.8 ℃，3面50.6 ℃，4面65.7 ℃。盖板最高温度为65.5 ℃。

由此可见，增加盖板厚度到3 mm之后，可使最高温度下降6.5 ℃，散热效果明显。在模块重量方面，可将模块腔底的厚度由原来的3 mm改为1.5 mm，使模块重量基本保持不变。

3.2 器件热分析

在模块热分析中，器件是作为整体热源来考虑的，未考虑其内部顶盖、芯片、底充胶、导热胶、基板及焊球对散热的影响，也未考虑器件与盖板之间的导热垫对散热的影响，因此为准确计算器件结温，同时也为了观察FPGA内部热分布及Sn63Pb37焊球的散热情况，需对图2所示器件热分析模型作进一步分析。

以下用采用3 mm盖板时的模块热分析结果作为器件热分析的输入条件，分析FPGA2器件在两种不同导热率的导热衬垫和不同衬垫厚度情况下的内部热分布。导热衬垫为陶瓷填充硅橡胶（导热系数1.1 W·(mK)-1）和氮化硼填充硅橡胶（导热系数6 W·(mK)-1），厚度分别为1.5 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm。

图3 模块模型温度云图

图4显示了上述两种材料不同厚度条件下的芯片结温。图5显示了氮化硼填充硅橡胶厚度为1.5 mm时的芯片热分布云图。

图4 材料及厚度对芯片结温的影响

从图4可以观察到：采用氮化硼填充硅橡胶的散热效果较好，且导热衬垫厚度对芯片结温的影响不明显，厚度0.25 mm时芯片结温73.2 ℃，厚度1.5 mm时芯片结温77.7 ℃。采用陶瓷填充硅橡胶时导热衬垫厚度对芯片结温的影响明显，厚度0.25 mm时芯片结温77.3 ℃，厚度1.5 mm时芯片结温97.8 ℃。以器件一级降额结温85 ℃为设计值，氮化硼填充硅橡胶4种厚度均可采用，陶瓷填充硅橡胶只能用0.25 mm和0.5 mm两种厚度。

在实际使用中，考虑到零件加工和器件焊接组装过程中产生的误差及硅橡胶的软硬程度，氮化硼填充硅橡胶可选1 mm或1.5 mm厚度，陶瓷填充硅橡胶可选0.5 mm厚度。压缩量需采用材料提供商推荐的值，陶瓷填充硅橡胶压缩后产生的压强为69 kPa，氮化硼填充硅橡胶压缩后产生的压强为138 kPa，对应FPGA器件每个焊球上承受的压力分别为3.61 gf和7.22 gf。相关研究表明[10~11]，当BGA焊球或CCGA焊柱承受正压力时，焊点的热疲劳寿命会受到影响。此外，材料的导热系数是不变的，增加硅橡胶压缩量，对散热并不会有明显改善。因此，硅橡胶使用压强不应超过上述推荐值。

图5 器件模型温度云图

从图5可以观察到：器件内部温度呈中间高四周低形态分布，芯片区域为高温区，其中芯片结温77.7 ℃，器件顶盖75.9 ℃，BT基板77.5 ℃，焊球77.4 ℃，PCB为75.4 ℃，说明器件内部的传热性能较好。结温与顶盖的温差为1.8 ℃，除以总功耗10 W，导热胶的热阻为0.18 ℃·W-1，与器件手册提供的芯片−顶盖热阻不大于0.2 ℃·W-1较符合。其次，器件外表的温度分布是不均匀的，如顶盖中间位置温度为75.9 ℃，而顶盖及基板外侧温度为71.4 ℃，两者相差5.5 ℃。芯片与器件外侧温差6.3 ℃，芯片−器件外侧热阻为0.63 ℃·W-1，比芯片−顶盖热阻值大3倍。由此说明，将器件作为整体热源考虑时是存在一定误差的。此外，在实际温度测量时，应根据温度传感器放置位置，采用相对应的热阻值来计算芯片结温。

3.3 计算误差分析

上述分析模型中，以下几方面与实际情况不同会使计算结果存在一定偏差。首先，信号处理模块需与其他模块一起工作才能构成单机，信号处理模块与其他模块安装接触时会相互影响，与功耗低的模块接触对散热有利，若与功耗大的电源模块接触则对散热不利，如果能和相邻模块一起分析，会使结果更加准确。其次，模型中未考虑盖板与模块盒体、模块盒体与安装平台之间等所有接触面上的接触热阻，计算值比实际值会略微偏低。另外印制板组件上估算的器件功耗与实际功耗有误差，需要通过实际测试、多次迭代后才能使分析模型与实际状态更加接近。

4 结论

经上述信号处理模块级和器件级的热仿真分析，可得到以下结论：

（1）A型工业级FPGA在208 mm×140 mm×24 mm尺寸、总功耗51 W左右的信号处理模块中，通过传导散热方式，其结温能够满足星载设备一级降额的要求；（2）3 mm厚模块盖板比1.5 mm厚模块盖板能使温度降低6.5 ℃，增加盖板厚度的散热效果比较显著，重量方面可以通过减薄模块盒体底面及左、上、右三边围框以抵消；（3）印制板布局方面，发热器件应尽可能靠近模块的安装面方向或尽可能靠近模块盒边框，避免布置在印制板中心区域；（4）可采用导热系数较高的氮化硼填充硅橡胶作导热衬垫，厚度可选1 mm或1.5 mm。如采用陶瓷填充硅橡胶，厚度可选0.5 mm。

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