工业级和宇航级FPGA器件抗力学性能分析.docxVIP

Vol.20，No.6Dec．，2014第20卷第6期2014年12月功能材料与器件学报JOUＲNALOFFUNCTIONALMATEＲIALSANDDEVICES文章编号:1007－4252(2014)06－0001－173工业级和宇航级FPGA器件抗力学性能分析吕强，尤明懿，管宇辉(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033)摘要:分析了工业级和宇航级FPGA在封装结构上的差别，采用Ansysworkbench有限元软件分析了这两种封装器件在随机振动和冲击载荷下的等效应力。结果表明，工业级FPGA在随机振动和冲击载荷下，等效应力均远小于Sn063Pb37焊球材料抗剪强度，具有足够的安全余量。宇航级FPGA在垂直设备安装面方向的随机振动和冲击载荷下，最大等效应力均已超过90Pb10Sn焊柱材料抗剪强度，对其采取加固措施是必要的。关键词:FPGA;封装结构;随机振动;冲击;等效应力;有限元中图分类号:TN604文献标识码:AMechanicalCharacteristicAnalysisonPackageofIndustrial-gradeandAerospace-gradeFPGALVQiang，YOUMing-yi，GUANYu-hui(No．36ＲesearchInstituteofCETC，JiaxingZhejiang314033，China)Abstract:Thedifferenceofpackagestructurebetweenindustrial－gradeandaerospace－gradeFPGAisdiscussed．UsingthefiniteelementsoftwareAnsysworkbench，theequivalentstressofthepackageunderrandomvibrationandshockLoadareinvestigated．Theresultsshowthattheequivalentstressofindustrial－gradeFPGAisfarlessthanshearstrengthofSn63Pb37materialunderrandomvibrationandshockLoad，it’ssecurityenough．Themaximumequivalentstressofaerospace－gradeFPGAhasexceedshearstrengthof90Pb10Snmaterial，thestakingadhesiveoncornerarenecessary．Keywords:IndustryFPGA;PackageStructure;Ｒandomvibration;Shock;Finiteelement［1］始于90年代末期。0引言工业级FPGA属于COTS有关COTS器件空间应用风险及缓解措施，国(Commercial-offthe［2～5］，内外学者进行了大量研究主要集中在采办控shelf)器件，即商用现货，是可以直接从市场上购买到的器件。由于其性能和价格远优于同时代的宇航级FPGA器件，因此，其在星载设备中的应用越来越受到重视。国外在这方面的研究起步于20世纪70年代，90年代中期至今处于全面发展阶段，国内则制、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。本文则重点讨论工业级FPGA器件的抗力学收稿日期:2014－10－10;修订日期:2014－11－15作者简介:吕强(1968－)，男，浙江嘉兴人，研究员，硕士，主要从事航天电子可靠性总体技术研究功能材料与器件学报20卷174性能问题，主要包括抗随机振动和抗冲击性能两个方面。美国航空航天局(NASA)喷气推进实验室和Actel公司对COTS器件空间应用封装可靠性进行了卓有成效的研究［6～7］，但他们研究的对象是CCGA(CeramicColumnGridArray)封装，这是当时COTS器件(主要是高性能信号处理器件)的主流封装。而如今，CCGA封装反而已成为宇航级FPGA的标准封装，工业级FPGA则都采用芯片倒装形式的FCBGA(Flip－ChipBallGridArray)封装［8～9］。尽管FCBGA封装是一种成熟的封装，FCBGA封装可靠性的研究已有很多报道［10～13］，但涉及大尺寸FCBGA封装可靠性的报道为数不多，将性能上可以相互替换的工业级和宇航级FPGA的封装抗力学性能作对比分析尚未见报道，本研究将有助于工业级FPGA空间应用，为器件组装工艺风险控制提供理论依据。ThermalExpansion)为3ppm/℃，BT基板CTE为18～20ppm/℃，两者相差较大