NewSpace Systems进行卫星仿真，以克服冲击和振动挑战

Ansys Sherlock电子可靠性预测软件助力为现场可编程门阵列执行振动与冲击分析

我们从1995年的电影《阿波罗13号》中了解到，在太空中，“不允许发生任何失效”，不仅不允许存在可能会危机宇航员生命的隐患（幸运的是，阿波罗13号任务中避免了这种情况），也不允许出现以下一些看似简单的故障情况，比如半导体芯片上，因热应力或机械应力而导致的电气引线断裂。此类印刷电路板（PCB）失效，可能会导致极其昂贵的无人卫星过早损坏，让多年的研发以及该卫星要执行的任务付诸东流。因此发射前，必须对每个芯片的设计进行全面测试。

NewSpace Systems总部设在南非，这是一家备受信赖的跨国航天器组件及子系统制造商，该公司最近在设计现场可编程门阵列（FPGA）时就遇到了相关问题。FPGA是一种集成电路，它是现代控制电路的大脑。就NewSpace的目标而言，这些FPGA必须在火箭发射到太空时完好无损，能够承受火箭发射引起的剧烈振动和冲击载荷等。此外，它们还必须在卫星的整个生命周期（通常是几十年）内完全可靠地运行，在此期间，周而复始的循环载荷可能会导致疲劳失效。

对这款新型FPGA进行的初步物理振动测试显示，两根电气引线有裂纹（如图1中红色区域所示）。这时就需要重新设计电路板。但构建并测试物理原型是一个成本高昂的缓慢过程。因此，在Ansys精选渠道合作伙伴Qfinsoft的帮助下，NewSpace使用Ansys Sherlock电子可靠性预测软件对失效原因进行了仿真，并测试了不同的缓解策略。一旦建立起Sherlock模型，测试设计方案只需耗时几小时，而不再需要数周。

仿真解决方案

Sherlock软件是一款基于物理场的工程仿真解决方案，可在早期设计阶段为组件、电路板与系统级的电子硬件提供快速使用寿命预测。Sherlock软件可以进行一些基本分析，例如焊点疲劳，但完整的机械载荷仿真需要外部有限元分析（FEA）求解器。为此，Sherlock软件与Ansys Mechanical结构分析软件无缝连接，在后台运行FEA，Sherlock软件随后可解读结果。

执行FEA建模

在这里，振动是引线失效的主要问题，因此NewSpace首先运行模态分析，以确定安装FPGA的PCB的固有振动频率。电路板层、组件位置、引线类型、电路板安装点，以及灌封和点胶加固区域会影响固有振动频率。

我们以安装点为例，说明组件如何能影响PCB的振动。安装点通常为其布局设计留有空间，其中会在电路板上钻孔。（参见图2a中的黑圆圈。）但现在还缺乏PCB安装方式的精确详细信息。在Sherlock软件中，NewSpace可以定义其计划用于每个位置的安装类型（图2b）。安装类型会影响冲击或振动等载荷转移至电路板材料的方式。

在认证测试中，NewSpace非常关注以下三种机械结果：随机振动（RV）、机械冲击（MS）和谐波振动（HV）。每种结果均由唯一的载荷分布定义。例如，与火箭发射相关的随机振动载荷结果如图3a所示，其相关振动功率谱密度（PSD）统计分布如图3b所示。

结合解决方案以减少失效

为了防止FPGA的引线失效，NewSpace尝试了结合两种解决方案。首先是向组件的PCB添加额外的安装点，以增加其谐振模式的频率，使其超出破坏性振动谱。其次是使用名为“固持（staking）”的工艺加固底座，这不仅可提高其模态频率，而且还可减少底座在振动作用下的挠度。（参见图6b中的黄色椭圆形。）固持/加固固定（staking）是指使用树脂或粘合剂将组件粘合在一起，或将组件粘合至电路板。粘合剂将芯片固定在电路板表面，减少引线的部分载荷。

通过对底座及PCB执行Mechanical软件的随机振动分析，并评估底座的总挠度以及引线的疲劳寿命，优化了安装和固持解决方案的组合。不出所料，NewSpace见证了引线在振动下的性能提升。根据Sherlock软件的使用寿命预测，很遗憾，有些引线仍然会失效，但失效的数量比以前更少，而且失效只会在两三年后出现，使用寿命明显比之前仿真显示的时间久。在进行更多仿真后，NewSpace成功制造出了在卫星生命周期中具有100%可靠性的FPGA，这也正是最初设定的目标。

如欲了解有关Sherlock软件功能的更多详情，敬请访问我们的Ansys Sherlock软件页面。