使用 Ansys Sherlock 電子可靠度預測軟體，執行現場可程式化閘道陣列的振動與衝擊分析
正如我們於 1995 年電影《阿波羅 13 號》中所見，在太空中「失敗不是選項」。這句話不僅適用於像阿波羅 13 號這樣的任務 (所幸最後有驚無險)，因為一旦失敗，可能意味著太空人的死亡，也同樣適用於看似微不足道的情況，例如因熱或機械應力，造成半導體晶片上的電氣互連斷裂。印刷電路板 (PCB) 若發生此類失敗，可能導致極其昂貴的無人衛星提前報廢，這不僅摧毀多年來的研發成果，也讓該衛星原本預定執行的任務功虧一簣。因此，絕對有必要在發射前全面測試每一項晶片設計。
總部位於南非的 NewSpace Systems，是一家值得信賴的跨國太空船元件與子系統製造商，近期在設計一款現場可程式化閘道陣列 (FPGA) 時，就遇到了類似問題。FPGA 是一種積體電路，為現代控制電路的運算核心。對 NewSpace 而言，這些元件必須能承受火箭升空過程中產生的劇烈振動與衝擊負載，才能順利進入太空。此外，這些元件在整顆衛星的使用壽命期間 (通常是數十年)，同樣須維持 100% 的可靠度，而在這段時間內，反覆的循環負載，可能導致疲勞故障發生。
針對這款全新 FPGA 進行初步物理振動測試後，發現有兩條電氣引腳出現裂痕 (如圖 1 紅框所示)。這使得電路板必須重新設計。不過，建構與測試實體原型是耗時且成本昂貴的過程。因此，在 Ansys 精選通路合作夥伴 Qfinsoft 的協助下，NewSpace 使用 Ansys Sherlock 電子可靠度預測軟體模擬故障原因，並測試各種不同的緩解策略。一旦完成 Sherlock 模型建置，設計測試所需的時間，便從數週大幅縮短至幾小時。
圖 1.在振動測試後，NewSpace Systems 發現部分現場可程式化閘道陣列 (FPGA) 的引腳出現裂痕。
模擬解決方案
Sherlock 軟體是一套基於物理原理的工程模擬解決方案，可在設計初期階段，針對電子硬體的元件、電路板與系統層級，快速預測其使用壽命。雖然 Sherlock 軟體本身可執行部分基本分析 (例如焊錫疲勞)，但若需進行完整的機械負載模擬，仍需搭配外部有限元素分析 (FEA) 求解器。為此，Sherlock 軟體可與 Ansys Mechanical 結構分析軟體無縫整合，在背景中執行 FEA。接著，模擬結果會由 Sherlock 軟體進行判讀。
執行 FEA 建模
由於此次引腳故障的主要問題在於振動，因此 NewSpace 先從進行模態分析著手，以求找出 FPGA 安裝的 PCB 自然振動頻率。自然振動頻率會受到電路板層數、元件位置、引腳類型、電路板安裝點，以及灌封與固定黏著區域等因素的影響。
我們可利用安裝點為例，說明元件如何影響 PCB 的振動行為。安裝點通常會在電路板佈局設計上預留空間，並於該處鑽孔。(詳見圖 2a 中的大型黑色圓圈。)但實際上，PCB 的安裝細節往往未明確標示。在 Sherlock 軟體中，NewSpace 可針對每個位置定義其預計使用的安裝類型 (如圖 2b 所示)。安裝方式會影響負載的傳遞方式，例如衝擊或振動如何傳導至電路板材料中。
圖 2a.安裝點通常會在電路板佈局設計上預留空間，並於該處鑽孔 (見大型黑色圓圈)。
圖 2b.在 Ansys Sherlock 電子可靠度預測軟體中，您可以針對該位置定義預計使用的安裝類型。
在進行認證測試時，NewSpace 關注的是三種機械條件事件：隨機振動 (RV)、機械衝擊 (MS) 與諧波振動 (HV)。每個事件皆對應一組獨特的負載分佈輪廓。例如，圖 3a 呈現了與火箭發射相關的 RV 負載事件，以及其對應的振動功率頻譜密度 (PSD) 統計輪廓 (圖 3b)。
NewSpace 在進行 RV 分析時，需考量 20 Hz 至 2,000 Hz 的頻率範圍。Sherlock 軟體偵測出五種振動模態，頻率介於 991 Hz 至 1,829 Hz 之間。這代表無法執行 HV 分析，因為該分析需要 200 Hz 以下的振動模態，因此 HV 被排除在留意範圍之外。
針對 RV，NewSpace 考量了三個軸 (x、y、z) 的振動影響。位移等高線圖顯示 RV 的整體位移，主要是由第一階自然頻率所致。(請比較圖 4 中的變形形狀，紅色區域代表位移較大。)雖然整體電路板的表現良好，但 Sherlock 軟體在 z 軸振動條件下，預測其中一個元件將完全故障。如預期所料，該元件正是 FPGA。
Sherlock 軟體預測 FPGA 的故障機率為 100%，並指出有多條引腳超出應變極限。NewSpace 發現，在實驗測試 (見圖 5 內嵌照片) 與模擬結果中，均顯示高引腳應變與引腳裂痕之間，呈現高度一致的對應關係。
圖 3a. 火箭發射所造成的隨機振動 (RV) 負載事件
圖 3b. 對應的振動功率頻譜密度 (PSD) 統計輪廓
圖 4.位移等高線圖顯示 RV 的整體位移，主要是由第一階自然頻率所致。(請比較圖中的變形形狀，紅色區域代表位移較大。)
圖 5.實驗測試發現，顯示高引腳應變與引腳裂痕之間，呈現高度一致的對應關係。
結合多項解決方案以降低故障風險
為了防止 FPGA 的引腳故障，NewSpace 嘗試結合兩項解決方案。第一項方案是於元件的 PCB 上新增額外安裝點，以提升其共振模態頻率，使其避開造成損害的振動頻譜範圍。第二項方案是透過稱為「固定加強」的製程強化底座，提升其共振模態，並減少振動下的變形量。(見圖 6b 中的黃色橢圓標記。)固定加強是指使用樹脂或黏著劑固定所有元件，或將其固定於電路板上。黏著劑能將晶片固定在電路板表面，並分擔部分原本由引腳承受的負載。
圖 6a 與圖 6b。為了防止 FPGA 引腳故障，NewSpace 評估在 FPGA 的四個角落加上固定加強措施。
透過 Mechanical 軟體對底盤與 PCB 進行 RV 分析，評估底盤總變形量及引腳疲勞壽命，以達到最佳化設計。正如預期，NewSpace 發現引腳在振動條件下的表現有所改善。Sherlock 軟體的壽命預測顯示，雖然部分引腳仍有可能故障，但故障數量明顯減少，發生時間也延至 2.3 年以後，這遠長於先前模擬所預測的壽命。在額外進行幾次額外後，NewSpace 成功製作出可在整顆衛星壽命期間維持 100% 可靠度的 FPGA，達成了原本的設計目標。
若想進一步瞭解 Sherlock 軟體的功能詳情，歡迎造訪我們的 Ansys Sherlock 軟體頁面。
