【航太】模擬衛星以克服衝擊和振動問題

使用 Ansys Sherlock 電子可靠性預測軟體對現場可程式閘陣列進行振動和衝擊分析

正如我們從 1995 年電影《阿波羅 13 號》中了解到的那樣，在太空中「不允許失敗」。印刷電路板 (PCB) 的此類故障可能會導致極其昂貴的無人衛星過早損失，從而毀掉多年的研究和開發以及衛星設計執行的任務。因此，在推出之前必須對每個晶片設計進行全面測試。

NewSpace Systems 是一家值得信賴的跨國太空船組件和子系統製造商，總部位於南非，最近在現場可程式閘陣列 (FPGA) 的設計中遇到了這樣的問題。 FPGA 是積體電路，是現代控制電路的大腦。出於 NewSpace 的目的，它們必須能夠承受火箭發射到太空的過程，包括火箭爆炸引起的強烈振動和衝擊負荷。它們還必須在衛星的使用壽命（通常是幾十年）內保持 100% 的可靠性，在此期間重複的循環載荷可能會導致疲勞失效。

這種新型 FPGA 的初步物理振動測試顯示兩條電氣引線出現裂縫（如圖 1 中紅色區域所示）。但建構和測試實體原型是一個緩慢且昂貴的過程。因此，在 Ansys 精選通路合作夥伴 Qfinsoft 的幫助下，NewSpace 使用 Ansys Sherlock 電子可靠度預測軟體來模擬故障原因並測試不同的緩解策略。一旦夏洛克模型建立起來，測試設計就需要幾個小時而不是幾週的時間。

上圖，振動測試後，NewSpace Systems 注意到現場可程式閘陣列 (FPGA) 上的一些引線破裂。

模擬解決方案

Ansys Sherlock 軟體是一種基於物理的工程模擬解決方案，可在早期設計階段為元件、電路板和系統層級的電子硬體提供快速壽命預測。雖然 Sherlock 軟體本身可以進行一些基本分析（例如焊接疲勞），但完整的機械負載模擬需要外部有限元素分析 (FEA) 求解器。為此，Sherlock 軟體與 Ansys Mechanical 結構分析軟體無縫對接，在背景執行 FEA。然後結果由 Sherlock 軟體解釋。

上圖，位移等值線圖顯示了 RV 位移如何受第一個固有頻率支配。 （比較圖中的形狀，紅色表示位移較大。）

上圖，實驗測試中發現，高引線應變與破裂引線之間幾乎有相同的相關性。

組合解決方案以減少故障

為了防止FPGA引線故障，NewSpace嘗試了兩種解決方案的組合。第一個是在組件的 PCB 上添加額外的安裝點，以增加其諧振模式的頻率，使其落在破壞性振動頻譜之外。其次，採用一種稱為「鉚接」的工藝對底盤進行加固，以增加其共振模式並減少底盤在振動下的偏轉。 （請參閱圖 6b 中的黃色橢圓。）鉚接是指使用樹脂或黏合劑將組件黏合在一起或黏合到電路板上。黏合劑將晶片固定在電路板表面，並減輕引線的部分負載。

上圖，為了嘗試防止 FPGA 的引線故障，NewSpace 考慮在 FPGA 的角落添加固定點。

透過對底盤和 PCB 執行 Mechanical 軟體的 RV 分析並評估底盤的總撓度和引線的疲勞壽命，優化了安裝和鉚接解決方案的組合。正如預期的那樣，NewSpace 發現引線在振動下的性能有所改善。 Ansys Sherlock 的壽命預測表明，不幸的是，一些引線仍然會出現故障，但這些故障的數量會比以前少，並且只會在 2.3 年後發生——比之前的模擬顯示的時間要長得多。經過多次模擬後，NewSpace 能夠生產出在衛星整個生命週期中具有 100% 可靠性的 FPGA，這也是最初的目標。