Учебное пособие 800347

Рис.1.4. Температурная зависимость интенсивности отказов диодов (а)

и пленочных конденсаторов (б)

Рис.1.5. Температурная зависимость интенсивности отказов диффузионных резисторов (а) и проводников (б)

Рис.1.6. Конструкция многокристального модуля:

1 – теплоотвод; 2 – кристалл БИС; 3 – металлический корпус; 4 – канал для теплоотводящей жидкости

Рис.1.7. Конструкция БИС с теплоотводящими устройствами:

1 – кристалл; 2 – основание корпуса; 3 – теплоотвод; 4 – внутренние выводы; 5 – выводы; 6 – теплопроводящий слой; 7 – плоская пружина

Рис.1.8. Конструкция мощного высокочастотного транзистора:

1 – металлическое основание корпуса; 2 – припой; 3 – слой никеля; 4 – слои металлизации; 5 – бериллиевая керамика; 6 – слой золота; 7 – эвтектика золото-кремний; 8 – кристалл

Тепловое проектирование МЭУ различных типов требует создания широкой номенклатуры тепловых и математических моделей, отражающих конструктивные особенности данного устройства /4,5,7,16,17,24,26,27- 29,32,33,36,39,46,48,50,52,56,72,96,98-103/.

Такой подход является весьма трудоемким, поэтому возникает актуальная задача унификации применяемых в САПР тепловых моделей МЭУ, разработки универсальных моделей, адаптируемых к конкретной конструкции, и средств их автоматизированного формирования.

В современных ИС и быстродействующих электронных устройствах с малым расстоянием между тепловыделяющими компонентами, работающих, как правило, с высокими плотностями токов, источники тепла (ИТ) из-за различных эффектов (вытеснение тока эмиттера в БТ, отсечка канала в ПТ и т.д. /6,26,27,34,41,42,65,73/) характеризуются

существенной неравномерностью плотности теплового потока и изменяющимися размерами термоактивных областей, что приводит к нарушению принципа местного влияния /22, 23/ и требует учета при моделировании координатных и режимных зависимостей удельной мощности источников.

Также и при выборе тепловых критериев оптимальности

назначение /93/, электрические режимы, виды обрабатываемых сигналов и т.п.

Для достижения оптимальных результатов процедуры ТП должны составлять иерархическую систему, обеспечивающую анализ и оптимизацию тепловых характеристик как устройств различной конструктивной сложности, так и отдельных компонентов, причем тенденцией является смещение задач обеспечения ТР на микроуровень (БИС, МСБ, МКМ, дискретные компоненты и т.д.), а также предназначенную для анализа тепловых процессов уже на этапах, относящихся к функциональному аспекту (ФП, ФЛП, СХП). При этом представляется целесообразным обязательно включать специальные процедуры оценки, анализа и обеспечения ТР при проведении схемотехнического проектирования. Такой подход к построению средств ТП, адаптируемых к поддержке процесса сквозного проектирования МЭУ, предполагает

использование метода поэтапного моделирования /22,23/ с соответствующей модификацией к рассмотренным требованиям и особенностям.

Проведение анализа температурных полей с учетом существующих в реальных устройствах случайных разбросов электрических параметров АК (коэффициент передачи тока, удельная крутизна, объемные сопротивления областей и т.д.), параметров материалов и внешних воздействий, конструктивных характеристик приборов и МЭУ требует наличия в системе ТП средств статистического моделирования и обработки результатов /29,47,104106/, учитываемых при выборе способов обеспечения ТР и рабочих параметров устройств теплоотвода.

Для достижения поставленной цели оптимального управления ТР на основе предлагаемых принципов и подходов, а также с учетом выявленных особенностей объекта разработки, в процессе ТП необходимо решать сле-

дующий комплекс задач /53,86,88,89,91,92,106/:

формирование модели конкретной конструкции МЭУ или компонента на базе библиотечных элементов, представляющих собой ТМ для различных конструктивных составляющих устройств и описывающих универсальную комплексную ТМ МЭУ, и выбор соответствующих математических моделей

(ММ);

построение моделей ИТ в АК, позволяющих более точно учитывать распределение тепловых потоков в областях термогенерации и их зависимости от электрических режимов, вида рабочих сигналов и особенностей элементной базы;

формирование электротепловых моделей АК, входной информацией которых являются характеристики электрического режима, предназначенных для интеграции со средствами схемного анализа и обеспечивающих повышение точности определения термозависимых параметров моделей схемных компонентов;

моделирование нестационарных температурных полей АК для конкретных рабочих режимов при проведении схемотехнического проектирования;

оценка наведенных перегревов и тепловых воздействий в разрабатываемых МЭУ на этапах функционального проектирования;

прогнозирование надежности устройства по результатам анализа ТР, формирование ограничений и выбор тепловых критериев оптимальности с учетом функционального назначения устройства и данных схемного моделирования;

оценка реализуемости схемы в данном конструктиве (например, в корпусе ИС или МСБ ) и выбор типа конструкции и необходимого способа охлаждения;

выбор типа и параметрический синтез устройств теплоотвода (радиаторов, теплоотводящих шин, микровентиляторов и т.д.) с учетом конструктивных особенностей данного МЭУ, конкретного способа охлаждения, вида и расхода теплоносителя, обеспечивающих заданные характеристики температурного поля;

моделирование температурных полей МЭУ различного конструктивного исполнения с разными видами теплоотводящих устройств;

оптимальное размещение тепловыделяющих и термокритичных компонентов по тепловым критериям при проектировании топологии.

Структурная схема процесса ТП МЭУ и основные процедуры, обеспечивающие решение сформулированных задач, представлены на рис.1.9.

После синтеза схемы устройства с использованием данных ТЗ об условиях эксплуатации проводится предварительное прогнозирование надежности, на основе которого устанавливаются тепловые требования и ограничения к термокритичным компонентам и устройству в целом, необходимость оптимизации ТР. Для применяемых АК формируются модели ИТ и ТМ, затем проводится совместное моделирование работы схемы и температур-

ных полей АК, учитывающее параметры электрического режима и локальные собственные перегревы компонентов ii.

НО

ОИ

Рис.1.9. Общая структура процесса сквозного автоматизированного теплового проектирования МЭУ