Учебное пособие 800347

Следующим этапом является расчет температурного фона ф и оценка возможности реализации рассматриваемого МЭУ в типовых конструктивах (корпус ИС, МСБ и т.д.), в качестве критериев такой

нове выбирается тип конструкции и необходимой системы охлаждения, проводится параметрический синтез теплоотводящих устройств, формируется полная ТМ.

Выбор способа охлаждения осуществляется с помощью

рассеиваемой мощности Р:

где S - площадь теплоотдающей поверхности;

о - функциональное выражение (ММ) оптимизируемого перегрева, определяемая путем решения соответствующей краевой задачи каким-либо аналитическим методом.

По полученной величине ЭКВ выбирается требуемый вид охлаждения (естественное, принудительное, воздушное, жидкостное, кондуктивное) и необходимость применения теплоотводящих устройств. Синтез конструкции теплоотвода заключается в определении подходящего типа и расчете геометрических размеров теплорассеивающих элементов, обеспечивающих требуе-

мое значение ЭКВ.

При проектировании топологии по функциональному назначению, заданным требованиям к ТР и стабильности электрических параметров и ха-

рактеристик проектируемого МЭУ выбираются конкретные тепловые критерии оптимальности (локальный перегрев наиболее критичного компонента i, средний перегрев топологических элементов ср, неравномерность перегрева по подложке или плате , температурный градиент по подложке или кристаллу grad ), используемые в процессе решения задачи размещения по условию FТ[ тк(x,y,z)] min совместно со средствами топологического проектирования. С учетом полученного геометрического распределения ИТ моделируется температурное поле МЭУ в целом, определяются окончательные

показатели надежности и требования к особенностям эксплуатации.

1.2. Повышение эффективности и адаптация средств обеспечения тепловых режимов к процессу сквозного проектирования МЭУ

Основной целью ТП как оптимального управления тепловыми процессами является повышение надежности МЭУ на основе предлагаемого комплексного подхода к многоэтапному и многоуровнему процессу обеспечения их тепловых характеристик, охватывающему функциональный и конструкторский аспекты разработки МЭУ.

Для достижения поставленной цели оптимального управления ТР с учетом выявленных особенностей объекта проектирования и ориентацией на поддержку требований к инструментальным средствам, выдвигаемых в рамках концепции параллельного проектирования, необходимы такие средства, которые обеспечивают решение комплекса задач автоматизированного ТП, охватывающих различные этапы разработки МЭУ /53,86,88,89,91,92/.

Маршрут сквозного проектирования МЭУ составляется из согласованных между собой автоматизированных процедур различных подсистем, направленных на проведение работ, относящихся ко всем аспектам и этапам. Соответственно и средства теплового проектирования должны поддерживать этот процесс, обеспечивать выполнение комплекса частных задач по обеспе-

чению ТР во взаимодействии с этими процедурами и согласованно входить в структуру маршрута.

Основываясь на приведенных выше требованиях, предъявляемых к МО и ПО САПР МЭУ при использовании современных концепций проектирования (параллельное проектирование, комплексная интеграция, адаптация, надежностно-ориентированный подход), рассмотрим модели и методы, применяемые при создании средств ТП, а также существующие программы и программные комплексы.

Моделирование температурных полей основывается на представлении реальной конструкции в виде ТМ, которая получается путем идеализации объекта исследования и процессов переноса тепловой энергии в нем.

На основе анализа различных конструкций МЭУ выполнено большое число работ, посвященных обоснованию и разработке ТМ конкретных уст-

ройств /4,5,7,16,18,22-24,26, 27-29, 32, 39, 46-48, 50, 52, 58, 72, 79, 96, 98-103, 105,107-110/.

На основании проведенных исследований и анализа публикаций можно сделать вывод, что базой для построения ТМ современных конструкций МЭУ служит многослойная структура (чаще всего в форме прямоугольного параллелепипеда) с поверхностными или (и) объемными источниками тепла (рис.1.10), дополняемая элементами, отражающими с различной степенью детализации особенности конкретной конструкции (теплоотводы, внутренние и внешние выводы, крышки, элементы крепления и монтажа, радиаторы и т.д.), которые в общем случае при математической постановке задачи могут рассматриваться как стоки тепла с удельной мощностью qСТ, элементы интенсификации или ухудшения теплопередачи, влияющие на коэффициенты

теплоотдачи 1 и N и являющиеся функцией конструктивных параметров данного устройства.

При построении ТМ используют следующие основные допущения: слои параллелепипеда моделируют разные части конструкции; различные слои модели находятся в идеальном тепловом контакте; толщина каждого слоя hi равна толщине соответcтвующей части кон-

струкции МЭУ;

(коэффициент теплопроводности i и удельная теплоемкость сi) постоянны и не зависят от температуры;

весь тепловой поток от ИТ передается к корпусу путем кондукции, от корпуса конвекцией и излучением - в окружающую среду;

отводом тепла от кристалла (подложки) к корпусу через воздушную прослойку внутри корпуса пренебрегают;

коэффициент теплоотдачи от корпуса принимают постоянным; теплоотвод от боковых поверхностей корпуса пренебрежимо мал.

Для полученных ТМ формируются математические модели процессов теплообмена. Основным уравнением для описания температурных полей служит уравнение теплопроводности параболического типа /16,22,23,111-

где = f(x,y,z,t);

c, , - удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности материала;

qV - объемная плотность источников тепла;

qCT - удельная мощность, отводимая стоком тепла: qСТ = f(x, y, z, LСТ,

c, , );

LСТ - размеры части конструкции, выполняющей роль стока тепла.

Уравнение (1.5), дополненное соответствующим набором начальных и граничных условий, включающих описание

ИТ с поверхностной плотностью потока qs, образует краевую задачу в многомерной постановке, решение которой дает распределение температурного поля в МЭУ. При этом применяются все виды граничных условий (1-4

рода) /23,111-113/.

Для ТМ, представленной на рис.1.10, математическая постановка задачи теплообмена в общем случае имеет вид:

система уравнений теплопроводности для каждого i-го слоя

Для моделирования температурного поля, образованного несколькими источниками, используется принцип суперпозиции /22,23/, и выражение для перегрева в данной точке будет иметь вид

k

Такая система уравнений представляет собой записанную в неявной форме ММ тепловых процессов в МЭУ. Явная форма получается путем решения этих уравнений различными аналитическими (Фурье, конечных интегральных преобразований, операционным, функций Грина и т.д.) или численными методами (конечных и граничных элементов, конечных разностей) /16, 111-113/. В зависимости от способа решения в средствах теплового моделирования МЭУ применяют аналитические выражения для температурных полей или алгоритмические модели теплообмена, включающие исходные уравнения и численные методы расчета.

Как отмечалось выше, имеется множество различных типов конструктивного исполнения современных МЭУ, включающих разные виды теплоотводящих устройств, что и приводит к разнообразию используемых ТМ.

Поэтому возникает настоятельная необходимость унификации ТМ и создания соответствующих автоматизированных процедур. Решение такой задачи возможно путем разработки комплексной тепловой модели МЭУ, которая базируется на использовании множества ТМ простых конструктивных

элементов (основание корпуса, крышка корпуса, выводы, кристалл, соединительные слои, внутренний и внешний теплоотводы, элементы и компоненты и т.д.), получаемых при структурной декомпозиции конструкции устройств. Агрегацией этих частей, для которых краевые задачи теплообмена имеют относительно простой вид, создаются ТМ различных конструкций, что дает возможность реализовать процесс автоматизированной адаптации общей ТМ к конкретным типам конструктивно-технологических структур МЭУ.

На основе рассмотренного математического аппарата создано значительное число программных средств (ПС) для моделирования ТР. Рассмотрим их возможности, основываясь на сформулированных задачах ТП в интегрированных САПР МЭУ.

Современное ПО подсистем ТП в САПР МЭУ должно выполнять на этапах анализа следующие функции:

анализ стационарных и нестационарных температурных полей; анализ функциональных параметров компонентов и МЭУ с учетом тепловых воздействий;

анализ устойчивости выходных характеристик к заданным тепловым воздействиям;

прогнозирование надежности с учетом реальных перегревов.

На этапах получения проектных решений - решать следующие задачи конструктивно-теплового синтеза:

выбор необходимых тепловых критериев оптимальности;

разработка общего вида конструкции с целью обеспечения требуемого (максимального) теплоотвода;

разработка высокоэффективных теплоотводящих устройств;

оптимальное размещение тепловыделяющих элементов МЭУ с учетом теплоэлектрических и коммутационных требований;