Учебное пособие 800347

тем выше, чем больше знаков ‗+‘ в строке.

лами, наряду с преимущественно цифровыми функциями, выполняемыми модулем, приводят к необходимости использования критерия минимизации суммарной температуры, так как требование равномерности температурного поля уже практически выполнено.

По функциональным, надежностным, конструктивным и соответствующим им тепловым требованиям к проектируемому устройству выбираются конкретные тепловые критерии оптимальности (локальный или средний перегрев компонентов, среднеинтегральный перегрев поверхности, неравномерность перегрева, температурный градиент и т.д.).

2.1.3.Основные процедуры оптимального теплового проектирования

впроцессе сквозной разработки МЭУ

На основе рассмотренных выше задач и предлагаемого подхода /53,88/, выделим следующие основные функции подсистемы ТП:

управление процессом ТП; взаимодействие с пользователем и другими подсистемами САПР;

выбор и составление необходимой ММ для каждого иерархического уровня конструкции МЭУ и этапа проектирования;

решение получаемых модельных уравнений оптимальным методом, выбираемым согласно требованиям к точности и времени решения, целей моделирования, полноты исходных данных;

оптимизация конструкции МЭУ и синтез охлаждающих устройств с целью получения требуемого распределения температурных полей;

прогнозирование показателей надежности разрабатываемых БИС; организация хранения и использования различных типов данных. Выполнение рассмотренных функций требует наличия в составе ком-

плекса ТП трех типов проектных процедур: анализа, синтеза и вспомогательных, обеспечивающих выполнение первых.

Процедуры анализа температурных полей являются основой построения подсистемы ТП, они позволяют проводить верификацию проектных решений, прогнозировать надежность, а также используются для решения задачи обеспечения и оптимизации ТР.

Процедуры конструктивно-теплового синтеза предназначены для решения оптимизационных задач, т.е. получения вариантов конструкций, наилучших по тепловым критериям, путем получения конструктивных и теплофизических параметров конструкций (габаритов, применяемых материалов, типа корпуса, способа монтажа навесных компонентов, вида охлаждения и параметров теплоотводящих устройств, топологии), обеспечивающих заданные или экстремальные тепловые характеристики устройств в процессе многоэтапной оптимизации по множеству тепловых критериев.

Следовательно, необходимы дополнительные процедуры выбора тепловых критериев, а также автоматизированного формирования ТМ, прогнозирования надежности, обработки и визуализации результатов и организации интерфейсов с другими подсистемами.

Таким образом, на основе проведенного анализа особенностей ОП, поставленных задач, предлагаемой общей структуры и этапов процесса ТП /53,86,88-94,105,128-131/ выделим следующие основные проектные процедуры /53,86,129/, обеспечивающие реализацию сформулированных выше принципов организации ТП в рамках параллельного подхода:

моделирование нестационарных температурных полей АК;

моделирование температурных полей МЭУ различного конструктивного исполнения;

статистический анализ ТР; оценка температурного фона устройств на этапах функционального

проектирования; оценка реализуемости схемы в данном конструктиве и выбор типа

конструкции; определение необходимого способа и системы охлаждения и тре-

бований к ее компонентам; выбор типа и параметрический синтез устройств теплоотвода;

оптимальное размещение компонентов по тепловым критериям; формирование тепловых и соответствующих математических моделей

конструкций МЭУ и компонентов; построение моделей тепловых источников в АК;

формирование электротепловых моделей АК; выбор и формирование тепловых критериев;

прогнозирование надежности устройства по результатам анализа ТР; организация пользовательского интерфейса: управление процессом

ТП, графический ввод данных, обработка и представление результатов в удобной для пользователя форме;

обеспечение двустороннего информационного обмена с другими подсистемами для организации параллельного функционирования.

Взаимодействие перечисленных процедур при реализации процесса оптимального многоэтапного ТП представлено на рис. 2.6.

2.2. Интеграция подсистемы комплексного моделирования и оптимизации тепловых режимов в рамках САПР МЭУ при реализации современных концепций проектирования

Уровень развития и возможности современных инструментальных средств САПР МЭУ, используемых при создании различных подсистем, уже позволяет организовывать на их базе (возможно, с незначительной

Таким образом, различные инструментальные средства САПР МЭУ в процессе проектирования должны образовывать интегрированную среду, включающую проектирование схем, топологии, конструкций, комплексный анализ надежности, помехоустойчивости и электромагнитной совместимости, тепловое проектирование.

Анализ современных пакетов функционального и конструкторского проектирования /2,54,56,132-134/ показывает, что на их базе возможно организовать надежностно-ориентированный процесс разработки с использованием основных положений параллельного подхода при дополнении соответствующими комплексами, относящимися к подсистеме обеспечения надежности, что предоставляет возможность оценить

взаимовлияние проектных решений, принимаемых на разных этапах и относящихся к различным аспектам, на показатели качества ОП.

Выбор технических средств основывается на том, что современные ПЭВМ на базе высокопроизводительных 32 разрядных МП /83/ являются весьма мощным инструментом и могут быть использованы при построении САПР, выполняющей разработку достаточно сложных МЭУ /33,132-135/. В настоящее время для них создано весьма эффективное ПО рассматриваемой предметной области. Это пакеты функционального и схемотехнического проектирования: отечественные - ДИСП-ПК и др. /132/, зарубежные - PSpice, Designer Center, Micro-CAP, Personal Logican и т.д. /121,132/, и конс-

трукторско-топологического: отечественные - FLY, МАГИСТР, Минск ПК, ГРИФ, Сталкер/ПК и др. /133,134/, зарубежные - P-CAD, ACCEL EDA, Designer Center, OrCAD, CADdy, CT-1000, Micrograph, RedCad и др. /132134/.

Наибольшими возможностями обладает пакет Designer Center, представляющий собой интегрированную систему функционально-схемо- технического и топологического проектирования, а также ACCEL EDA, имеющие в своем составе эффективный автотрассировщик SPECCTRA. Функциональная часть Designer Center построена на базе известной программы Spice, что обеспечивает взаимообмен с другими пакетами (P-CAD, ACCEL EDA, Micro-CAP и др.), а также наличие версий Designer Center для ПЭВМ и рабочих станций САПР. Предусмотрена возможность проведения одной из процедур электронного конструирования - анализ схем с учетом паразитных параметров, вносимых топологией.

Важным свойством Designer Center является то, что для повышения достоверности результатов схемного анализа и приближения к реальным условиям в нем предусмотрено использование при моделировании не только общей (средней, фоновой) температуры всего устройства, но и локальных температур или перегревов над общим температурным фоном отдельных

компонентов. Это предоставляет дополнительные возможности для интеграции процедур теплового и функционального проектирования.

На базе пакетов Designer Center и ACCEL EDA организована учебнопроектная САПР МЭУ, содержащая подсистему обеспечения надежности, в котчорую входит комплекс средств ТП на основе ПМК ТЕПЛОТА /53/, интегрированный в общую проектную среду, а также средства прогнозирования и оптимизации серийноспособности, показателей параметрической надежности и надежности по внезапным отказам на этапах схемотехнического и топологического проектирования /136/, обеспечивающие в комплексе реализацию надежностно-ориентированного подхода к проектированию МЭУ.

На основе анализа существующих средств ТП, применяемого МО и ПО, выявленных направлений их совершенствования и предложенных принципов и методов построения средств моделирования и обеспечения ТР /53,86,88,89,91,131/, разработана общая структура проблемноориентированного комплекса ТП, интегрированного в рамках такой САПР. Полученная структура ПС вместе с направлениями информационных потоков представлена на рис. 2.7.

{K}

{X, {Q

ПМК ―ТЕПЛОТА‖

Рис.2.7. Интеграция подсистемы теплового проектирования в САПР МЭУ:

{U,I} — параметры электрического режима; {K} — типы схемных компонентов; {Q} — характеристики температурного поля; { } — показатели надежности; {PP} — параметры плат и подложек; {X,Y} — координаты элементов топологии; {РКТ} — параметры конструкции и теплоотводящих устройств; {SQ} — статистические характеристики температурного поля.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СКВОЗНОГО ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В САПР МЭУ

3.1. Комплексная тепловая модель МЭУ

Базой для построения МО подсистемы оптимального ТП в САПР МЭУ, реализующей стратегию параллельного проектирования, являются принципы и подходы /53/, которые рассмотрены в первой главе, и основные положения метода поэтапного моделирования /22,23/, заключающиеся в последовательном применении ряда моделей, имеющих различную степень детализации описания температурных полей, которые требуется модифицировать и дополнить для охвата процедур функционального аспекта и поддержки параллельной организации работ в рамках общесистемного подхода анализа и синтеза сложных технических устройств /1/. Это требует наличия совокупности ТМ и ММ, т.е. формальных описаний тепловых процессов и температурных полей для всех уровней иерархии МЭУ, и соответствующих методов анализа и оптимизации, отличающихся точностью, требуемым объемом исходных данных и выходной информации, следовательно, необходимыми ресурсами ЭВМ и временными затратами. Применение тех или иных моделей и методов определяется текущим этапом разработки, решаемой задачей и требованиями пользователя проектировщика: оценить ТР создаваемого устройства, что актуально для задач начальных этапов и некоторых процедур конструктивно-теплового синтеза, или детально проанализировать его.

Конструктивно-технологические структуры МЭУ характеризуются большим разнообразием, что приводит к множеству используемых ТМ. Применение различных видов теплоотводов (штыревых, оребренных, пластинчатых, петельно-проволочных и других радиаторов, внутренних и встраиваемых в корпус теплоотводов, теплоотводящих шин, тепловых труб, микроохладителей и т.д.) и способов сборки и монтажа также требует учета при разработке ТМ, что делает эту процедуру весьма трудоемкой и требующей специальных знаний и опыта /16,22,23,27-29,48,79/. Поэтому возникает задача унификации применяемых в САПР тепловых моделей МЭУ, решение которой должно предусматривать и возможность автоматизации формирования ТМ для пользователей, не имеющих соответствующей подготовки. Ее решение возможно путем разработки комплексной тепловой модели МЭУ, которая базируется на использовании множества ТМ простых конструктивных элементов, получаемых при структурной декомпозиции конструкции устройств /53/.

В качестве таких конструктивно-тепловых составляющих (КТС) конструкций МЭУ целесообразно выбрать следующие: основание корпуса, крышка корпуса, выводы, подложка (микроплата), кристалл, плата, соединительные слои, внутренние и встроенные теплоотводы, внешние теплоотводящие устройства, пленочные элементы и навесные компоненты. Агрегацией этих частей, для которых краевые задачи математической физики имеют относительно простой вид, обеспечивающий получение аналитических решений (это особенно важно для их использования на этапах функционального проектирования), и создаются полные ТМ различных конструкций, что дает возможность реализовать процесс автоматизированной адаптации общей теплофизической модели к конкретным типам конструкций МЭУ.

Получаемая модель должна быть адекватной реальной конструкции и тепловому процессу в ней, обеспечивать необходимую точность результатов и полноту получаемой информации, гибкой (инвариантной к количественным изменениям параметров моделируемого изделия) и конструктивной, т.е.