3344
.pdfфункциональные ячейки, микросборки. Целью моделирования, проводимого при помощи комплекса ТРИАНА, является получение температурных полей конструкций РЭС 3-го и 4-го уровней конструктивной иерархии (температур конструктивных узлов, элементов и потоков хладоносителя в сети каналов стойки), конструктивных узлов 2-го уровня (оснований функциональных ячеек, печатных плат, подложек, температур активных зон и корпусов электрорадиоэлементов).
В целом комплекс позволяет решать следующие задачи: определение тепловых режимов работы всего множества радиокомпонентов и несущих конструкций с учетом конструктивно–технологических и эксплуатационных особенностей РЭС различного назначения (авиационной, космической, морской; автомобильной и др. РЭС) и внесение изменений в конструкцию с целью обеспечения необходимого (с точки зрения электрических характеристик или показателей
надежности и т.п.) теплового режима работы РЭС; выбор лучшего варианта конструкции РЭС из
нескольких имеющихся, с точки зрения тепловых характеристик;
обоснование в необходимости дополнительной защиты РЭС от температурных воздействий;
ТРИАНА–2.00 состоит из ряда как автономно функционирующих, так и в составе комплекса, следующих программных единиц:
графический редактор топологических моделей тепловых процессов;
программа визуализации результатов анализа топологических моделей
MTPViewer;
графический редактор конструкций РЭС типа "печатный узел", "функциональная ячейка", "микросборка" BoardEditor;
конвертор топологий печатных плат Conv2triana; 71
математическое ядро Triana;
библиотеку аналитических моделей (набор модулей вычисления тепловых проводимостей на основе критериальных уравнений) для анализа различных видов теплообмена и их модификаций.
Математическое ядро Triana включает в свой состав: набор специализированных программ, реализующих
функции автоматического синтеза моделей тепловых процессов конструктивных узлов РЭС (печатный узел, функциональная ячейка, микросборка) на основе их геометрической модели и температурных условий их эксплуатации (граничные и начальные условия);
набор модулей, выполняющих функции: формирования математических моделей для моделирования тепловых процессов исследуемой конструкции в стационарном и нестационарном режимах; анализа математической модели, которая формируется автоматически в виде системы линейных алгебраических уравнений, системы нелинейных алгебраических уравнений или системы обыкновенных дифференциальных уравнений.
Из наиболее простых средств теплового анализа можно отметить программные продукты WinTherm
компании ANALYSIS TECH (www.analysistech.com), а также T3Step и Thermodel компании MICRED (www.micred.com),
использующие метод электро-тепловой аналогии. По результатам проектирования эти программы формируют список соединений в формате SPICE, который может быть загружен в любую совместимую программу моделирования электрических схем. Полученные таким образом результаты расчёта преобразуются обратно в термины теплового анализа. Список соединений может быть также загружен в специализированные пакеты для математических расчётов, где пользователь может применить к ним собственные
72
алгоритмы. Однако такой подход требует от пользователя хорошей подготовки в области программирования.
Для проектирования систем охлаждения РЭС на основе термоэлектрических модулей предназначен отечественный комплекс программных средств КРИОТЕРМ, одноименной фирмы «Криотерм» г. С-Петербург
(www.kriotherm.spb.ru).
Программы теплового анализа печатных плат, как правило, более специализированы. Кроме того, они представляют собой автономные приложения, ориентированные на определённые системы проектирования печатных плат.
Программное обеспечение BETAsoft компании
Dynamic Soft Analisys (www.rodnik.ru, www.mentor.com, www.betasoft-thermal.com) представляет собой современную, мощную и удобную систему теплового анализа электронных устройств. Она позволяет производить моделирование стационарного и нестационарного тепловых режимов комплексов, блоков, печатных плат и отдельных компонентов, имеет интерфейс связи с большинством наиболее распространенных систем САПР электронных устройств: VeriBest, PADS, ACCEL (PCAD & Tango), OrCAD, Mentor, Allegro, Cadstar, Protel, Visula и др. BetaSoft
предлагает итеративный метод проектирования печатных плат. В состав программного обеспечения BETAsoft входят несколько программ, которые позволяют рассчитать температуру и градиент температуры на различных участках печатной платы, температуры отдельных компонентов и переходов, после чего выдать предупреждение о возможном
превышении максимально допустимой температуры. Модуль BETAsoft-Board позволяет моделировать
термическое поведение многослойных плат нерегулярной формы. Плата с помощью креплений различного типа может быть расположена в любом месте открытого или закрытого
73
корпуса, при этом будет учитываться отвод тепла через крепежные устройства и специальные радиаторы, а также наличие естественной и принудительной вентиляции. Возможно моделирование с учетом гравитации, атмосферного давления и направления воздушного потока. К различным элементам системы могут быть подключены различные теплоотводы, тепловые трубы, охлаждающие вентиляторы и просто металлизированные контактные площадки.
Программа BETAsoft-System позволяет производить тепловой анализ объемных модулей электронного оборудования, например, блоков, крейтов и шкафов. Здесь учитываются самые разнообразные физические эффекты и факторы: движение теплого потока вверх с учетом силы тяжести, температуру окружающей среды, силу ветра, интенсивность солнечного излучения, препятствия на пути воздушного потока и наличие контакта с крепежными элементами.
Программа BETAsoft-MCM позволяет производить тепловой анализ отдельных компонентов электронных схем, таких как однокристальные и многокристальные микросхемы, инкапсулированные, гибридные и дискретные элементы. Исходной информацией для проведения анализа служит полное трехмерное определение внутренней структуры компонента с учетом наличия нескольких слоев из различных материалов и подключения внешних, возможно, изменяющихся во времени источников питания. Для определения температуры различных частей устройства производится анализ переходных процессов и анализ в стационарном режиме.
Подсистема AutoTherm являющейся составной частью одной из самых современных САПР для рабочих станций - Mentor Graphics позволяет осуществить ввод конструктивных параметров моделируемого устройства и граничных условий (или загрузку соответствующих файлов из других приложений
74
САПР) с использованием имеющихся в системе графических средств и библиотек, создать новые библиотечные элементы, задать метод охлаждения и учитываемые в процессе моделирования механизмы теплопередачи (кондукция, конвекция, излучение), произвести многомерное численное моделирование теплового режима методом конечных элементов, получить соответствующие выходные диаграммы и графики и т.д. (www.mentor.com).
Другая специализированная программа Therman компании MICRED была изначально разработана в Венгрии в Техническом университете города Будапешт (www.bme.hu). Она реализует подход к тепловому анализу по аналогии с RCцепями, использует алгоритм быстрого преобразования Фурье (FFT) и позволяет получить данные как для статического, так и для динамического режима. Программа имеет собственный модуль SPICE-моделирования и позволяет готовить пользовательские модели, описанные в текстовом формате
SPICE
Английская фирма FLOMERICS (www.flomerics.com)
предлагает пакет Flotherm, использующий компактные тепловые модели компонентов Smart-Parts, подготовленные программой Flopack. Особенностью программы Flopack является то, что она имеет интерфейс, построенный на основе современных интернет - технологий на основе обычного браузера, и ориентируется на инженеров, проектирующих интегральные схемы. Последняя версия включает модели микросхем, упакованных в корпуса PBGA и TBGA, а также позволяет учитывать технологию поверхностного монтажа перевёрнутых кристаллов (flip-chip). У моделей корпусов PBGA с проволочными выводами имеются специальные поля, позволяющие формировать и учитывать трафареты для специальных тепловых переходных отверстий на внутренние слои металлизации.
75
Ведущие производители электронных компонентов, понимая всю важность теплового анализа, начали предлагать собственные решения для подготовки тепловых моделей, а также готовые модели своих изделий. В состав программного комплекса Webench компания NATIONAL SEMICONDUCTOR включила специальный модуль Webtherm, позволяющий получать цветную карту градиента температур для платы или корпуса многокристального модуля по известным температурам переходов и граничным условиям. Комплекс использует вычислительное ядро, разработанное компанией FLOMERICS, и реализован на базе корпоративного интернет узла фирмы (www.national.com/ appinfo/power/webench).
Компания INTERNATIONAL RECTIFIER (www.irf.com) готовит аналогичный продукт, использующий технологию анализа RС-цепей.
Пакет Package Thermal Designer (PTD) представляет собой приложение Windows, предназначенное для моделирования тепловых процессов в корпусах сложных современных микросхем. Пакет включает в себя средства подготовки данных, вычислительное ядро и средства для обработки результатов расчёта. Удобный и понятный интерфейс программы даёт пользователям возможность работать с ней, даже если они не являются специалистами в области теплового моделирования. Имеется возможность импорта анализируемой структуры из механических или электронных САПР, что значительно упрощает геометрическое описание проекта. В результате расчёта автоматически формируется подробная трёхмерная модель микросхемы.
Каждая трёхмерная модель может быть индивидуально визуализирована и исследована с последующим сохранением в бинарном формате программы TAS или экспортом в программы MSC/NASTRAN, ANSYS или FEMAR
76
Программа PTD дополняет ранее известный и хорошо зарекомендовавший себя набор программ компании Harvard Thermal: TAS и TASPCB.
Программа TASPCB предназначена для моделирования тепловых процессов в многослойных печатных платах и обеспечивает два способа создания проекта: импорт проектных данных из EDA-системы и построение модели платы с помощью собственного редактора. Поддерживаются следующие форматы данных: Accel EDA, Cadence Allegro, CADStar/Visula, DDE, EDIF-Schematic, GenCAD, GenCAM, Mentor Neutral, Mentor Boardstation, OrCAD Layout Plus, PADS Power/Perform, PCAD (PDIF) Layout, Protel Advanced PCB, Theda, VeriBest VB ASCII, Veribest (EIF), Zuken CR3000/ CR5000. Так как обрабатывается многослойная структура платы, имеется возможность получить карту прогрева каждого конкретного слоя с учётом элементов топологии, компонентов, крепежа, вырезов, рёбер жёсткости, теплоотводов, кожухов, интенсивности и направления воздушного потока. Полученные данные анализа могут быть представлены в разнообразной наглядной форме: в виде графиков, карт прогрева, анимационных изображений и т.д. Программа имеет обширный набор библиотек, которые могут автоматически пополняться компонентами из импортированных файлов. Поддерживается импорт моделей из системы FLOPACK.
Для генерации тепловых моделей относительно простых компонентов и трёхмерных конструкций произвольной формы можно пользоваться программой TAS. Программа использует метод конечных элементов и преобразует геометрическое представление моделируемого объекта в виде асимметричной сетки в эквивалентную схему замещения из резисторов и конденсаторов, которая затем анализируется методом конечных разностей. Комбинация двух указанных методов даёт решение, не уступающее по точности полученному с помощью продуктов, использующих
77
фундаментальный метод конечных элементов (FEA), таких как NASTRAN и Ansys, но за гораздо меньшее время
Система Pro/ENGINEER фирмы РТС [18-20] (www.ptcrussia.com, www.solver.ru) - это система трехмерного проектирования, как твердотельного так и поверхностного, предоставляющая очевидные преимущества перед традиционным в прошлом двумерным проектированием. В ее состав входит Pro/ENGINEER Structural and Thermal Simulation - пакет структурного и теплового анализа и оптимизации
(www.pro-technologies.ru, www.tpolis.com). Созданная конечно-
элементная модель может быть затем передана для расчета в другие системы MKЭ анализа: ANSYS, COSMOS/M, MSC/NASTRAN, MSC/PATRAN. Pro/ENGINEER. Thermal Simulation Package позволяет моделировать температурные поля разрабатываемой конструкции.
Работая с моделями, созданными непосредственно в
Pro/ENGINEER, Thermal Simulation Package исключает потери информации, неизбежные при передачи данных между различными программами, и одновременно обладает мощными возможностями параметрической оптимизации конструкции. Кроме этого, Thermal Simulation Package
полностью интегрирован с остальными продуктами PTC и позволяет проводить расчеты и оптимизацию моделей, созданных в других CADсистемах. Тепловые нагрузки в виде заданных температур и условий конвективного теплообмена накладываются непосредственно на геометрию модели. Эти нагрузки могут быть однородными для всей модели или различными для ее различных участков. Для контроля правильности приложения нагрузок можно получить их графическое изображение.
Система ANSYS [21, 22] (www.ansys.msk.ru)
представляет собой комплекс моделирования различных физических процессов. При решении задач теплообмена в
ANSYS Workbench (www.sapr.ru) используется расчетный
78
модуль DesignSimulation (DS). Расчетный модуль DS
позволяет решать задачи стационарной теплопроводности в твердом теле, а также задачи нестационарного теплообмена.
Моделирование температурного поля может быть выполнено в DS как в двумерной (2D), так и в трехмерной (3D) постановке. Указание типа расчета осуществляется в окне проекта при выборе файла геометрии. Это может быть файл CAD-модели или файл одного из стандартов геометрических данных (Parasolid, IGES, STEP и др.), а также файл модуля DesignModeler. В текущей версии DS отсутствуют стандартные средства для расчета лучистого теплообмена между твердыми телами, можно моделировать только излучение нагретого тела в окружающую среду.
Система Femap (EDS, USA) (www.ugs.ru, www.bevalex.by) производства EDS - одна из самых известных разработок в классе пре/постпроцессоров для моделирования методом конечных элементов.
FEMAP существует в трёх вариантах:
FEMAP Structural позволяет проводить линейный статистический анализ, в т.ч. с учетом упрочнения в материале; расчет собственных форм/частот и устойчивости, стационарный анализ теплопроводности, в т.ч. для материалов с нелинейной зависимостью свойств от температуры;
FEMAP Thermal дополняет Structural средствами расчета линейных и нелинейных процессов теплопередачи;
FEMAP Advanced Thermal позволяет вести расчеты теплообмена для шарнирных и свободно вращающихся конструкций, а также расчеты гидрогазодинамики, а также обмениваться данными со специализрованными программами для тепловых расчетов SINDA, ESATAN, TRASYS и NEVADA.
Система Nastran (MSC, USA) (www.cadmaster.ru, www.tandk.ru) обеспечивает проведение моделирования
79
большого количества различных физических процессов, в том числе решение задач теплопередачи.
Комплекс включает различные методы формирования геометрических моделей (в том числе и твердотельное моделирование), интерфейсы к CAD-системам, автоматическую и полуавтоматическую генерацию конечноэлементных сеток. Модуль анализа теплопередачи MSC.Nastran поддерживает следующие виды моделирования: установившееся состояние (линейна и нелинейная постановки); переходный процесс (линейна и нелинейная постановки); подготовка данных для расчета термонапряжений; теплопроводность; свободная конвекция; вынужденная конвекция; излучение в открытое пространство; излучение в замкнутое пространство; использование различных видов граничные условий.
Программа Зенит-95 обеспечивает выполнение проектных и научно-исследовательских расчетов широкого класса пространственных конструкций, в том числе тепловых полей при стационарных и нестационарных процессах. Рассматриваются процессы теплопередачи с граничными условиями I-го, II-го и III-го рода (тепловыделение, конвекция, лучистый теплообмен с учётом видимости и затенения поверхностей, а также теплообмен движущейся жидкости со стенками трубопроводов).
Как показывает анализ, универсальные продукты при решении конкретных, специализированных задач привносят дополнительные сложности - смоделировать разрабатываемую конструкцию либо очень сложно, либо вообще невозможно, поскольку этот процесс приведет к значительному увеличению времени расчета. Кроме того, из-за универсальности программных средств иногда проблематично быстро выполнить предварительные конструкторские расчеты для подборки необходимых характеристик. Безусловно, системы,
подобные ProEngineer, ANSYS, UG, CATIA, и т. д., позволяют
80