Введение

Модуль РЭА представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников тепла. Точное аналитическое описание температурных полей невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных. При ручном расчете используют приближенные методы анализа и расчета. Как правило, расчет производится для одного элемента, наиболее критичного по воздействию температур. Такой элемент обладает самой низкой положительной допустимой температурой среди элементов, образующих нагретую зону.

Анализ теплового воздействия на элементы систем является одной из важнейших задач проектирования. Для радиоэлектроники отклонение температуры от заданных диапазонов может привести к необратимым структурным изменениям элементов, изменением диэлектрических свойств материалов, ускорить коррозию материалов либо повысить их хрупкость. При проектировании электронных средств, с точки зрения теплового режима, необходимо учитывать не только собственную температуру элемента, но и влияние тепловых полей остальных элементов, коэффициент линейного расширения, теплопроводность и теплоемкость материалов. Любое изменение температуры относительно нормальной температуры уменьшает срок службы аппаратуры. Неверное размещение элементов, приводит к негативному тепловому режиму.

1.Подходы к реализации теплового моделирования

На стадии подготовки к тепловому моделированию необходимо адекватно оценить предстоящие затраты и требуемые нормы. При их несогласовании работа будет неэффективной; в худшем случае – неверно выполненной. Исходя из вышеизложенного, на первом этапе необходимо оценить: тип изделий, объем производства и возможность изменений проекта. На основе этих данных выбирается среда для теплового моделирования.

Во многих компаниях, занимающихся производством электронной аппаратуры, тепловое моделирование выделяют как отдельный этап маршрута проектирования изделия. Производители САПР динамично отзываются на требования этого рынка. Наблюдается разнообразие подходов к тепловому моделированию: компании изучают пути не только улучшения своего продукта, но и получения большей прибыли. Общим подходом является анализ методом конечных элементов. Его используют Simulate, ANSYS, Mentor Graphics. Российская разработка АСОНИКА использует метод критического пути.

ANSYS Icepak получает общий профиль рассеиваемой мощности и температуры, подключает библиотеки тепловых решений, имеет возможность задания граничных условий периода для теплового моделирования; FloTHERM позволяет инженерам создать математические модели для выполнения теплового анализа; Creo(Simulate) позволяет проводить идеализацию модели, задавая балочные и прочие идеализированные элементы, выполнять анализ установившегося состояния тепловых режимов, задавая стационарные температуры, условия конвекции в пространстве.

На следующем этапе рассматривается модель работы печатной платы: рабочие температуры компонентов, их геометрические параметры; виды теплообмена, типы теплоотвода и охлаждения. Происходит непосредственно моделирование тепловых режимов элементов, построение теплового поля изделия.

Последний этап подводит итоги моделирования: соблюдаются ли тепловые режимы, эффективен ли выбранный метод охлаждения.

Наравне с автоматизированным способом моделирования нагретой зоны существует способ расчета критического элемента. В таком «ручном» расчете система взаимодействующих тепловыделяющих и теплонагруженных элементов упрощается до расчета тепла элемента, обладающего самой низкой положительной допустимой температурой среди элементов ячейки.

2.Анализ задачи теплообмена ячейки методами ТРИЗ

Громоздкость задачи теплового моделирования обусловлено соответствием множеству факторов. Эффективность моделирования определяется используемым набором средств проектирования, типом изделия и объемом производства, возможностью адаптации под технологические изменения. При переходе от сложного к простому, задачу теплового моделирования можно представить как условие, требование и ограничение.

Таблица1. Формулировка задачи теплового моделирования

Тепловое поле платы определяется взаимодействием теплонагруженных и тепловыделяющих компонентов, от чего приходим к противоречию, обусловленным ограниченной площадью платы.

Рисунок 1. Противоречие

Слабым местом нагретой зоны являются теплонагруженные компоненты. Именно по ним можно судить об эффективности моделирования и надежности изделия. При рассмотрении задачи эффективного размещения на печатной плате теплонагруженных элементов были составлены дерево проблем и диаграмма Исикавы.

Рисунок 2. Дерево проблем

Рисунок 3. Диаграмма Исикавы

Исходя из рисунка 3, можно заключить, что основными причинами неэффективного расположения теплонагруженных элементов являются неверный выбор среды разработки, низкая квалификация разработчика, тип системы охлаждения и различное количество тепловыделяющих элементов. Выбор необходимого типа охлаждения может входить в систему расчета теплового поля платы, поэтому рассмотрим цепочку «5 причин» с оставшимися проблемами.

Рисунок 4. Цепочка «5 причин»

3.Концепция системы расчета теплового поля элементов

Сейчас на рынке САПР существует большой выбор инструментов для расчета тепловых режимов ячеек и элементов. Как уже было сказано, их алгоритмы являются закрытым кодом и они не могут быть внедрены в более простые системы проектирования. Решением этой проблемы являются узкоспециализированные продукты, решающие только одну задачу.

Продукты «тяжелых» САПР предлагают широкие возможности разработчикам. Для простых проектов они являются дорогими, требующими большой вычислительной мощности процессора. Если задачу удачного моделирования нагретой зоны сформулировать в ключе соответствия главному критерию, то система расчетов упрощается.

Автономная система решает проблему интеграций между многочисленными средствами теплового моделирования различных САПР. В небольших проектах нет необходимости в аппроксимации до структуры элементов. Используя информацию о структуре платы, можно отойти от разбивания ячейки на области. Для системы расчета тепловых режимов элементов печатной платы необходима реализация широкой библиотеки элементов, их характеристик, взаимодействия; подбор под геометрические параметры, проводники, теплоотводы.

Такая программа расчетов будет актуальна для студентов технических специальностей и начинающих разработчиков: в отличие от «тяжелых» САПР, разработкой может заняться любой без подготовки в специальных областях физики. Использование стандартных теплофизических значений из таблиц также снижает требования к квалификации разработчика, что является решением одной из проблем выявленных во второй части этой статьи. Упрощенный интерфейс расчета тепловых нагрузок и построения распределения тепла позволяет использовать более простые процессоры. Результат моделирования представляется как предложение по оптимальному размещению элементов, в котором будет учитываться температура элемента, тепловое воздействие соседних элементов и теплоотвод по плате. Таким образом, задача сводится к расчетам тела поверхности каждого элемента.

1. Москаленко К.И. Моделирование тепловых режимов элементов на печатной плате средствами САПР // Молодежный научно-технический вестник . 2016. № 5.
2. Камышная Э.Н., Маркелов В.В., Соловьев В.В. Конструкторско-технологические расчеты электронной аппаратуры: Учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2014. – 165 с.
3. Власов А.И. Системный анализ технологических процессов производства сложных технических систем с использованием визуальных моделей // Международный научно-исследовательский журнал. 2013. № 10-2 (17). С. 17-26.
4. Маркелов В.В., Власов А.И., Камышная Э.Н. Системный анализ процесса управления качеством изделий электронной техники // Надежность и качество сложных систем. 2014. № 1 (5). С. 35-42.
5. Курносенко А.Е., Соловьев В.А., Арабов Д.И. Программные модули для организации совместного проектирования электронной и механической составляющих изделия в САПР Solid Edge/NX. М.: Информационные технологии в проектировании и производстве. 2014. № 3 (155) – С. 85-89.
6. Шахнов В.А., Зинченко Л.А., Соловьев В.А., Курносенко А.Е. Основы конструирования в Solid Edge. Пособие по проектированию изделий в приборостроении. – М.: ДМК Пресс, 2014. – 272 с.: ил.
7. Ревенков А. В., Резчикова Е. В. Теория и практика решения технических задач : учеб. пособие для втузов – М. : Форум, 2008. – 381 с.

Все статьи автора «Москаленко Ксения Игоревна»