ISSN 0236-235X (P)
ISSN 2311-2735 (E)

Публикационная активность

(сведения по итогам 2016 г.)
2-летний импакт-фактор РИНЦ: 0,493
2-летний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования: 0,389
Двухлетний импакт-фактор РИНЦ с учетом цитирования из всех
источников: 0,732
5-летний импакт-фактор РИНЦ: 0,364
5-летний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования: 0,303
Суммарное число цитирований журнала в РИНЦ: 5022
Пятилетний индекс Херфиндаля по цитирующим журналам: 355
Индекс Херфиндаля по организациям авторов: 499
Десятилетний индекс Хирша: 11
Место в общем рейтинге SCIENCE INDEX за 2016 год: 304
Место в рейтинге SCIENCE INDEX за 2016 год по тематике "Автоматика. Вычислительная техника": 11

Больше данных по публикационной активности нашего журнале за 2008-2016 гг. на сайте РИНЦ

Вход


Забыли пароль? / Регистрация

Добавить в закладки

Следующий номер на сайте

4
Ожидается:
16 Декабря 2017

Матрично-топологический метод математического и компьютерного моделирования температурных полей в электронных модулях: программный комплекс STF-ElectronMod

Matrix-topological method for mathematical and computer modeling of temperature fields in electronic modules: programming complex STF-ElectronMod
Статья опубликована в выпуске журнала № 4 за 2012 год. [ на стр. 160-164 ][ 14.12.2012 ]
Аннотация:В статье рассматривается новый подход к математическому и компьютерному моделированию трехмерных температурных полей электронных систем, а также электронных модулей и его элементов. Подход основан на матрично-топологическом методе моделирования, позволяющем проводить расчеты трехмерных температурных полей сложных конструкций электронных модулей с учетом их реальных конструктивных особенностей и монтажа. Компьютерное моделирование на основе разработанного метода реализовано в виде программного комплекса STFElectronMod для персональных и суперкомпьютеров, имеет развитую сервисную оболочку и удобный пользовательский интерфейс. Результаты моделирования температурных полей представляются в виде полей цветных изотерм с высоким разрешением. Разработанный программный комплекс STF-ElectronMod показал свою адекватность, работоспособность и эффективность при тепловом проектировании реальных конструкций электронных модулей.
Abstract:New approach is considered for mathematical and computing modeling for three-dimensional temperature field for EM and its elements, founded on matrix-topological method for mathematical and computer modeling. The method allows to realize the calculations of temperature field for complex electronic systems EM with provision for their real constructive particularities. Computer modeling realized in programming complex STF-ElectronMod for personal and supercomputers. Programming complex has a developed user shell, results of modeling introduced in the manner of distribution colour isotherm of the designs. Designed of the programming complex shown its efficiency and adequacy results.
Авторы: Мадера А.Г. (alexmadera@mail.ru) - НИИСИ РАН, г. Москва, г. Москва, Россия, доктор технических наук, Кандалов П.И. (petrki87@gmail.com) - НИИСИ РАН, Москва, Россия
Ключевые слова: микросхема., электронный модуль, температурное поле, математическое моделирование, программный комплекс
Keywords: microcircuit, electronic module, a tempering, mathematical and computer modeling, software package
Количество просмотров: 4469
Версия для печати
Выпуск в формате PDF (9.63Мб)
Скачать обложку в формате PDF (1.26Мб)

Размер шрифта:       Шрифт:

Тенденция ужесточения требований к надежности электронных систем и устойчивости к внешним дестабилизирующим воздействиям обусловила необходимость особого внимания к проблеме моделирования и обеспечения тепловых режимов как самой электронной системы, так и ее элементов [1]. Это связано с тем, что, во-первых, лишь небольшая часть (не более 10 %) электрической мощности, потребляемой электронными элементами – микросхемами (МС) и электрорадиоэлементами (ЭРЭ), преобразуется в полезные сигналы, в основном же она необратимо диссипируется в виде тепловой энергии [2]. Во-вторых, электрические и надежностные характеристики МС, ЭРЭ, электронных модулей (ЭМ) и электронных систем в целом находятся в значительной температурной зависимости, в результате чего с возникновением температурных полей в электронной системе ее электрические параметры претерпевают существенные изменения [3]. При этом температурные изменения электрических параметров электронных систем могут превысить допустимые значения, приводя к неправильному функционированию, уменьшению надежности, быстродействия, помехоустойчивости и пр. Иначе говоря, тепловые режимы во многих случаях являются решающим ограничивающим фактором на пути создания надежных электронных систем.

Таким образом, создание современных конкурентоспособных электронных систем невозможно без анализа и моделирования температурных полей, а также без обеспечения тепловых режимов ЭМ и его элементов, то есть без теплового проектирования. Необходимо отметить, что тенденция к дальнейшей микро-, а теперь и наноминиатюризации электронных элементов и систем, сопровождающаяся одновременным ростом плотности тепловыделения в единице объема, ведет ко все большему росту актуальности теплового проектирования.

Важнейшей структурной единицей любой электронной системы является ЭМ, состоящий из многослойной печатной платы (МПП) с разнородными слоями и установленными на ней элементами – МС и ЭРЭ (дискретными диодами, транзисторами, резисторами, конденсаторами, катушками индуктивности, электрическими разъемами и пр.). Тепловое проектирование ЭМ проводится наряду с такими видами проектирования электронных систем, как схемотехническое проектирование, моделирование высокочастотных эффектов в линиях связи, трассировка сигнальных проводников в МПП, проектирование МС и ее топологии. Тепловое проектирование ЭМ включает в себя определение трехмерных полей температуры в объеме и на поверхностях МПП, корпусов МС и ЭРЭ, расчет распределений тепловых потоков, характеристик конвективного теплообмена между ЭМ и окружающей средой, тепловых параметров и характеристик МС и ЭРЭ.

Моделирование температурных полей ЭМ является одной из главных проблем, решаемых при тепловом проектировании, вместе с тем на сегодняшний день отсутствуют надежные и адекватные методы компьютерного моделирования ЭМ и их реализация в виде программных комплексов для ЭВМ [4]. Это во многом обусловлено сложным характером конструкции ЭМ, обладающей следующими конструктивными характеристиками: большое число (до нескольких десятков) разнородных в теплофизическом отношении слоев в МПП, ни одним из которых практически нельзя пренебречь; трехмерный характер и сложная пространственная конфигурация конструкций ЭМ, МС и ЭРЭ; неоднородные включения и полости; сложная динамика рассеиваемой мощности при работе ЭМ; взаимодействие элементов между собой в системе. Кроме того, нерешенной остается проблема конвективного теплообмена ЭМ и его элементов с окружающей воздушной средой. Отметим, что на рынке программных комплексов (ПК) имеется достаточное число как зарубежных, так и отечественных ПК для моделирования тепловых режимов различных электронных систем, и в частности ЭМ, однако при этом все они имеют серьезные недостатки, которые не позволяют использовать их в профессиональной практике проектирования электронных систем.

В данной статье рассматривается новый подход к математическому и компьютерному моделированию трехмерных температурных полей ЭМ и его элементов, основанный на матрично-топологи­ческом методе математического и компьютерного моделирования. Метод позволяет проводить расчеты трехмерных температурных полей сложных конструкций ЭМ и учитывать реальные конструктивные особенности ЭМ и корпусов МС, реальные условия монтажа МС и ЭРЭ на поверхностях МПП, особенности крепления МПП в ЭМ, блоках и панелях электронных устройств, конструкции теплоотводов (радиаторов) и системы охлаждения ЭМ, неограниченное количество разнородных слоев в МПП. Компьютерное моделирование реализовано в виде ПК Simulation of Temperature Fields of Electronic Modules (STF-ElectronMod) на языке Pascal для персональных и суперкомпьютеров. Разработанный ПК имеет удобный пользовательский интерфейс с развитой пользовательской оболочкой и обеспечен средствами визуализации распределений температуры ЭМ в виде цветных изотерм. Сравнение ПК STF-ElectronMod с существующими показало его значительное превосходство как по своим возможностям, так и по степени адекватности результатов моделирования реальности.

Матрично-топологический метод моделирования

Тепловая модель ЭМ представляет собой систему тепловых моделей МПП и установленных на ней МС и ЭРЭ. Тепловая модель МПП является многослойным прямоугольным параллелепипедом [5, 6], состоящим из множества тонких разнородных в теплофизическом отношении слоев различной толщины. На верхней и нижней поверхностях многослойной структуры тепловой модели МПП происходит конвективный теплообмен в среду по линейному закону Ньютона. На верхней и нижней поверхностях тепловой модели расположены прямоугольные площадки, соответствующие проекциям МС и ЭРЭ на поверхность конструкции и играющие роль источников теплоты. Граничные условия на торцах МПП адиабатические, а температура среды и условия теплообмена на верхней и нижней поверхностях МПП могут быть различными.

Тепловые модели элементов ЭМ, таких как МС, ЭРЭ и электрические разъемы, установленные на МПП, делятся на два вида. Первый вид элементов, называемый активными элементами, характеризуется определенным уровнем потребляемой мощности, которая приводит к активному внутреннему тепловыделению. К активным элементам относятся МС, диоды, транзисторы, резисторы, катушки индуктивности, трансформаторы. Ко второму виду относятся пассивные элементы, у которых нет собственного тепловыделения, это электрические разъемы, конденсаторы, теплоотводы (радиаторы), металлические детали, тепловые трубы и пр. При тепловом моделировании пассивные элементы выполняют функции теплоотводов. По своей физике пассивные элементы являются стоками теплоты, а активные элементы, выделяющие тепловую энергию, источниками теплоты. Активные и пассивные элементы моделируются посредством тепловых схем (рис. 1), получаемых методом электротепловой аналогии на макроуровне моделирования [4].

Подпись:  
Рис. 1. Тепловая схема МС (s – source; ic – IC; c – case, a – ambient) и стока (d – drain, f – flow)
Матрично-топологический метод моделирования трехмерных температурных полей в конструкциях ЭМ основывается на универсальной концепции коэффициентов влияния [2, 4], принципе суперпозиции, справедливом для линейных систем, методе двойного косинус-преобразования Фурье в конечных пределах и матрично-топологи­ческом методе формирования уравнений математической модели.

Математические модели активных и пассивных элементов в соответствии с их тепловыми моделями (рис. 1) в матрично-векторной форме могут быть записаны в виде

Подпись:    	а)	б)   	в)	г)Рис. 2. Расположение МС в ЭМ (а) и (б); результаты расчета изотерм (в) и (г) на поверхностях ЭММатематическая модель температурного поля в произвольной точке (x, y) поверхности многослойной структуры МПП в слое k, полученная методом двойного косинус-преобразования Фурье [4–6], имеет вид Tk(x, y, z)=Qk(x, y, z)+Tk2(z)+Ta1, где Qk(x, y, z) – температура в точке (x, y, z) в k-м слое (k=1 – верхний слой или М – нижний слой) тепловой модели МПП при одинаковых температурах среды на верхней и нижней поверхностях МПП; Tk2(z) – температура в k-м слое, вносящая поправку на разницу температур поверхностей МПП.

Применяя принцип суперпозиции и концепцию коэффициентов влияния, получим матрично-топологическую модель теплопереноса в конструкции ЭМ:

где Ps, Pd, Ts, Td – векторы определяемых мощностей и усредненных температур источников и стоков теплоты; Tsa, Tda, Ps – векторы заданных и известных априори температур охлаждения МС и стоков и мощностей, потребляемых активными элементами; Rss, Rdd, Rsd и Rds – матрицы тепловых взаимодействий между всеми источниками теплоты (Rss), между всеми источниками и стоками теплоты (Rsd), между всеми стоками и источниками теплоты (Rd) и между всеми стоками теплоты (Rdd). Все матрицы рассчитываются на основе концепции коэффициентов влияния.

Подпись:  
Рис. 3. Фрагмент (увеличенный) температурного поля
наиболее теплонагруженной МС S1
Решением матричной системы уравнений математической модели являются векторы мощностей источников Ps и стоков Pd теплоты тепловой модели МПП, а также значения векторов температур в любой точке конструкции и значения векторов температур Тs, и Тd, усредненных по площадям источников и стоков теплоты.

Для решения матрично-топологических уравнений разработан эффективный метод, который позволяет находить мощности всех источников и стоков тепла за один проход. Кроме того, метод устойчив к значительному разбросу удельной тепловой проводимости слоев печатной платы, которая может изменяться в диапазоне от 2∙10–7 Вт/К до единиц Вт/К.

Применение ПК STF-ElectronMod для моделирования ЭМ

ПК STF-ElectronMod многократно применялся при тепловом проектировании ряда ЭМ и показал свою эффективность. На рисунке 2 приведены поля изотрем, полученных моделированием температурных полей для конструкции ЭМ, содержащего МПП с 27 слоями, имеющими различную толщину и теплофизические характеристики; 20 МС установлены на обеих поверхностях МПП, по краям МПП установлены элементы крепления ЭМ к крейту электронной системы в виде четырех металлических клиньев. На рисунке 3 приведен увеличенный фрагмент температурного поля поверхности МПП в области наиболее теплонагруженной МС (с номером S1).

Разработанный метод математического и компьютерного моделирования, реализованный в виде ПК STF-ElectronMod, предназначен для расчетов трехмерных температурных полей ЭМ при реальных конструктивных особенностях и условиях монтажа МС на поверхностях МПП. Одними из главных преимуществ STF-ElectronMod по сравнению с существующими системами теплового проектирования являются, во-первых, возможность моделирования многослойности структуры конструкции МПП, которая может насчитывать несколько десятков разнородных по толщине и материалам слоев, во-вторых, способность моделировать конвективный сопряженный теплообмен между МС и ЭРЭ и воздушной средой в электронной системе.

Применение ПК STF-ElectronMod при тепловом проектировании электронных систем различного назначения показало его адекватность, работоспособность и высокую эффективность.

Литература

1.     Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1991.

2.     Дульнев Г.И. Тепломассобмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш. школа, 1984.

3.     Билибин К.И., Власов А.И., Журавлева Л.В. [и др.]. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.

4.     Мадера А.Г. Моделирование теплообмена в технических системах. М.: НФ Первая исслед. лаб. им. акад. В.А. Мельникова, 2005.

5.     Мадера А.Г., Кандалов П.И. Моделирование распределений температуры в электронных модулях // Проектирование и технология электронных средств. 2009. № 1. С. 50–53.

6.     Kandalov P.I., Madera A.G. Mathematical and computing modeling of temperature fields in electronic modules // 16th Intern. Workshop on thermal investigations of ICs and systems, Barcelona, Spaine, 6–8 October, 2010.


Постоянный адрес статьи:
http://swsys.ru/index.php?page=article&id=3333
Версия для печати
Выпуск в формате PDF (9.63Мб)
Скачать обложку в формате PDF (1.26Мб)
Статья опубликована в выпуске журнала № 4 за 2012 год. [ на стр. 160-164 ]

Возможно, Вас заинтересуют следующие статьи схожих тематик: