Надежность, помехоустойчивость, работоспособность, быстродействие, статические и динамические параметры электронных изделий (ЭИ) – интегральных микросхем (ИС), электронных модулей, вычислительных комплексов и систем – в значительной степени зависят от температуры ЭИ. Причем уровень температуры в ряде случаев является решающим фактором, ограничивающим эксплуатационные характеристики ЭИ. Поэтому важнейшей задачей, стоящей перед разработчиками, является обеспечение требуемого теплового режима всех элементов, узлов и устройств ЭИ.

Для обеспечения теплового режима элементов, узлов и устройств ЭИ необходимо проводить их тепловое проектирование, которое включает следующие взаимосвязанные этапы:

-     моделирование теплового режима элементов и конструкции ЭИ в целом;

-     проектирование элементов и систем отвода теплоты (конвективно-воздушного, кондуктивно-воздушного, кондуктивно-жидкостного, кондуктивно-испарительного, жидкостного и т.д.);

-     конструирование системы эффективного охлаждения элементов и всей конструкции ЭИ.

Моделирование теплового режима ЭИ (первый этап теплового проектирования) заключается в адекватном определении с приемлемой погрешностью температурных полей всех элементов, узлов и устройств ЭИ (кристаллов ИС, многослойных печатных плат с установленными на них ИС и электрорадиоэлементами (ЭРЭ), модулей, панелей, стоек ЭИ и т.д.) при различных условиях охлаждения. Необходимость в моделировании температурных полей вызывается тем, что уровень температуры ЭИ в процессе функционирования определяется не только рабочей температурой окружающей среды, но и собственным температурным полем в процессе функционирования. Возникновение температурного поля обусловливается тем, что только 5–10 % потребляемой ЭИ мощности превращается в мощность полезных сигналов, остальные 90–95 % рассеиваются в виде тепловой энергии. Различное энергопотребление ЭИ, неоднородность размещения их в конструкции, взаимное влияние друг на друга приводят к возникновению неоднородного температурного поля в элементах ЭИ и в системе в целом.

Математическое моделирование температурных полей отдельных элементов ЭИ и всего ЭИ в целом – трехмерная многоэлементная нелинейная проблема. Нелинейный характер моделирования обусловливается тем, что тепловое взаимодействие элементов ЭИ сопровождается теплообменом – излучением, плотность энергии которого нелинейно зависит от температуры элементов конструкции, которые сами, в свою очередь, подлежат моделированию. Наличие нелинейностей значительно усложняет процесс математического моделирования температурных полей и предъявляет довольно высокие требования к точности задания исходной информации о параметрах тепловой модели.

Системно-иерархическое моделирование задач теплового проектирования ЭИ

Системно-иерархическое моделирование при тепловом проектировании и иерархия задач, решаемых в ходе теплового проектирования (моделирование, проектирование, конструирование) ЭИ, обусловливаются иерархической функционально-конструктивной структурой конструкции ЭИ. Иерархия функционально-конструктивных уровней ЭИ характеризуется в общем случае пятью уровнями.

Первый уровень. Отдельные ИС и ЭРЭ, конструктивно выполненные в виде выводных и безвыводных корпусированных конструкций.

Второй уровень. Электронный модуль (ЭМ), конструктивно выполненный в виде многослойной печатной платы с установленными на ней ИС и ЭРЭ и локальными теплоотводами для отвода теплоты от ИС и ЭРЭ. В качестве локальных могут использоваться различные виды теплоотводов: с развитой поверхностью (ребристые, штыревые, плоские и т.д.); с естественным или принудительным воздушным охлаждением; высокотеплопроводные шины; проточные охлаждающие каналы; тепловые трубы; термосифоны.

Третий уровень. Панель (блок, субблок и т.д.), объединяющая несколько ЭМ и содержащая элементы крепления ЭМ, разъемы, подвод питания, интерфейс, а также конструкции теплоотвода для своего охлаждения.

Четвертый уровень. Стойка, содержащая несколько панелей, элементы крепления панелей, подвод питания, межсоединения панелей, систему охлаждения стойки и панелей.

Пятый уровень. Внешние условия (помещение), в которых устанавливается и эксплуатируется вычислительный комплекс, состоящий из нескольких стоек: борт летательного аппарата, машинный зал, бункер и т.д. На этом уровне важнейшую роль играет система отвода тепловой энергии внутри помещения от всего вычислительного комплекса (система кондиционирования, система отвода теплоты во внешнюю окружающую среду, автономные системы охлаждения).

Отметим, что в зависимости от реального конструктивного исполнения вычислительного комплекса пятиуровневая иерархическая структура может быть ограничена только вторым или третьим уровнями.

Особенностью иерархии задач, решаемых при тепловом проектировании ЭИ на каждом функционально-конструктивном уровне, является их взаимосвязанность.

Решение задач теплового проектирования (моделирование, проектирование и конструирование) проводится последовательно, начиная с самого верхнего (пятого) уровня иерархии и заканчивая решением задач самого низшего уровня (первого). Параметры теплового режима, рассчитанные из математической модели на каждом уровне, являются исходными данными для задания граничных условий в математической модели более низкого уровня. Системно-иерархическая структура моделирования имеет место и при проектировании и конструировании систем охлаждения и конструкций теплоотводов теплоты от элементов ЭИ на каждом уровне. Система охлаждения ЭИ проектируется и конструируется с верхнего (пятого) уровня, последовательно на каждом иерархическом уровне, начиная с самого верхнего (пятого) и заканчивая низшим уровнем (первым).

Задачи теплового проектирования, решаемые на каждом уровне иерархии

Данные задачи решаются последовательно в соответствии с иерархической структурой ЭИ и системно-иерахического моделирования сверху вниз, начиная с самого верхнего уровня.

Пятый уровень. Моделируется температурно-влажностный режим помещения, в котором будет устанавливаться и эксплуатироваться проектируемое ЭИ. Формулируются требования, и проектируется (выбирается) система охлаждения всей системы ЭИ в помещении. Исходными данными на этом уровне являются мощности, выделяемые всеми стойками, входящими в состав ЭИ, их размещение в помещении, размеры помещения и другие требования, предъявляемые к эксплуатации ЭИ в помещении. Полученные в результате моделирования на пятом уровне значения температуры воздушной среды (или жидкостной среды в случае применения кондуктивно-жидкостной системы охлаждения), режимы течения воздуха вокруг стоек, потоки теплоты от стоек в окружающую среду позволяют определить теплофизические параметры (коэффициенты теплоотдачи, температуру стенок стоек), учитывающие взаимодействие стоек ЭИ между собой и средой в помещении. Найденные тепловые параметры входят в граничные условия математических моделей задач, решаемых на следующем, более низком уровне иерархии.

Четвертый уровень. Моделируются и рассчитываются поля температуры и влажности воздушной среды внутри каждой стойки ЭИ, температура и параметры холодоносителя в каналах охлаждения стойки, потоки теплоты от панелей (третий уровень иерархии) к среде внутри стойки, являющейся внешней по отношению к панелям. На этом же уровне проектируется и конструируется система охлаждения стойки: проводятся тепловые и гидравлические расчеты каналов охлаждения внутри стойки, термодинамический анализ режимов охлаждения, моделирование, расчет и выбор технических средств, обеспечивающих требуемый тепловой режим стойки. Исходными данными служат полученные на предыдущем (пятом) уровне температура и режим течения среды (воздуха и жидкостей) вокруг стоек, потоки теплоты от стоек в окружающую среду, коэффициенты теплоотдачи и температура стенок стоек ЭИ в среду в помещении; потоки теплоты от панелей в воздушную (жидкостную) среду внутри стойки; конструкция стойки. Полученные на четвертом уровне теплофизические параметры: температуры среды, режимы ее течения около панелей, потоки теплоты от панелей в среду внутри стойки, окружающую среду, коэффициенты теплоотдачи – являются исходными данными для моделирования и проектирования элементов третьего уровня иерархии. Моделирование проводится с учетом теплового взаимодействия панелей друг с другом и со средой внутри стойки.

Третий уровень. Моделируются и рассчитываются поля температуры, скорости и влажности воздушной среды, протекающей внутри панелей, температура жидкостного холодоносителя в каналах охлаждения панелей с учетом теплового взаимодействия ЭМ между собой и средой внутри панели, а также теплофизические параметры среды внутри панелей между ЭМ. Одновременно с моделированием проводятся проектирование и конструирование системы охлаждения панелей. Исходными данными для моделирования являются теплофизические параметры, полученные на предыдущем (четвертом) уровне, а также потоки теплоты ЭМ в панели. Результатами моделирования на третьем уровне являются коэффициенты теплоотдачи от каждого ЭМ в среду, температура среды возле каждого модуля, потоки теплоты от каждого ЭМ.

Второй уровень. Моделируется тепловой режим каждого ЭМ в панели: температурное поле многослойной печатной платы с установленными на ней ИС и ЭРЭ, температура корпусов ИС и ЭРЭ. Моделирование ведется совместно с проектированием и выбором конструкции теплоотводов от ИС и ЭРЭ, обеспечивающих заданный тепловой режим ЭМ. Исходными данными на втором уровне являются теплофизические параметры, полученные на третьем уровне, размеры платы, количество слоев платы, теплофизические параметры каждого слоя, мощность, потребляемая ИС и ЭРЭ, их расположение на плате, размеры и условия крепления к плате, а также конструкции теплоотводов, используемых для отвода теплоты от ИС и ЭРЭ. Полученные на данном уровне температура корпусов ИС и ЭРЭ, потоки теплоты от ИС и ЭРЭ в среду, в плату и в теплоотводы служат исходными данными для моделирования теплового режима каждой ИС и ЭРЭ в отдельности.

Первый уровень. Моделируется температура на кристалле ИС, по результатам выбирается (или конструируется) корпус ИС, обеспечивающий заданный тепловой режим ИС. Основными исходными данными здесь являются температура корпусов ИС и коэффициенты теплоотдачи от ИС в среду, полученные на предыдущем уровне моделирования, а также тепловые сопротивления θjc (от p-n-перехода к корпусу ИС) и θca (от корпуса ИС в среду). Значения тепловых сопротивлений θjc и θca могут быть определены либо путем измерений, либо математическим моделированием. В последнем случае для моде- лирования тепловых сопротивлений θjc и θca необходимо располагать данными о конструкции корпуса ИС и количестве выводов корпуса, теплофизическими характеристиками его материалов, данными по размерам и материалу кристалла ИС, а также по конструкции контактирующего устройства при его наличии.

Температура на кристаллах ИС, получаемая в результате иерархического моделирования на пяти уровнях, является основной характеристикой теплового режима всей ЭИ, поскольку именно температура кристаллов ИС определяет надежность, работоспособность, помехоустойчивость, быстродействие и другие эксплуатационные статические и динамические характеристики как отдельной ИС, так и всей ЭИ в целом.

Системно-иерархическое моделирование при тепловом проектировании ЭИ может содержать меньшее число уровней в зависимости от целей проектирования и сложности проектируемого ЭИ, заданного в техническом задании (ТЗ). Если ТЗ выдается на проектирование отдельного ЭМ, оно должно содержать заданные внешние условия эксплуатации ЭМ, рабочую температуру среды, мощность, потребляемую ЭМ. В этом случае системно-иерархическое моделирование ограничивается только первым и вторым уровнями и соответствующим перечнем решаемых задач. При выдаче ТЗ на проектирование панели, содержащей несколько ЭМ, ТЗ должно содержать данные по внешним условиям, в которых будет функционировать проектируемая панель в составе более сложного устройства, данные по мощности каждого модуля и суммарной мощности панели, а также конструктивное исполнение панели. В этом случае моделирование будет охватывать три первых уровня и соответствующие задачи теплового проектирования на каждом уровне.