Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Постановка задачи обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры на базе печатных узлов при тепловых воздействиях
1.1. Необходимость учета тепловых режимов работы РЭА на ранних стадиях проектирования 15
1.2. Актуальность оценки надежности ПУ при анализе тепловых процессов в РЭА 19
1.3. Анализ основных показателей тепловой устойчивости ПУ РЭА при тепловых воздействиях 26
1.3.1. Вероятность отказа ПУ из-за перегрева 27
1.3.2. Поля тепловой нестабильности выходных электрических характеристик ПУ РЭА 30
1.3.3. Коэффициент тепловой нагрузки ПУ РЭА 33
1.4. Постановка задачи обеспечения тепловой устойчивости ПУ РЭА 35
1.5. Выводы 41
ГЛАВА 2. Теоретическая разработка метода повышения надежности конструкций на базе печатных узлов при тепловых воздействиях 43
2.1.. Функциональная схема метода повышения надежности ПУ РЭА при тепловых воздействиях 43
2.2. Расчет тепловых режимов РЭА 52
2.2.1. Анализ методов расчета тепловых режимов РЭА 52
2.2.2. Метод моделирования тепловых процессов в РЭА на основе топологических моделей. 58
2.2.3. МТП печатных узлов РЭА , 70
2.3. Разработка алгоритма идентификации параметров модели тепловых процессов и оптимизации параметров элементов конструкции печатного узла 76
2.3.1. Постановка задач идентификации параметров модели тепловых процессов и параметрической оптимизации 76
2.3.2. Получение целевых функций и ограничений для задач параметрической оптимизации и идентификации параметров модели тепловых процессов в печатных узлах 82
2.3.3. Выбор метода оптимизации и разработка алгоритма 84
2.3.4. Получение функции параметрической чувствительности 91
2.4. Выводы 95
ГЛАВА 3. Разработка автоматизированной подсистемы обеспечения надежности печатных узлов при тепловых воздействиях в рамках программного комплекса асоника-ТМ 97
3.1. Порядок автоматизированного проектирования РЭА с печатными узлами 97
3.2.Разработка структуры интегрированной САПР для проектирования РЭА и определение в ней места подсистемы обеспечения надежности приборов при тепловых нагрузках 105
3.3, Разработка автоматизированной подсистемы проектирования теплоустойчивых приборов на базе ПУ в рамках программного комплекса АСОНИКА 113
3.3.1. Разработка структурной схемы , 113
3.3.2. Разработка информационной модели подсистемы обеспечения надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях 125
3.4. Выводы 129
ГЛАВА 4. Повышение надежности приборов на базе пу на этапах конструкторской и технологической подготовки производства 130
4.1. Использование способа повышения надежности па этапе конструкторской подготовки производства 130
4.2. Применение метода и методики повышения надежности на этапе технологической подготовки производства . 145
4.2.1. Пайка волной припоя 146
4.2.2. Пайка инфракрасным излучением 148
4.3. Выводы 152
ГЛАВА 5. Практическое применение способа повышения надежности приборов на базе пу с учетом тепловых воздействий 153
5.1. Повышение надежности приборов на базе ПУ на этапе проектирования 153
5.2. Повышение надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях на
этапе изготовления (при различных видах пайки) 185
5.3.Основные этапы ТП приборов, на базе ПУ, надежность которых была повышена , 188
5.4. Выводы 190
Заключение 191
Список литературы
- Необходимость учета тепловых режимов работы РЭА на ранних стадиях проектирования
- Функциональная схема метода повышения надежности ПУ РЭА при тепловых воздействиях
- Порядок автоматизированного проектирования РЭА с печатными узлами
- Использование способа повышения надежности па этапе конструкторской подготовки производства
Введение к работе
Как известно, одной из важнейших задач промышленного производства является выпуск продукции, обладающей высокой степенью надежности, т.е. способной выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.
Для радиоэлектронной промышленности вопрос выполнения требований надежности как нельзя более актуален, поскольку любое подобное изделие, как правило, состоит из большого числа функциональных элементов, и выход из строя хотя бы одного из них может привести как к отказу компонентов более высокого уровня иерархии конструкции, так и всего изделия в целом.
Принципиально основы надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) закладываются на этапе ее конструирования. Этот этап имеет определяющее значение для всего будущего изделия. Улучшить показатели надежности РЭА, заложенные в конструкции, невозможно ни в процессе ее изготовления, ни в процессе эксплуатации. Поэтому на этапе конструирования необходимо тщательно контролировать надежность создаваемого изделия и принимать меры для ее повышения.
Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показатели их надежности (в соответствии с уровнем развития техники) реально. Повышение уровня надежности РЭА достигается прежде всего устранением причин, вызывающей в ней отказы, т.е. сведением к минимуму (или полной ликвидации, если это возможно), конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.
Одним из факторов, определяющим надежность РЭА, является температура входящих в конструкцию элементов. Отклонение теплофизических и геометрических параметров конструкции, а также изменение режимов и условий работы элементов РЭА приводит к изменению температуры. В свою очередь, изменение температуры оказывает
существенное влияние на происходящие в конструкции процессы (механические, электрические, аэродинамические и др.)).
Данная работа посвящена анализу тепловых процессов в печатных узлах (ПУ) и разработке метода и методики повышения надежности ПУ к тепловым воздействиям. Под ПУ будем понимать печатную плату (ПП) с расположенными на одной или обеих ее поверхностях электрорадиоэлементами, а также специальными конструктивными элементами (ребрами жесткости, теплостоками, тепловыми шинами, вентиляторами, радиаторами и др.).
ПУ входят в состав практически любой РЭА, поэтому полный тепловой анализ РЭА в конечном счете обязательно включает в себя анализ тепловых процессов в каждом входящем в состав РЭА ПУ. В настоящее время для анализа тепловых процессов в РЭА наибольшей популярностью пользуется метод электро-тепловой аналогии, суть которого сводится к представлению произвольной конструкции в виде совокупности узлов (температуры которых необходимо определить). При этом виды теплообмена, происходящие между двумя узлами, представляют в виде ветвей, каждая из которых обладает своим набором параметров, определяющих ее тепловую проводимость.
Данный метод позволяет абстрагироваться от конструкции РЭА и использовать единый математический аппарат для анализа элементов РЭА разного уровня иерархии (шкафы, блоки, стойки, печатные узлы, отдельные ЭРЭ).
В настоящее время в мире существует достаточно большое число программных средств, использующих для теплового анализа ПУ как вышеуказанный, так и другие методы.
Их можно разделить на 2 большие группы:
универсальные;
специализированные.
Из универсальных систем можно выделить такие системы, как ANSYS, MARK, NASTRAN, COSMOS и другие.
Однако, как и любые универсальные системы, они сложны в освоении, а следовательно при их использовании существенно возрастают затраты труда, времени и средств. Это и определяет низкую применяемость данных программных средств на ранних этапах проектирования, где для принятия решений необходимо проведение расчетов как можно в более короткие сроки.
Среди специализированных систем по анализу тепловых процессов в РЭА можно выделить как зарубежные (BETAso ft- System, FLOTHERM, AutoTherm, AutoFlow ), так и отечественные (АСОНИКА-ТМК, АСОНИКА-Т, ТРИАНА) разработки.
Основным недостатком зарубежных систем по сравнению с отечественными является отсутствие в них баз данных элементов, соответствующих российским стандартам.
В функциональном плане вышеуказанные системы в основном схожи и позволяют проводить тепловой анализ элементов конструкции РЭА любого уровня иерархии, в том числе и ПУ.
Более детально сравнительный анализ программных средств, как универсальных, так и специализированных, рассмотрен в первой главе диссертации.
Однако, существенным недостатком всех вышеописанных систем является слабая проработка (или полное отсутствие) в них средств и методик для оптимизации конструктивных и теплофизических параметров элементов РЭА и идентификации параметров моделей тепловых процессов с целью повышения надежности проектируемой РЭА и её устойчивости к тепловым воздействиям. Между тем, данная задача представляется крайне важной, поскольку:
1) проведенный анализ тепловых процессов в РЭА лишь позволяет с определенной степенью точности отразить картину распределения тепла в конструкции, при этом задача подбора параметров и изменение структуры конструкции с целью улучшения ее теплового режима полностью возлагается
на опыт и интуицию разработчика, т.е. зависит от субъективного фактора. А если учесть, что процесс доработки конструкции является итерационным и, порой, основанным на частых испытаниях, то актуальность задачи автоматизированного подбора оптимальных параметров на ранних этапах проектирования становится очевидной;
2) очень часто в конструкцию требуется вносить новые элементы
(вентиляторы, радиаторы, тепловые шины и др.), в связи с чем меняется
тепловой режим работы изделия и встает задача его пересчета и подбора
нового вектора оптимальных параметров;
3) задача идентификации параметров тепловых моделей также является
очень важной, поскольку позволяет, зная расчетные и экспериментальные
значения температур, подобрать элемент с такими параметрами, чтобы
соблюдался заданный тепловой режим работы изделия.
Таким образом, на сегодняшний день актуальна разработка необходимого программного и методического обеспечения, позволяющего на ранних стадиях проектирования получать оптимальные значения параметров элементов РЭА и ПУ в частности, а также идентифицировать параметры тепловых моделей с целью повышения надежности проектируемых изделий и снижения временных и материальных затрат при их проектировании.
Следует заметить, что эффективность разработанного программного обеспечения и методики значительно повышается при их функционировании в рамках имеющегося специализированного программного комплекса, поскольку это позволяет:
1) Использовать при расчете имеющиеся модели тепловых процессов (МТП)
из соответствующих библиотек.
2) Осуществлять подбор параметров элементов, используя единую базу
данных.
3) Импортировать необходимые для расчета параметры из других подсистем
программного комплекса и осуществлять экспорт полученных результатов.
Цель работы.
Исследование путей и разработка способа повышения надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий, основанного на методах оптимизации, а также методики его интеграции в конструкторско-технологическии цикл проектирования и изготовления приборов на базе ПУ.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Исследование методик расчета надежности конструкций приборов на базе ПУ с учетом тепловых воздействий и методов повышения надежности.
Разработка способа повышения надежности приборов на базе ПУ, с учетом тепловых воздействий, базирующегося на параметрической и структурной оптимизации геометрических и теплофизических параметров ПУ.
3. Разработка алгоритма идентификации теплофизических параметров
печатных узлов.
Разработка программного комплекса для анализа надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий (в рамках системы АСОНИКА).
Разработка методики проектирования теплоустойчивых приборов на базе печатных узлов.
Исследование возможностей использования методов оптимизации для варьирования параметрами режимов технологических процессов, критичных к тепловым воздействиям (в частности, при пайке ЭРЭ) с целью повышения надежности на этапе изготовления приборов.
7. Систематизация современных методов изготовления высоконадежных
приборов на базе печатных узлов.
8. Экспериментальная проверка разработанного метода повышения
надежности.
Методы исследования.
В процессе решения поставленных задач использованы методы оптимизации, такие как метод Нелдера-Мида и метод золотого сечения, использованы принципы системного подхода, теории тепломассопереноса, объектно-ориентированного программирования.
Новые научные результаты.
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
1. Разработан способ повышения надежности приборов на основе печатных
узлов при тепловых воздействиях, отличающийся от существующих тем, что
базируется на оптимизации геометрических и теплофизических параметров
элементов и идентификации параметров модели тепловых процессов в
печатных узлах;
Разработана целевая функция, отличающаяся от существующих тем, что позволяет связать критерий оценки надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях с геометрическими и тепло физическими параметрами ПУ, которая может использоваться для решения задач повышения надежности ПУ на этапах проектирования и изготовления ПУ
Разработаны целевая функция и алгоритмы для решения обратной задачи - идентификации параметров элементов печатного узла при известном тепловом режиме его работы.
4. Разработана структура автоматизированной подсистемы проектирования
печатных узлов с учетом тепловых воздействий, отличающаяся от
существующих тем, что основана не только на эффективном способе расчета
тепловых характеристик ПУ, но и на алгоритмах оптимизации и
идентификации параметров печатного узла с точки зрения теории
надежности, что позволяет:
повысить точность расчета;
повысить надежность проектируемого печатного узла и его стойкость к тепловым воздействиям.
Практическая полезность работы состоит в том, что разработанный способ повышения надежности приборов при тепловых воздействиях, основанный на методах оптимизации может быть эффективно применен не только на ранних стадиях проектирования, но и на стадиях изготовления приборов, критичных к температурному воздействию, в частности при пайке.
Способ позволяет подобрать такие параметры технологических процессов, при которых достигается максимальное значение надежности ПУ при соблюдении принятых ограничений на конструкторские и технологические параметры.
В результате работы также была проведена классификация и систематизация современных методов изготовления высоконадежных приборов на базе печатных узлов.
Реализация и внедрение результатов. 2. Разработанный метод повышения надежности приборов на основе печатных узлов при тепловых воздействиях, а также разработанные в рамках автоматизированной подсистемы расчета тепловых характеристик алгоритмы идентификации и оптимизации, были успешно применены в целом ряде расчетов, в частности для Раменского приборостроительного конструкторского бюро (РПКБ) (г. Раменское) при разработке бортовых цифровых вычислительных машин БЦВМ-486-2, БЦВМ-486-6, БЦВМ-900 и приборов БИУВК-1И, СУД-1, для НПО «Энергия» (г.Москва) при расчете телеметрической аппаратуры для космической промышленности, для конструкторского бюро информатики и гидроакустики (КБ ИГАС) «Волна» (г, Москва) при расчете печатных узлов стойки БНК-3, для особого конструкторского бюро Ижевского радиозавода (ОКБ ИРЗ) (г. Ижевск) при разработке узлов и блоков бортовой телеметрии, спутниковых навигационных систем и космических систем связи.
Имеются 3 акта внедрения:
ГУП КБ ИГАС «Волна» (г. Москва), ОКБИР (г. Ижевск), РПКБ (г. Раменское)
Апробация результатов работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях: на Всероссийской научно-технической конференции с участием
международных специалистов "Высокие технологии в промышленности России" (Москва, ЦНИТИ «Техномаш», 2003г.), на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, Красноярский государственный технический университет (КГТУ), 2004г.); на международной научно-технической конференции "Системные проблемы качества, надежности, информационных и электронных технологий" (Сочи, 2004г., 2005г., организатор - Московский институт электроники и математики (МИЭМ)).
Публикации.
По материалам диссертационных исследований опубликовано 8 научных работ (без учета тезисов).
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы и приложения.
В главе 1:
обосновывается необходимость учета тепловых режимов работы РЭА как на стадии проектирования, так и на стадии изготовления;
проводится анализ основных показателей надежности РЭА на базе ПУ при тепловых воздействиях. На основе проведенного анализа обосновывается необходимость применения средств математического моделирования и оптимизации для получения объективной картины происходящих в РЭА
тепловых процессов и устранения "слабых мест" конструкции еще на этапе её проектирования;
формулируется задача диссертационной работы - обеспечение надежности РЭА на базе ПУ при тепловых воздействиях, указываются основные этапы её решения;
производится анализ современного состояния существующих программ-мных средств и методов моделирования тепловых процессов. На основе данных исследований обосновывается актуальность поставленной в диссертационной работе цели и задач.
В главе 2:
Раскрываются теоретические аспекты метода обеспечения тепловой устойчивости конструкций на базе ПУ к тепловым воздействиям, приводится функциональная схема рассматриваемого метода, а также подробно рассматриваются его основные этапы:
1. Получение тепловых характеристик несущей конструкции и радиоэлементов ПУ. При этом обосновывается выбор метод анализа -электротепловой аналогии.
3. Многокритериальная оптимизация геометрических и теплофизических параметров (ГТФП) элементов ПУ и идентификация параметров ветвей модели тепловых процессов (МТП) ПУ. При решении этой задачи подробно проработаны вопросы получения целевых функций и ограничений для идентификации и оптимизации, реализован дифференцированный подход при выборе метода оптимизации, в зависимости от вида решаемой задачи и условий, оговоренных в техническом задании, рассмотрены алгоритмы каждого из методов, а также отдельное внимание уделено вопросам расчета параметрической чувствительности элементов к температурным изменениям. В главе 3:
Проработаны вопросы построения подсистемы автоматизированного проектирования теплоустойчивой РЭА на базе ПУ. При этом разработка
подсистемы ведется не обособленно, а в рамках автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА), которая, в свою очередь, базируется на технологии хранения и управления данными о РЭА {Product Data Management/PDM - технология), являющейся составной частью CALS- технологий.
Особое внимание уделено следующим вопросам: 1.созданию маршрута сквозного автоматизированного проектирования приборов на основе ПУ;
2,созданию на основании вышеуказанного маршрута схемы единой интегрированной САПР для проектирования РЭА, в рамках которой функционирует и подсистема анализа тепловых процессов ПУ РЭА; 3.формулированию понятия электронного (виртуального) макета, являющегося базовым понятием CALS - идеологии и построению структуры электронного макета печатного узла;
4.разработке подсистемы, реализующей метод обеспечения надежности ПУ при тепловых воздействиях и интегрированной в программный комплекс АСОНИКА (структурная схема, информационная модель, программная реализация).
В главе 4: 1. Проработаны вопросы использования способа повышения надежности приборов на базе печатных узлов на этапе конструкторской подготовки производства:
разработан маршрут сквозного автоматизированного проектирования высоконадежных РЭА на базе печатных узлов соответствующий требованиям CALS - идеологии;
разработана методика проектирования теплоустойчивых приборов на базе ПУ. Методика представлена в виде развернутого алгоритма, что исключает неоднозначность трактовки проектировщиком отдельных ее этапов;
разработана методика использования способа повышения надежности на этапах технологической подготовки производства, связанных с повышенными температурами, частности при различных видах пайки (ручная пайка, пайка волной припоя, пайка инфра-красным нагревом);
В главе 5:
1. Уделено внимание практическому применению способа повышения надежности как на этапе проектирования, так и на этапе изготовления на примере следующих приборов: бортовой центральной вычислительной машины БЦВМ-386-6 (надежность прибора была повышена на 12 %), печатного узла модуля центрального процессора (МЦП-8) бортовой ЭВМ (БЦВМ-900) (надежность модуля МЦП-8 была повышена на 11% за счет варьирования теплофизических параметров и на 16% за счет применения радиатора) (для Раменского проектно-конструкторского бюро); блока цифровой обработки сигналов (для КБ ИГ АС «Волна») (надежность блока была повышена на 10 %).
Также были рассмотрены основные этапы технологических процессов изготовления приборов, надежность которых была повышена.
Кроме этого были приведены примеры использования способа повышения надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях при различных вариантах пайки (ручная, пайка волной припоя, пайка инфракрасным излучением)
ТюриноЙ О.И., Орлову А.В. за советы и помощь в работе.
Автор выражает благодарность проф. Шалумову А.С. за научное руководство в процессе работы над диссертацией и за постоянное внимание и направление моей научной деятельности. Автор признателен к.т.н. доцентам
Необходимость учета тепловых режимов работы РЭА на ранних стадиях проектирования
Эксплуатационные факторы, воздействующие на элементы РЭА и ПУ в частности, можно разделить на внутренние и внешние. Внешние факторы связаны с влиянием окружающей среды и они воздействуют на радиоэлементы, входящие в состав ПУ, независимо от того, работают они или находятся в выключенном состоянии. К таким факторам относятся температура окружающей среды, её давление, влажность, эксплуатационные механические нагрузки, магнитные поля, радиация и др. Внутренние эксплуатационные факторы связаны с работой самих радиоэлементов. К этим факторам относятся выделение в радиоэлементах тепла, электрические напряжения, и токи в схеме ПУ, образование электромагнитных полей работающими элементами и т.д.
Даже при небольшой величине одной из этих двух составляющих эксплуатационных факторов, совместное влияние на радиоэлементы этих факторов может оказаться очень сильным. Так, для рассматриваемых ПУ РЭА диапазон изменения температуры окружающей среды невелик и колеблется в пределах +5 - +40 С. Но внутренний эксплуатационный температурный фактор имеет значительную величину, главным образом за счет использования в современных ПУ интегральных микросхем (процессоры, чипы), для которых значения рассеиваемых мощностей могут быть весьма значительными. Известно, что в приборах, собранных на базе ПУ, только 5-10% подводимой энергии преобразуется в энергию полезных сигналов. Вся остальная энергия трансформируется в другие виды, главным образом в тепловую. Таким образом, высокие значения температур радиоэлементов, входящих в состав ПУ, обусловлены, в первую очередь, перегревами элементов над окружающей средой. Это приводит к тому, что при минимальном значении температуры окружающей ПУ среды, температуры большинства элементов будут иметь высокие значения, либо за счет собственного нагрева, либо от окружающих их теплонагруженных элементов (наведенный перегрев).
Воздействующие на радиоэлементы эксплуатационные факторы порождают физико-химические процессы в материалах элементов, которые приводят к изменению свойств этих материалов. В результате этого изменяются параметры элементов, что приводит к выходу из поля допуска выходной электрической характеристики ЭРЭ, а когда какой-либо параметр элемента выходит за поле допуска на него, возникает отказ элемента.
Из всех эксплуатационных воздействий температура оказывает наиболее значительное влияние на стабильность параметров РЭА и её отказы, (изменяются линейные размеры деталей, модуль упругости, диэлектрическая проницаемость, удельное сопротивление, параметры полупроводниковых элементов и т.д.). В таблице 1 представлены характерные температурные зависимости электрических параметров элементной базы РЭА.
В бортовой РЭА, которая подвержена жестким тепловым (диапазон температур от 60 до 85 С) и вибрационным воздействиям (диапазон вибрации от 1-2500 Гц и амплитуда виброускорений до 25 g), значительные тепловые нагрузки приводят к изменению физико-механических (дисси-пативных и жесткостных) параметров конструкционных материалов. Эти изменения под воздействием тепловых нагрузок приводят, в свою очередь, к изменению механических характеристик конструктивных узлов РЭА.
Из этого следует, что при разработке конструктивных узлов бортовых РЭА с точки зрения механических воздействий, необходимо учитывать тепловые режимы работы конструкции, причем уже на ранних этапах проектирования.
Прежде чем говорить о создании метода повышения надежности проектируемых ПУ при тепловых воздействиях и о разработке на основе этого метода программной системы, реализующей данный метод практически, необходимо провести обзор существующих программных средств в области анализа тепловых режимов РЭА, дабы убедится в актуальности и практической необходимости разрабатываемого метода.
Работу по созданию САПР в радиоэлектронике и приборостроении ведут многие зарубежные и отечественные фирмы.
Наиболее известными зарубежными специализированными комплексами программ автоматизированного проектирования электронной аппаратуры являются: пакеты Blue Ridge Numeric, ESATAN, FLOTHERM 2.0, TMG Thermal Analysis и Electronic System Cooling (ESC), SINDA (Systems Improved Numerical Differencing Analyzer), SOL VIA, Thermal Analysis Kit HI (ТАК III), TAS (Thermal Analysis System), WinTherm, TRASYS (Thermal Radiation Analyzer System), BETAsoft-System.
Функциональная схема метода повышения надежности ПУ РЭА при тепловых воздействиях
Как уже говорилось выше, ранее не раз предпринимались попытки разработки метода обеспечения надежности при проектировании конструкций РЭА, в том числе и печатных узлов, однако по разным причинам эти идеи не были до конца претворены в жизнь в силу того, что не удовлетворяли ряду требований. Поэтому следует сразу обозначить эти требования. Итак, метод обеспечения надежности проектируемых ПУ при тепловых воздействиях должен: учитывать все особенности конструктивного исполнения ПУ, в том числе наличие специализированных элементов ПУ: вырезы, теплоотводы и т.п.; иметь в своем составе эффективный метод получения тепловых характеристик ПУ, удовлетворяющий требованиям, описанным в пункте 2.2.1; использовать дифференцированный подход при выборе метода оптимизации/идентификации; позволять определять пути наиболее рационального изменения параметров ПУ для обеспечения заданных требований к тепловому режиму (на основании анализа параметрической чувствительности); быть легко формализуемым, т.е. пригодным для автоматизации расчетов на ЭВМ; обладать хорошими интеграционными свойствами для включения в автоматизированную систему обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА); соответствовать требованиям СALS-идеологии.
На рис. 2.1. представлена функциональная модель метода. На ней в виде прямоугольных блоков представлены основные функциональные шаги метода. Стрелки, соединяющие блоки, отображают основные потоки данных. Каждый поток обозначен цифрой, расшифровка его приведена ниже. Кроме данных, поступающих в блок из других блоков, часть данных поступает из информационной подсистемы (базы данных, техническое задание (ТЗ)).
Функциональная часть данного метода условно может быть разбита на 7 этапов: 1 этап. Задание геометрических и теплофизических параметров ПУ. На этом этапе, во первых, необходимо определится с первоначальной схемой размещения ПУ. В расчетную часть метода она может поступать из различных источников: техническое задание (стрелка 1 на схеме); предыдущие этапы проектирования ПУ.
Так, например, в программном комплексе АСОНИКА, схема размещения может быть получена как средствами самой системы (в ручном или полуавтоматическом режиме), либо импортирована из других CAD-систем (Р-CAD, AutoCAD).
Во-вторых, на данном этапе должны быть заданы теплофизические параметры ПУ (несущей конструкции и радиоэлементов). Они также могут быть получены из ТЗ (стрелка 1) и предыдущих этапов проектирования ПУ. Кроме этого, большинство развитых систем обладает внутренней базой данных, в которой заданы в том числе и теплофизические свойства материала несущей конструкции ПУ, а также параметры ЭРЭ (стрелки 2 и 3 на схеме).
К теплофизическим параметрам НК ПУ относятся: коэффициент теплопроводности материала НК ПУ, Вт/м/К; относительный коэффициент черноты поверхности КУ, отн.ед; плотность материала НК ПУ, кг/м , (задается только для нестационарного теплового режима (НТР)); удельная теплоемкость материала НК, Дж/кг/К, (задается только для НТР); коэффициент заполнения НК проводниками, отн.ед; коэффициент теплопроводности материала проводников, Вт/м-К; плотность материала проводников, кг/м3, (только для НТР); удельная теплоемкость материала проводников, Дж/кг/К (только для НТР).
К теплофизическим параметрам ЭРЭ могут быть отнесены следующие параметры: мощность тепловыделения в ЭРЭ, мВт; тепловое сопротивление крепления ЭРЭ к ПУ, К/Вт; внутреннее тепловое сопротивление ЭРЭ, К/Вт (может быть не задано); максимально допустимая по ТУ температура активной зоны ЭРЭ, С (если тепловое внутреннее сопротивление равно нулю, то задается максимально допустимая температура корпуса ЭРЭ); относительный коэффициент черноты поверхности ЭРЭ, отн. ед.; теплоемкость ЭРЭ, Дж/К (только для НТР).
При решении краевой задачи, коей является и задача расчета тепловых характеристик ПУ, необходимым этапом является задание граничных условий (условий охлаждения (УОХ)). Условия охлаждения формируются как комбинация трех основных видов теплопередачи: конвекции, кондукция, излучение.
Порядок автоматизированного проектирования РЭА с печатными узлами
Перед рассмотрением методики проектирования печатных узлов (ПУ), покажем ее место в общем цикле разработки РЭА. Процесс разработки РЭА в целом строится, как правило, на основе типовых проектных процедур.
Количество процедур и их последовательность определяются как спецификой РЭА, так и методологией проектирования, которая основывается в настоящее время на системных принципах проектирования РЭА с применением САПР.
Исходя из вышеизложенного, рассмотрим маршрут автоматизированного проектирования (АП) РЭА нестационарного исполнения для самых ранних стадий их разработки. Предполагается, что РЭА выполняется в виде блока, который, в свою очередь, имеет в своём составе ряд конструктивных узлов. На приведенном маршруте (рис. ) показаны проектные процедуры, связи между которыми отображаются в виде различных информационных потоков. Нумерация автоматизированных проектных процедур на схеме маршрута отражает генеральную последовательность их выполнения. Рассматриваемый маршрут ориентирован на исследование в РЭА различных физических процессов -электрических, тепловых, электромагнитных, механических, деградационных и т. п. На рис. условно изображены информационные потоки (Дтзі - Дтз7), которые отражают как требования ТЗ к определенным характеристикам и показателям РЭА (например, электрическим, надежностным, массо-габаритным и т. д.), так и уровень дестабилизирующих факторов (например, температурные и механические воздействия и т. д.).
Блок 1. На начальном этапе маршрута проектирования выполняется процедура предварительного моделирования электрических процессов, протекающих в схеме РЭА. Результаты моделирования (вектор электрических характеристик (ЭХ)) сравниваются с требованиями технического задания (ТЗ) к ЭХ, которые содержатся в информационном потоке Дтзі. Неопределенность некоторых данных на рассматриваемом этапе (отсутствие информации о локальных температурах ЭРЭ, о значениях паразитных параметров печатного монтажа и т. п.), снимается их заданием в первом приближении на основе личного опыта инженера-проектировщика. Позднее, когда эта информация будет получена по результатам соответствующего моделирования, осуществляется итеративная обратная связь (повторение расчётов с новыми данными, например, температурами
Блок 2. Исходя из результатов моделирования ЭХ разрабатываемого РЭС, требований к параметрам конструкции (если задаются в ТЗ), а также уровня тепловых и механических воздействий, включая мощности Рэ тепловыделений на электрорадиоэлементах (ЭРЭ), осуществляется предварительная автоматизированная разработка конструкции проектируемого устройства. В процессе разработки конструкции решаются, например, следующие задачи: компоновка электрической схемы в типовые конструктивные узлы (разрезание схемы на части); размещение конструктивных узлов, например в блоке, с учетом тепловых, электромагнитных и механических характеристик; определение параметров корпуса блока, исходя из действующих на него дестабилизирующих факторов, а также требований к массогабаритным и удельным характеристикам (обычно задаются в ТЗ или ЧТЗ (информационный поток Дтз2) и т. п.
Блок 3. Для разработанного первоначального варианта конструкции РЭС моделируется ее тепловой режим (ТР) при помощи соответствующих программных средств. Для анализа теплового режима используется макромодель всей конструкции, т. е. осуществляется контроль теплового режима конструкции самого верхнего уровня иерархии (стойки, блока или микроблока). В потоке исходной информации для моделирования ТР могут быть использованы данные ТЗ (информационный поток ДтзЗ), в качестве которых могут выступать: воздействующие температуры окружающей среды и их временные диаграммы; допустимые перегревы или интегральные температуры отдельных конструктивных узлов или ЭРЭ; вид охлаждения и его параметры и т.п.
Использование способа повышения надежности па этапе конструкторской подготовки производства
После того, как было определено место подсистемы обеспечения надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях в структуре интегрированной САПР РЭА, перейдем к разработке ее внутренней структуры.
Как было установлено в п.п. 2.1, подсистема, реализующая метод повышения надежности, должна состоять из двух основных программных частей, для простоты назовем их модулями: модуль формирования МТП ПУ и расчета тепловых характеристик; модуль, реализующий оптимизацию и идентификацию ТТФП ПУ.
Говоря о структуре модуля расчета тепловых характеристик, следует сказать, что в его основу положен метод топологических моделей, подробно описанный в п.п. 2.2.2, а также рассмотренная в п.п. 2.2.3 МТП ПУ. Первая реализация данного модуля относится к концу 80-х годов под операционную систему DOS. С тех пор вычислительная техника шагнула далеко вперед в своем развитии: в частности появились 32-х разрядные процессоры и операционные системы, и, как следствие - 32-х разрядное прикладное программное обеспечение, функционирующее по другим законам, (достаточно хотя бы рассмотреть многопоточность и механизмы распределения памяти).
Изменились и подходы к разработке программного обеспечения. Если раньше при разработке программных систем использовался исключительно процедурный подход, а программы представляла собой ни что иное, как упорядоченный набор инструкций центральному процессору на выполнение определенного алгоритма, а процесс ее разработки сводился просто к написанию или графическому построению алгоритма и выделению основных процедур, то в настоящее время 32-х разрядные приложения представляют
собой совокупность объектов, реагирующих на события. При этом на смену процедурного подхода пришел объектно-ориентированный подход, основанный на 3-х основных принципах: инкапсуляции (сокрытии части свойств объектов внутри объекта), наследовании (создании новых классов объектов как расширений имеющихся), полиморфизме (различной реализации одних и тех же методов для разнородных объектов).
В этой связи при разработке полноценных 32-х разрядных приложений уже недостаточно только знание расчетного алгоритма. Важно представлять структуру подсистемы, как структурную (отдельные логически законченные блоки), так и детальную (классы и их взаимосвязи). Кроме этого важную роль для функционирования системы имеет правильно разработанная модель информационной среды.
В этой связи, можно выделить четыре основных задачи, которые предстоит решить в рамках данной главы диссертации; 1. разработка структурной схемы модулей расчета тепловых характеристик и модуля оптимизации/идентификации ГТФП ПУ; 2. разработка структуры (диаграммы) классов для указанных модулей; 3. разработка информационной модели подсистемы; 4. программная реализация вышеуказанных модулей. На рис. 3.3 представлена структурная схема модуля расчета тепловых характеристик, состоящая из отдельных логически независимых блоков, взаимодействующих между собой.
Управляемая программа подсистемы (УПП) представляет собой следующее. УПП настраивает подсистему на выполнение определенного вида анализа тепловых характеристик РЭС и реализует его при помощи программных модулей функциональных блоков №№1,2,10. При генерации индикатора ошибок в первом блоке, УПП прекращает работу подсистемы БЛ0К1. Организация ввода исходной информации. Осуществляет ввод управляющей и описательной информации и приведение ее к стандартному виду, принятом в подсистеме. синтаксический контроль входной информации семантический контроль входной информации присваивает по умолчанию значение параметрам конструкции и ЭРЭ определяет вид анализа тепловых характеристик РЭА выбор и присвоение каждому типу РЭА условного номера его подпрограммы - модуля описания исходной информации вывод на печать интерпретированной входной информации (задание на анализ) осуществлять печать диагностических сообщений об ошибках в описательной информации и настраивает соответствующим образом ошибки для принятия решения в УПП. БЛОК 2. Организация анализа ТР РЭА.
Программные модули блока в соответствии с управляющей информацией и путем обращения к функциональным блокам нижних уровней организуют следующие виды анализа ТР РЭА: анализ ТР РЭА в стационарном режиме (режим функционирования подсистемы - автономный) анализ ТР РЭА в стационарном режиме (режим функционирования комплексный - в составе системы АСОНИКА). Данный режим предусматривается для последующего включения подсистемы в состав системы АСОНИКА.
В процессе выполнения подсистемой перечисленных видов анализа ТР РЭА осуществляется непосредственный расчет ТР соответствующих конструкций РЭА и расчет функций параметрической чувствительности их тепловых характеристик.
