Введение к работе
Актуальность. Современная радиоэлектронная аппаратура характеризуется расширением и усложнением функциональных задач при одновременном уменьшении массы и габаритов, повышении надежности. Однако, увеличение степени интеграции, плотности упаковіш, удельных мощностей рассеивания микроэлектронных устройств (МЭУ) ограничивается их тепловыми режимами, которые необходимо учитывать при проектировании. Отсутствие объективных данных о тепловых режимах часто приводит к необоснованно высоким запасам по току, напряжению, мощности и так далее, что влечет за собой увеличение массы и габаритов. Устранение даже незначительных ошибок в схеме, конструкции, общей компоновке, следствием которых могут быть недопустимые локальные перегреви и температурные влияния влекут за собой большие дополнительные затрати на переработку всей конструкции в целом. Поэтому для достижения требуемого уровня функционирования необходимо применять системный подход к процессу теплового проектирования МСБ.
Исследования показывают, что одним из возможных путей решения этой задачи являются разработка и внедрение прогрессивных методов автоматизации теплового проектирования МСБ на основе моделирования и принятия оптимальных проектных решений современными средствами автоматизированного проектирования (САПР).
Тепловое проектирование МСВ занимает особое место в системе в САПР и охватывает обширный комплекс мероприятий исследовательского, конструкторского и технологического плана, а также усовершенствование принципов проектирования с учетом развития методов теплового анализа и исследования процессов теплообмена. Решение этих задач ориентировано на использование средств САЛР как инструмента, с помощью которого принимаются и анализируются проектные решения, описывающие гешюфизические процессы в МСБ.
Важное место в этом процессе занимает разработка автоматизированных средств обеспечения воспроизводимости характеристик МСБ на всех этапах проектирования в виде специализированного программного обеспечения , а также возможности ее функционирования и эксплуатации.
Наметилась тенденция комплексного подхода, предполагающего рассмотрение в единой связи задач моделирования, прогнозирования.
анализа и экспериментального исследования температурных полей и влияний с учетом зависимости их от электрических характеристик, теплофизических особенностей конструкции, технологических характеристик и внешних условий. Такой подход в итоге предполагает принятие оптимальных технических решений по критерию теплоэлект-рической совместимости элементов, компонентов и функциональных параметров ЫСВ.
Актуальность темы диссертационной работы заключается в необходимости разработки алгоритмов и методов тешюфизического проектирования с целью обеспечения и оптимизации тепловых режимов разрабатываемых микросборок и реализации на их основе предлагаемых алгоритмов программных средств процесса тешюфизического проектирования МСВ.
Работа выполнена в соответствии с комплексной программой ГКНТ и АН СССР 0.80.02 (задание 35.01.08), межвузовской целевой программой САПР Минвуза РСФСР КНП - 2000 "Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения", основным научным направлением ВГТУ "Исследование и разработка САПР, роботов и ГАП".
Целью работы является разработка моделей, методов и алгоритмов оптимизации тепловых характеристик конструкций микросборок и создание на их основе программных средств автоматизированного теплофизического проектирования МСБ б составе САПР МЭУ.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
создание структуры средств оптимизации тепловых режимов на этапе конструкторско - топологического проектирования, основанной на анализе температурных характеристик, эксплуатационных воздействий и этапов проектирования и производства современных микросборок;
анализ и разработка математических моделей для расчета параметров систем охлаждения и оптимального размещения элементов и компонентов на подложке, отличающихся высокой точностью и позволяющих реализовать итерактивный режим работы;
разработка алгоритмов автоматизированного выбора оптимальной системы охлаждения и процедур размещения элементов и компонентов микросборки по тепловым критериям;
создание программного и информационного обеспечения автоматизированного комплекса оптимального теллофизического проектирования МСБ.
Методы, исследования основывается на теории теплопроводности, математической физики, вычислительной математики, математического программирования и оптимизации, объектно-ориентированного программирования .
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен набор выполняемых функций, состав и взаимосвязь проектных процедур обеспечения тепловых режимов путем оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования МСВ.
-
Разработаны модели, методы и алгоритмы выбора способа охлаждения, позволяющие обеспечить нормальный тепловой режим и отличающиеся учетом характера процессов теплообмена в данных устройствах, удельной тепловой нагрузки, особенностей их конструкции, а также направленностью на решение задач конструктивно -теплового синтеза по определению оптимальных параметров системы охлаждения (вид движения и расход теплоносителя, радиаторы, теп-лоотводящие шины, размеры и материалы теплоотводящих элементов).
-
Созданы модели и алгоритмы оптимизации температурных полей микроплаты путем размещения топологических элементов на подложке с учетом температурных ограничений, отличающиеся малыми временными затратами и использованием для определения теплового взаимовлияния коэффициентов чувствительности температурного поля тепловых источников на подложке к изменению расстояния между ними.
-
Предложены структура и алгоритм функционирования автоматизированного комплекса обеспечения тепловых режимов микросборок, отличающиеся ориентацией на выбор способов охлаждения на ранних этапах и конструктивно - тепловой синтез, обеспечивающие заданный или оптимальный тепловой режим s процессе конструирования МСБ.
Практическая ценность работы заключается в следующем: применение разработанных математических моделей и алгоритмов выбора способа охлаждения и параметрического синтеза теплоотводящих устройств оптимизации тепловых режимов позволяет сократить время проектирования разрабатываемых микросборок, удовлетворяющих современным требованиям;
применение предложенных в работе методов и алгоритмов обес- ^ печения нормального теплового режима позволяет улучшить эксплуатационные и повысить надежностные характеристики разрабатываемых микросборок за счет исключения локальных перегревов элементов и компонентов и снижения общего температурного поля изделий;
созданы программные средства, позволяющие осуществить выбор и расчет системы охлаждения, оптимизации температурного поля на подложке по тепловым критериям е подсистеме теплофизического проектирования САПР МЗУ.
Разработанные программные средства внедрены в промышленности, что позволило сократить время разработки и улучшить надежностные характеристики проектируемых изделий. Суммарный экономический эффект составил 332,460 тыс. руб. (в ценах 1990-1992 гг)
Также данные программные средства применяются в учебном процессе на радиотехническом факультете ВГТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: Всесоюзном совещании-семинаре " Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на Сазе высокопроизводительных миші- и микроэвм" (Воронеж, 1989); девятом Всесоюзном симпозиуме "Э|)фективность, качество и надежность систем "Человек - техника" (Воронеж, 1990) ; Российской научно-технической конференции " Методы оценки и повышения надежности РЭС" (Пенза, 1991); Всесоюзной школе-семинаре " Разработка и эксплуатация САПР в радиоэлектронике" (Челябинск, 1991); Всесоюзном совещании-семинаре "Интерактивное проектирование технических устройств и автоматизированных систем на персональных ЭВМ" (Воронеж, 1991), Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и обгем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текста и содержит 18 рисунков, список литературы, включающий 72 наименования и 7 приложений.
