Моделирование тепловых режимов при проектировании радиоэлектронной аппаратуры

Горячев Н.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Последние два десятилетия электронная промышленность шла по пути всё большей миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). За счёт применения новых электрорадиоэлементов (ЭРЭ), новых схемотехнических и конструкторских решений удалось существенно улучшить массогабаритные показатели многих электронных изделий (ЭИ). Для примера: Встроенный источник питания современного

настольного персонального компьютера (ПК), может отдавать в нагрузку мощность до 1 кВт, при этом его габариты ограниченны достаточно жёстким стандартом (форм-фактором) и не могут быть увеличены. Безусловно, для надёжной работы подобных устройств необходимо безошибочно определить и учесть тепловые режимы работы как ЭРЭ, так и узла в целом.

Надежность, помехоустойчивость, работоспособность, быстродействие, статические и динамические параметры РЭА и ЭИ входящих в её состав, таких как - интегральные микросхемы (ИС), электронные модули, вычислительные комплексы и системы - в значительной степени зависят от температуры РЭА. Причем уровень температуры в ряде случаев является решающим фактором, ограничивающим эксплуатационные характеристики ЭИ. Поэтому важнейшей задачей, стоящей перед конструкторами, является обеспечение требуемого теплового режима всех элементов, узлов и устройств РЭА.

Для обеспечения теплового режима элементов, узлов и устройств РЭА необходимо проводить их тепловое проектирование, которое включает следующие взаимосвязанные этапы [1]:

- 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 РЭА.

Моделирование теплового режима ЭИ (первый этап теплового проектирования) заключается в адекватном определении с приемлемой погрешностью температурных полей всех элементов, узлов и устройств РЭА (кристаллов ИС [2] , многослойных печатных плат с установленными на них ИС и 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 нагревом вызывающим повышение уровня температурного поля ЭИ. 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 РЭА и всего изделия 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 функциональноконструктивных уровней ЭИ характеризуется в общем случае пятью уровнями (рисунок 1).

Рисунок 1

Первый уровень. Отдельные ИС и ЭРЭ, конструктивно выполненные в виде выводных и безвыводных корпусных 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 поверхно-

стью (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 РЭА на каждом уровне. Система охлаждения РЭА 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 РЭА и систем-но-иерахического моделирования сверху вниз, начиная с самого верхнего уровня (рисунок 2).

5

Уровень

ш

4

Уровень

ш

3

Уровень

їх:

2

Уровень

и:

1

Уровень

Рисунок 2

Пятый уровень. Моделируется температурно-влажностный режим помещения, в котором будет устанавливаться и эксплуатироваться проектируемая РЭА. Формулируются требования, и проектируется (выбирается) система охлаждения РЭА в помещении. Исходными данными на этом уровне являются мощности, выделяемые всеми стойками, входящими в состав РЭА, их размещение в помещении, размеры помещения и другие требования, предъявляемые к эксплуатации РЭА 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 0jc (от р-п-перехода к корпусу ИС) и 0ca (от корпуса ИС в среду) [3] . Значения тепловых сопротивлений 0jc и 0ca могут быть определены либо путем измерений, либо математическим моделированием. В последнем случае для моделирования тепловых сопротивлений 0jc и 0ca 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 РЭА, поскольку именно температура кристаллов ИС определяет надежность, работоспособность, помехоустойчивость, быстродействие и другие эксплуатационные статические и динамические характеристики как отдельной ИС, так и всей РЭА в целом [2].

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.

Описанный выше подход может быть реализован как система математического моделирования теплового режима РЭА и ЭРЭ. Помочь в этом могут существующие системы схемотехнического моделирования на основе математических моделей ЭРЭ (PSpise - модели) [4]. Достаточно добавить в описание ЭРЭ тепловые параметры. Несколько сложней обстоят дела с моделированием тепловых режимов конструкции РЭА. Необходимо достоверно описать все материалы входящие в её состав(например алюминиевые сплавы, медь, пластик и т.п.). Прежде всего корректно учесть тепловые и физические параметры материалов. Эта задача должна решаться совместно со специалистами материаловедами. Безусловно, для успешности подобной системы, в современных условиях, она должна легко интегрироваться с существующими системами автоматизированного проектирования (САПР) или CAD (англ. Computer-Aided Design).

Литература

1. Мадера А.Г. Иерархический подход при тепловом проектировании электронных изделий, Журнал "Программные продукты и системы", № 4 2008 год.

2. К.О. Петросянц, Н. И. Рябов, И. А. Харитонов, П. П. Мальцев, Е. П. Маляков Программное обеспечение для моделирования тепловых режимов интегральных схем, Журнал "Автоматизация проектирования", №03, 1997 год.

3. S. Wiinsche, Simulator Coupling for Electro- Thermal Simulation of Integrated Circuits., Proc. of Intern.Workshop on Thermal Investigations of ICs and Microsystems, Budapest, Sept., 1996.

4. OrCAD library. PSpise Reference Manual, Version 9.0, October, 1998. http://www.cadence.com/products/orcad/