close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Информационно-измерительная система исследования теплообмена проводящих слоев печатного узла

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
РЫБАКОВ Илья Михайлович
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРОВОДЯЩИХ
СЛОЕВ ПЕЧАТНОГО УЗЛА
Специальности: 05.11.16 – Информационно-измерительные
и управляющие системы (приборостроение);
05.11.14 – Технология приборостроения
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ПЕНЗА – 2018
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Пензенский государственный
университет».
Научные руководители:
доктор технических наук, профессор
Юрков Николай Кондратьевич;
доктор технических наук,
старший научный сотрудник
Полтавский Александр Васильевич
Официальные оппоненты: Папко Антонина Алексеевна,
доктор технических наук,
АО «Научно-исследовательский институт
физических измерений» г. Пенза; главный
конструктор направления гироскопии,
заместитель начальника конструкторского
бюро АО «НИИФИ»;
Пиганов Михаил Николаевич,
доктор технических наук, профессор;
ФГАОУ ВО «Самарский национальный
исследовательский университет имени
академика С. П. Королева», профессор
кафедры «Конструирование и технология
электронных систем и устройств»
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный
технический университет»
Защита диссертации состоится «___» ________ 2018 г. в ____ часов
на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза,
ул. Красная, 40.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Пензенский государственный университет» и
на сайте https://dissov.pnzgu.ru/ecspertiza/Tehnicheskie_nauki/rybakov
Автореферат разослан «___»______________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Светлов Анатолий Вильевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В современной ракетно-космической технике
(РКТ) не теряет актуальности проблема улучшения массогабаритных характеристик радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а условия ее эксплуатации на сегодняшних РКТ характеризуются значительными механическими перегрузками и воздействиями изменения температуры окружающей среды в широких
пределах. При этом реализация методов защиты РЭА от тепловых воздействий
должна отвечать требованию минимизации масс, обеспечивающему возможность сокращения энергетических потерь на выведение космического аппарата на орбиту.
В условиях необходимости постоянного повышения конкурентоспособности РЭА производство ее неотъемлемой части – печатных плат (ПП) – является динамично развивающейся областью науки и техники. При этом необходимы постоянный контроль, управление температурным режимом РЭА, получение достоверной информации о температурных режимах (температурах перегрева) радиоэлектронных компонентов. Вследствие чего возникает задача
снижения температурной погрешности информационно-измерительной и
управляющей системы (ИИУС) для выявления критически нестабильных элементов РЭА и выработки новых технологических приемов отвода тепла от
РЭА РКТ. В большинстве случаев для охлаждения теплонагруженных компонентов РЭА применяют теплоотводы в виде радиаторов, которые имеют значительные массогабаритные характеристики, поэтому решение проблемы
снижения массогабаритных характеристик путем замены радиатора медным
слоем ПП, занимающим аналогичную, а в отдельных случаях меньшую площадь печатного узла (ПУ), является важной задачей.
Однако существующие ИИУС не позволяют исследовать ПУ в части влияния на его тепловой режим топологии печатных проводников, также существующие методики не позволяют учесть металлизированные слои ПП как
элементы системы охлаждения.
Таким образом, актуальной задачей является совершенствование сложных информационно-измерительных и управляющих систем, выявление критически нестабильных элементов радиоэлектронной аппаратуры, снижение
температурной погрешности и исследование потенциальных возможностей
технологических приемов отвода тепла за счет топологии проводящих слоев
печатной платы.
Проблемами создания современных ИИУС занимались Е. А. Ломтев,
Е. А. Мокров, А. И. Мартяшин, В. А. Грановский, Л. Ф. Куликовский,
В. С. Мелентьев, В. М. Шляндин, Э. И. Цветков и др.
Основными представителями отечественной научной школы анализа и
расчета тепловых режимов РЭА являются Е. Н. Маквецов, А. М. Тартаковский, Г. Н. Дульнев, Л. Л. Роткоп, А. В. Долматов, Р. Л. Желтов, В. М. Кирпи-
3
чев, А. В. Лисицын, Ю. Н. Кофанов, А. Г. Мадера, А. С. Шалумов,
А. В. Сарафанов и др., в работах которых предлагается множество методик и
способов теплового расчета для РЭА.
Целью диссертационной работы является совершенствование информационно-измерительных и управляющих систем, выявление критически нестабильных элементов радиоэлектронной аппаратуры, снижение температурной
погрешности и исследование потенциальных возможностей технологических
приемов отвода тепла за счет топологии проводящих слоев печатной платы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1) провести анализ методов и средств расчета критических режимов работы элементов РЭА для снижения температурной погрешности ИИУС;
2) провести анализ моделей тепловых процессов теплообмена проводящих слоев печатных узлов для выявления критически нестабильных элементов РЭА и снижения температурной погрешности ИИУС;
3) разработать рекомендации для корректировки алгоритма работы ИИУС
выявления критичных к температуре элементов ПУ с учетом теплопроводности проводящих слоев;
4) разработать структурную схему ИИУС выявления критически нестабильных элементов РЭА для снижения температурной погрешности исследуемой системы;
5) внедрить уточненную математическую модель влияния проводящих
слоев на тепловой режим печатных узлов в ИИУС для снижения температурной погрешности;
6) разработать методику использования топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охлаждения, позволяющую увеличить
отвод теплового потока от критичных к температуре элементов РЭА;
7) внедрить результаты исследований в виде методики использования
топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охлаждения для снижения температурной погрешности ИИУС, а также пакет прикладных программ теплового расчета печатных узлов для выявления критических к температуре элементов РЭА.
Методы исследования для решения поставленных задач в работе использованы методы объектно ориентированного проектирования информационно-измерительных и управляющих систем и теории баз данных, методы, основанные на использовании теории теплопроводности, методы математического моделирования, теории измерений и статистической обработки
данных.
Научная новизна работы заключаются в следующем:
1. Разработан алгоритм функционирования ИИУС исследования теплообмена печатных узлов, отличающийся учетом влияния теплопроводности
проводящих слоев печатной платы на основе уточненной математической мо-
4
дели, что позволяет выявлять критические к температуре элементы и сокращать время проектирования топологии печатных узлов на ранних стадиях
жизненного цикла РЭА (специальность 05.11.16 п. 3).
2. Разработана структура ИИУС исследования теплообмена проводящих
слоев печатных узлов, отличающаяся совместным применением как контактных, так и бесконтактных способов измерения тепловых полей печатного узла,
а также базы данных и узла сравнения, что позволяет снизить температурную
погрешность и сократить время анализа результатов (специальность 05.11.16
п. 6).
3. Уточнена математическая модель оценки влияния проводящих слоев на
тепловой режим печатных узлов в зависимости от плотности их расположения
на печатной плате, что позволяет повысить точность прогнозирования тепловых режимов печатных узлов для снижения температурной погрешности
ИИУС (специальность 05.11.14 п. 1).
4. Разработана методика использования топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охлаждения, позволяющая увеличить отвод теплового потока от критических к температуре элементов РЭА (специальность 05.11.14 п. 7).
Практическая значимость исследования. Полученные в диссертации
теоретические и практические результаты позволяют путем внедрения четырехканальной ИИУС исследования теплообмена проводящих слоев снизить
температурную погрешность ИИУС и повысить точность определения параметров тепловых полей печатного узла на 15 % (специальность 05.11.16 п. 3,
п. 6). Использование проводящих слоев печатной платы как элемента системы
охлаждения позволяет увеличить отвод теплового потока до 5 % и обеспечивает снижение массогабаритных характеристик РЭА (специальность 05.11.14
п. 1, п.7). Разработанный пакет прикладных программ позволяет автоматически рассчитать и выбрать тепловой режим работы ПУ, что на ранних стадиях
разработки сокращает время проектирования в 2 раза.
Положения, выносимые на защиту:
1. Рекомендации для корректировки алгоритма работы ИИУС выявления
критических к температуре элементов ПУ с учетом теплопроводности проводящих слоев.
2. Структурная схема ИИУС выявления критически нестабильных
элементов РЭА для снижения температурной погрешности исследуемой системы.
3. Уточненная математическая модель влияния проводящих слоев на
тепловой режим печатных узлов в ИИУС для снижения температурной погрешности.
4. Методика использования топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охлаждения, позволяющая увеличить отвод теплового потока от критических к температуре элементов РЭА.
5
5. Реализация лабораторного стенда ИИУС исследования печатных узлов, а также внедрение алгоритма и методики, учитывающих теплопроводность проводящих слоев для выявления критически нестабильных элементов
РЭА и снижения температурной погрешности исследуемой системы.
Реализация и внедрение результатов работы:
1. Выбранная тема исследований является частью научной работы, которая проводится на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» в рамках научно-исследовательской работы «Информационные технологии анализа конструкций радиоэлектронных средств при воздействии внешних факторов», регистрационный номер № 8.389.2014/K, выполняемой по государственному заданию Минобрнауки России.
2. Результаты работы внедрены в производство АО «НИИФИ» и
АО «НИИЭМП» в виде рекомендаций по оптимизации процессов контроля
качества печатных плат, наладки технологического оборудования и выявления
отклонений в технологических процессах.
3. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» при проведении лекционных
и практических занятий по дисциплине «Защита радиоэлектронных средств
от внешних воздействий».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования обсуждались и докладывались на: Conference Series – 2017
(Journal of Physics), симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2009–
2017 гг.); всероссийской научно-технической конференции «Электропитание2016»; конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ
ВШЭ им. Е. В. Арменского (г. Москва, 2015 г.), а также на научнопрактических конференциях 2015 г. в г. София, (Болгария, 2015 г.) и г. Шеффилд (Великобритания, 2015 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ,
в том числе две статьи – в Scopus, три – в рецензируемых журналах, входящих
в перечень ВАК при Минобрнауки России, получено три свидетельства о регистрации программ ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, заключения, списка литературы, включающего 95 наименований, и четырех приложений. Основная часть изложена
на 110 страницах, содержит 49 рисунков и 7 таблиц.
Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту,
получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве,
соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, разработке программ обеспечения натурного эксперимента,
получении и анализе результатов.
6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цели и основные задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов диссертации. В рамках диссертационной работы под термином ИИУС понимается информационноизмерительная и управляющая система, служащая для исследования теоретических и практических проблем, методов обеспечения контроля, создания и
совершенствования сложных технологических комплексов, их контроля и испытания.
В первой главе проводится анализ способов проведения теплового расчета ПУ с учетом топологии проводящих слоев в существующих ИИУС. Проводится сравнение аналитических и численных методов расчета для расширения функциональных возможностей ИИУС. Проводится анализ современных
средств компьютерного моделирования. Определяются проблемы и задачи исследования.
Печатный узел имеет в своей основе печатную плату, которая состоит из
диэлектрических и проводящих слоев материала. В первом приближении при
тепловом моделировании такая конструкция представляется как однородный
материал с анизотропной теплопроводностью в двух направлениях плоскости
печатной платы. При этом не учитываются как топология проводящего рисунка, так и характер распределения тепловых полей в объеме печатной платы.
Существующие ИИУС исследования тепловых режимов при таком
представлении ПП отличаются недостаточной точностью и достоверностью. С
целью повышения достоверности результатов исследования необходимо учитывать неравномерности распределения проводящих слоев в объеме печатной
платы, а также их топологию.
Рассмотренная автором математическая модель печатной платы внедрена в состав ИИУС в качестве основы для расчета тепловых характеристик при
моделировании ПУ. Она может включать в себя слои питания и заземления,
экранирующие слои, переходные отверстия с тем, чтобы учесть топологию
проводящих слоев.
Схематично уровни иерархии технологии печатных узлов, применяющихся для теплового моделирования, представлены на рисунке 1.
На первом уровне такой иерархии располагаются усредненные тепловые
модели, в которых печатная плата представляется однородной, а проводящий
слой не моделируется. Далее следует слоистая тепловая модель, в которой печатная плата представляется как слои диэлектрика и проводящие слои, площадь покрытия которых задается в процентном отношении от площади диэлектрика. На следующем уровне иерархии располагается тепловая модель с
анализом топологии проводящих слоев, что требует построения ее локальной
геометрической модели. При этом модель позволяет оценивать теплопроводность печатной платы на основе локальных проводящих слоев. Наивысшей
7
сложностью обладает подробная модель ПП, в которой содержится подробный анализ топологии проводящих слоев. В верхнем правом углу рисунка 1
представлена сравнительная диаграмма оценки распределения температуры с
учетом и без учета теплопроводности проводников, которая подтверждает
значимость реализуемых методов и анализ которой позволяет сделать вывод о
необходимости учета топологии проводящих слоев печатной платы в виде
естественного теплоотвода.
Рисунок 1 – Иерархия тепловых моделей печатных узлов: усредненная
тепловая модель, слоистая тепловая модель, тепловая модель
с импортом трассировки, подробная тепловая модель
Перечисленные модели положены в основу ряда ИИУС и программных
продуктов, которые позволяют проводить расчеты и тепловой анализ ПУ. Для
моделирования конструкций с высокой степенью интеграции выбран метод
конечных элементов, являющийся известным инструментом для исследования
поведения конструкций при различных внешних и внутренних воздействиях и
реализованный в наборе программ имитационного моделирования, таких как
АСОНИКА, ANSYS, SolidWorks, T-FLEX, Pro/MECHANICA Thermal
Simulation и др. Основными недостатками перечисленных программ являются
сложность освоения и большая избыточность используемых методов и алгоритмов. В проанализированных ИИУС осуществляется подбор радиаторов
8
различных типов, однако в них отсутствует возможность учета теплопроводности печатной платы и тем более учета топологии проводящих слоев, что дает погрешность определения тепловых полей.
Из анализа существующих ИИУС и систем моделирования тепловых
полей следует, что актуальным является использование топологии ПП как
элемента системы охлаждения для снижения температурной погрешности
ИИУС, выявления критически нестабильных элементов РЭА и выработки новых технологических приемов отвода тепла от РЭА космической техники.
Во второй главе представлены разработка рекомендаций для корректировки алгоритма работы ИИУС выявления критических к температуре элементов ПУ с учетом теплопроводности проводящих слоев и структурная схема ИИУС выявления критически нестабильных элементов РЭА для снижения
температурной погрешности исследуемой системы.
На рисунке 2 приведена схема системы поддержки принятия решений
о возможном снижении температурной погрешности. Схема показывает принцип взаимодействия блока расчета и анализа температурной погрешности
с предложенным в работе расчетом и анализом тепловых полей печатных узлов с учетом топологии проводящих слоев.
Рисунок 2 – Структурная схема системы поддержки принятия решений о возможном снижении температурной погрешности
На рисунке 2 представлен порядок действий при разработке печатной
платы, в которой организован цикл взаимодействия блока расчета и анализа
9
температурной погрешности с предложенным в работе расчетом и анализом
тепловых полей для обеспечения нормального теплового режима ПУ. В результате получаем снижение температурной погрешности за счет изменения
диапазона температур работы элементов путем максимального снижения температуры и корректировки топологии проводящих слоев в условиях заданной
конструкции. Следующим этапом является разработка рекомендаций для корректировки алгоритма работы ИИУС выявления критических к температуре
элементов ПУ.
Разработанный алгоритм отличается учетом теплообмена на проводящих
слоях ПП (введены новые блоки, выделенные на рисунке 3). В результате расчета теплового режима ПУ учитывается плотность заполнения проводящих
слоев ПУ. На рисунке 3 представлена блок-схема алгоритма поэтапного теплового анализа печатных узлов с учетом топологии проводящих слоев для
обеспечения работы ИИУС исследования теплообмена проводящих слоев ПУ.
Также представленный алгоритм является основой для разработки программного обеспечения и функционирования программной и аппаратной части
ИИУС.
Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма поэтапного теплового анализа
печатных узлов с учетом топологии проводящих слоев для обеспечения работы
ИИУС исследования теплообмена проводящих слоев печатных узлов
10
Представленный алгоритм создан на языке высокого уровня программирования С#, реализованный в программах:
– расчета теплового режима радиоэлектронной аппаратуры;
– расчета температуры в узлах тепловой схемы;
– базы данных радиоэлектронных элементов;
На программы получены свидетельства о государственной регистрации
электронного ресурса. Программа теплового расчета отличается достаточным
функционалом при определении теплового режима ПУ и простотой использования. В результате внедрения ее в программную часть ИИУС исследования
теплообмена проводящих слоев печатных узлов сократилось время проектирования ПУ практически в 2 раза.
В результате разработаны рекомендации за счет корректировки алгоритма работы ИИУС выявления критических к температуре элементов ПУ
с учетом теплопроводности проводящих слоев на основе уточненной математической модели, что позволяет прогнозировать тепловые поля и сокращать
время проектирования топологии печатных узлов на ранних стадиях жизненного цикла изделия.
Следующим этапом является реализация структурной схемы ИИУС выявления критичных к температуре элементов РЭА для снижения температурной погрешности исследуемой системы. На рисунке 4 приведена структурная
схема ИИУС исследования теплообмена проводящих слоев ПУ.
Показано что, аппаратная часть схемы исследования теплообмена теплового поля ПУ представляет собой ИИУС, имеющую четыре независимых
измерительных канала. Для определения температур с затененных участков
ПУ в составе подсистемы имеется два измерительных канала, реализующих
контактный способ измерения температур (термодатчики 1, 2). Бесконтактный
способ реализован с применением инфракрасных цифровых измерителей температуры (ИЦИТ 1, 2) типа MLX90614. Для оценки температурных полей
применяется внешний тепловизор. Сигналы с выходов термодатчиков усиливаются и совместно с сигналами от ИЦИТ после суммирования передаются в
вычислительное устройство. С выходов преобразованные сигналы в виде распределения температурных полей, а также распределения температурных полей, полученные с помощью тепловизора, поступают в программный блок обработки данных, функции которого заключаются в анализе температурных
полей, полученных с помощью термодатчиков, ИЦИТ и тепловизора, для
представления и визуализации теплового поля на всей поверхности ПУ и
дальнейшего принятия решения в полученном тепловом режиме с помощью
встроенной в него базы данных, где для каждого элемента ПУ задаются температуры нормальной работы элемента.
Полученная возможность снижения температуры актуальна для герметично закрытого блока и для измерительных систем, где изменение температуры на единицы градусов ведет к увеличению температурной погрешности.
Предложенная структура информационно-измерительной и управляющей си-
11
стемы исследования теплообмена проводящих слоев печатных узлов, отличающаяся совместным применением как контактных, так и бесконтактных способов измерения тепловых полей печатного узла, включения базы данных и
узла сравнения, позволяет снизить погрешность определения параметров теплового поля и сократить время их анализа.
Рисунок 4 – Структурная схема ИИУС исследования теплообмена проводящих
слоев ПУ: ПБОД – программный блок обработки данных; ИЦИТ – инфракрасный
цифровой измеритель температуры; АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
ИОН – источник опорного напряжения; АЛУ – арифметико-логическое устройство;
ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина
Использование ИИУС исследования теплообмена теплового поля ПУ
позволяет разработать основные способы повышения эффективности охлаждения за счет изменения топологии печатных узлов. При этом в системе реализована вариативность, что дает повышение эффективности отвода тепла от
теплонагруженных элементов с условием применения следующих технологических решений:
– увеличение толщины печатного слоя;
– увеличение площади металлизации на двух сторонах печатной платы;
– увеличение количества переходных металлизированных отверстий.
Применение каждого из них по отдельности или комбинации технологических решений позволяет более эффективно отводить тепло и тем самым повышать точность ИИУС за счет снижения температурной погрешности.
12
Для обеспечения правильности выбора исследуемого образца печатной
платы на стадии проектирования в схему исследования теплового режима печатных узлов, реализуемую далее, включен блок математического моделирования. Функциональная задача блока – обеспечить наиболее подходящий вариант печатных узлов для передачи его в основной блок схемы исследования и
реализации ИИУС. В блоке происходит построение математической модели
с установленными параметрами изменения толщины печатных слоев, площади
металлизации и увеличения количества переходных металлизированных отверстий. На основе полученных результатов работы блока делается выбор
наиболее подходящей конструкции печатных узлов и тепловых режимов работы. Информация, полученная в ходе исследований, выводится на монитор
оператора в виде моделей тепловых полей исследуемых печатных узлов. Благодаря проведенному математическому моделированию предлагаемых для исследования конструкций на данной стадии обеспечивается унификация в производстве макетов печатных узлов, и, как следствие, на стадии проектирования идет отбор конструкций печатных узлов с наиболее подходящими параметрами обеспечения нормального теплового режима конструкций.
В третьей главе представлены результаты исследований уточненной
математической модели влияния проводящих слоев на тепловой режим ПУ
в ИИУС для снижения температурной погрешности. В качестве основы в работе рассматривается известная математическая модель проводящих слоев одномерного температурного поля для определения температур в различных
точках пластины. Перенос теплоты в данном случае осуществляется за счет
теплопроводности проводящего материала при воздействии внутренних источников теплоты, когда температура системы изменяется от точки к точке.
Указанный процесс распределения теплоты схож с процессом нагрева печатного проводника (дорожки). Исследование процесса распределения теплоты и
нагрева печатного проводника является важной задачей в РЭА, так как повреждение печатного проводника в процессе работы электронного прибора из-за
перегрева напрямую влияет на работоспособность и надежность электронной
аппаратуры.
Математическая модель проводящих слоев описывает перенос теплоты за
счет теплопроводности при воздействии внутренних источников теплоты, когда температура системы изменяется от точки к точке. Таким образом, имеем
зависимость температуры от коэффициента теплопроводности [α Вт/м2], рассеиваемой тепловой мощности [q Вт/м2] и толщины материала [δ].
С целью оценки степени влияния топологии проводящих слоев на тепловой режим ПУ в работе было осуществлено имитационное моделирование
в пакете ANSYS, а также проведены экспериментальные исследования тепловых полей теплонагруженных элементов РЭА с помощью тепловизора.
Но применение тепловизора во многих случаях ограничивается получением поверхностных распределений температур открытых участков ПУ. При
этом он не позволяет увидеть затененные участки печатных узлов (например,
13
для этажерочной конструкции). Для решения задачи определения теплового
поля затененных участков ПУ была создана четырехканальная подсистема диагностики теплового поля, в которой два контактных термозонда выполнены
на основе термопары и два зонда выполнены в виде инфракрасных цифровых
измерителей температуры, что позволяет определить общее тепловое поле ПУ.
Данная подсистема включена как основной блок системы исследования теплового поля, который реализует ИИУС. Результаты моделирования и эксперимента представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 – Пример распределения теплового поля:
а – без учета топологии проводящих слоев; б – с учетом проводящих слоев;
в – эксперимент с помощью тепловизора
В результате использования четырехканальной подсистемы диагностики
теплового поля и экспериментальных данных были получены значения температур в зависимости от мощности тепловыделений с учетом топологии печатных проводников, а в результате имитационного моделирования температуры –
для случаев без учета печатных проводников (рисунок 6).
В результате анализа рисунков 6 и 7 было выявлено, что значение температур для элементов печатных узлов можно снизить в пределах
5 °С. Полученные данные были использованы для создания регрессионных
моделей тепловых полей без учета топологии проводящих слоев и с ее учетом.
Результаты анализа рисунка 7 показали, что при мощности тепловыделения на
ПП 4 Вт значение температурной составляющей при учете печатных проводников может варьироваться в пределах ±1,06 °С, без учета печатных проводников температура практически не меняется и составляет ±0,23 °С. При увеличении мощности тепловыделения до 18 Вт значение температуры может варьировать в пределах ±4,74 °С, без учета печатных проводников температура
14
варьирует в пределах ±0,68 °С, следовательно, доказываем необходимость
учета топологии проводящих слоев печатной платы.
Рисунок 6 – Графики значений температур в зависимости от мощности
тепловыделений с учетом топологии печатных проводников
Рисунок 7 – Диаграмма зависимости мощности
тепловыделений от температуры
15
Сделан вывод, что необходимо учитывать теплопроводность проводящих слоев в математической модели. Для этого был предложен поправочный
коэффициент температурной составляющей T(β), которая является константой
при проведении тепловых расчетов. Для преобразования полученных данных
был применен метод наименьших квадратов, позволяющий по расчетным данным подобрать аналитическую функцию. Для описания данных рисунка 7
подходит линейная зависимость. В результате были получены функциональные зависимости, характеризующие зависимость температуры от выделяемой
мощности с учетом увеличения толщины печатного слоя T(β)1, увеличения
площади металлизации на двух сторонах печатной платы T(β)2, увеличения
количества переходных металлизированных отверстий соответственно T(β)3,
где β – мощность тепловыделений на печатных проводниках [Вт].
Зависимость температуры от мощности тепловыделений с учетом увеличение толщины печатного слоя имеет вид
T (β)1  3,9  105 β3  9,4  104 β2  0,027β  0,12 .
(1)
Зависимость температуры от мощности тепловыделений с учетом увеличение площади металлизации на двух сторонах печатной платы имеет вид
T (β)2  5,4  106 3  2,8 104 2  0,07  0,21 .
(2)
Зависимость температуры от мощности тепловыделений с учетом увеличения количества переходных металлизированных отверстий имеет вид
T (β)3  8,3 104 β3  2,9  103 β2  0,287β  0,017 .
(3)
Полученные зависимости T(β)1, T(β)2, T(β)3 учитывают температуру, зависящую от топологии печатного слоя в модели проводящих слоев одномерного температурного поля в виде поправочного коэффициента T(β):
  2 
W x2 q
1 
T     x W  
  q     T    Tc ,
 2 
 
  2 
(4)
где T – температура, °С; W – удельная мощность внутренних источников тепловыделения [Вт/м3]; Λ – коэффициент теплопроводности материала пластины
[Вт/м·°С]; x – расстояние от края пластины, м; q – плотность теплового потока
[Вт/м2]; интенсивность проникновения потока тепла через эту границу оценивается коэффициентом теплоотдачи α [Вт/м2·°С].
Анализ результатов показал, что в случае использования уточненной математической модели температурная погрешность ИИУС снижается в среднем
на 15 %.
16
В четвертой главе показаны результаты разработки методики использования топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы
охлаждения, позволяющей увеличить отвод теплового потока от критических
к температуре элементов РЭА. Основным пунктом разработанной методики
(рисунок 8) является изменение параметров топологии печатных узлов
по одному или в сочетании вариантов обеспечения нормального теплового
режима ПУ.
Рисунок 8 – Методика использования топологии проводящих слоев печатной
платы как элементов системы охлаждения, позволяющая увеличить отвод
теплового потока от критических к температуре элементов РЭА
Разработанная методика исследования печатных узлов с учетом топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охлаждения
позволяет увеличить отвод теплового потока до 5 %.
В приложении представлены: внешний вид и исходный код текста программы, реализованный на языке высокого уровня программирования С#, сведения о внедрениях результатов диссертационного исследования, а также результаты вычислительного и натурного экспериментов.
17
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Предложено использование топологии печатного слоя в качестве элемента системы охлаждения, что позволяет исключить критические режимы
работы элементов РЭА и снизить температурную погрешность ИИУС.
2. Выявлено влияние топологии проводящих слоев на тепловой режим
ПУ на основе моделей тепловых процессов печатных узлов, что позволяет решить задачу снижения температурной погрешности ИИУС с учетом топологии проводящих слоев печатной платы. Изменяемыми параметрами являются
толщина печатного слоя, площадь металлизации и увеличение переходных
металлизированных отверстий.
3. Разработана уточненная математическая модель, учитывающая влияние теплопроводности проводящих слоев печатной платы, на основе которой
сформулированы рекомендации для корректировки алгоритма функционирования ИИУС исследования теплообмена печатных узлов, что позволяет выявлять критичные к температуре элементы и сокращать (в 2 раза) время проектирования топологии печатных узлов на ранних стадиях жизненного цикла
РЭА (специальность 05.11.16 п. 3).
4. Разработана структурная схема ИИУС выявления критически нестабильных элементов РЭА, позволяющая снизить температурную погрешность
определения теплового поля на 15 %, отличающаяся улучшенным способом
определения тепловых полей на всех участках печатных узлов за счет использования разработанной четырехканальной системы измерения теплового поля,
включающая в себя совместное применение как контактных, так и бесконтактных способов измерения тепловых полей печатного узла, базы данных и
узла сравнения(специальность 05.11.16 п. 6).
5. Реализована уточненная математическая модель влияния проводящих
слоев на тепловой режим печатных узлов, что позволяет повысить точность
прогнозирования тепловых режимов печатных узлов для снижения температурной погрешности ИИУС, содержащих теплонагруженные элементы и зависящие от коэффициента теплопроводности, рассеиваемой тепловой мощности
и толщины материала (специальность 05.11.14 п. 1).
6. Разработана методика использования топологии проводящих слоев
печатной платы как элементов системы охлаждения, позволяющая увеличить
отвод теплового потока до 5 % от критичных к температуре элементов РЭА
(специальность 05.11.14 п. 7).
7. Внедрены результаты исследований в виде методики использования
топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охлаждения для снижения температурной погрешности ИИУС, а также пакет прикладных программ теплового расчета печатных узлов для выявления критических к температуре элементов РЭА.
18
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных
ВАК Министерства образования и науки РФ
Application of the model of the printed circuit board with regard to the
1.
topology of external conductive layers for calculation of the thermal conditions of
the printed circuit board / I. M. Rybakov, N. V. Goryachev,
I. I. Kochegarov, A. K. Grishko, S. A. Brostilov, N. K. Yurkov // Journal of Physics:
Conference Series. – 2017. – Т. 803, № 1. – С. 012130.
Рыбаков, И. М Нормативно-методологическое обеспечение
2.
калибровки измерительных систем / Н. П. Ординарцева, А. А. Баранов,
И. М. Рыбаков / Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2017. –
№ 3. – С. 20–26.
Generalized structural models of complex distributed objects / M. Yu.
3.
Mikheev, T. V. Zhashkova, A. B. Shcherban, A. K. Grishko,
I. M. Rybakov // Proceedings of 2016 IEEE East-West Design and Test Symposium,
EWDTS 2016. – 2016. – С. 7807742.
Программно-аппаратный комплекс для проведения испытаний из4.
делий электронной техники на воздействие вибрации / Д. А. Голушко,
В. А. Трусов, Н. К. Юрков, С. А. Бростилов, Т. Ю. Бростилова, И. М. Рыбаков //
Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. – 2016. – № 1 (33). –
С. 151–160.
Модели и метод организации концептуального мультипроектного
5.
управления / К. С. Петелин, И. М. Рыбаков, Н. К. Юрков // Прикаспийский
журнал: управление и высокие технологии. – 2014. – № 3 (27). – С. 10–18.
Публикации в других изданиях
Разновидности погрешностей измерительных комплексов радио6.
электронных средств» / А. С. Зорькин, С. В. Ильин, А. Н. Виньчаков,
И. М. Рыбаков // Молодой ученый. – 2014. – № 4. – С. 174–176.
Программа расчета температуры в узлах тепловой схемы /
7.
Н. В. Горячев, С. А. Бростилов, И. М. Рыбаков, В. А. Трусов, Н. К. Юрков,
П. Г. Андреев // Российские инициативные разработки (Инициатива. Предприимчивость. Смекалка). – Saint-Louis, Missouri, USA, 2017. – С. 68–69.
Рыбаков, И. М. Алгоритм исследования теплового режима печат8.
ной платы / И. М. Рыбаков // Труды Международного симпозиума Надежность
и качество. – 2017. – Т. 1. – С. 362–364.
Рыбаков, И. М. Экспериментальное исследование теплового поля
9.
печатных проводников при протекании через них постоянного тока / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков, А. А. Лепешев // Современные информационные технологии. – 2016. – № 24. – С.32–35.
19
10. Рыбаков, И. М Применение модели печатных узлов с учетом топологии внешних проводящих слоев / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков / Электропитание-2016 : сб. докладов Всерос. науч.-техн. конф. – М. : Издательский дом
Академии Н. Е. Жуковского, 2016. – С. 135–141.
11. Рыбаков, И. М. Классификация систем охлаждения на основе конструктивных особенностей охлаждаемого элемента / А. М. Мухамбетов,
Н. В. Горячев // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. –
2016. – № 2. – С. 59–61.
12. Рыбаков, И. М Применение solidworks flosimulation при анализе
печатных узлов / И. М. Рыбаков, Н. В. Горячев, А. А. Прошин / Научнотехническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов
НИУ ВШЭ им. Е. В. Арменского Материалы конференции / Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики». – М., 2015. – С. 61–62.
13. Рыбаков, И. М. Особенности построения и анализа модели печатных узлов в современных системах инженерного анализа / И. М. Рыбаков /
Труды Международного симпозиума Надежность и качество. – 2015. – Т. 1. –
С. 179–181.
14. Rybakov, I. M The method of analysis of the printing unit in view of
the topology of the conductive layer / N. Goryachev, I. Kochegarov // Achievement
of high school : XI International scientific and practical conference. – Sofia. Science
and education LTD (Bulgaria. November 15–22, 2015). – Sofia, 2015. –
Vol. 11. – P. 82–85.
15. Rybakov, I. M. Tasks thermal analysis of the print circuit board. xi international scientific and practical conference / N. Goryachev, N. Yurkov // News of
modern science – 2015 : Sheffield. Science and education LTD (UK. November 30 –
December 7, 2015). – Sheffield, 2015. – Vol. 11. – P. 41–49.
16. Рыбаков, И. М. Тепловая модель системы мониторинга и контроля /
А. С. Баранов, И. М. Рыбаков, М. А. Фролов // Измерение. Мониторинг.
Управление. Контроль. – 2014. – № 2. – С. 10–16.
17. Программа расчета температуры в узлах тепловой схемы /
Н. В. Горячев, И. М. Рыбаков, В. А. Трусов, Н. К. Юрков, П. Г. Андреев //
Хроники объединенного фонда электронных ресурсов Наука и образование. –
2014. – Т. 1, № 12 (67). – С. 7.
18. Рыбаков, И. М. Аппаратно-программное решение медикодиагностического измерительного преобразователя / А. В. Григорьев,
И. М. Рыбаков // Современные информационные технологии. – 2012. – № 15. –
С. 125–130.
Свидетельства о регистрации программ
19. Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 20570. Программа расчета температуры в узлах тепловой схемы / И. М. Рыбаков,
Н. В. Горячев, С. А. Бростилов, В. А. Трусов, Н. К. Юрков, П. Г. Андреев. –
зарег. 04.12.2014.
20
20. Свидетельство о государственной регистрации программы для
ЭВМ № 2015617478. Программа расчета теплового режима радиоэлектронной
аппаратуры / И. М. Рыбаков, Р. Ш. Мусаев, М. А. Фролов, А. С. Суханов. – зарег. 13.07.2015.
21. Свидетельство о государственной регистрации базы данных
№ 2015621109. База данных радиоэлектронных элементов / И. М. Рыбаков,
Р. Ш. Мусаев, М. А. Фролов, А. С. Суханов. – зарег. 22.06.2015.
21
Научное издание
РЫБАКОВ Илья Михайлович
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРОВОДЯЩИХ СЛОЕВ
ПЕЧАТНОГО УЗЛА
Специальности: 05.11.16 – Информационно-измерительные
и управляющие системы (приборостроение);
05.11.14 – Технология приборостроения
Редактор А. Г. Темникова
Технический редактор А. А. Стаценко
Распоряжение № 5/143-2018 от 19.04.2018.
Подписано в печать 20.04.2018
Формат 60841/16. Усл. печ. л. 1,16.
Тираж 100. Заказ № 212.
Издательство ПГУ.
440026, Пенза, Красная, 40.
Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru
22
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
1 630 Кб
Теги
измерительные, теплообмена, узла, печатного, информационные, система, проводящей, слоев, исследование
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа