Программные средства теплофизического проектирования печатных плат электронной аппаратуры

Проведён анализ существующих средств теплофизического проектирования печатных плат электронной аппаратуры. Выявлены их основные недостатки, составлена сравнительная таблица свойств исследованных программных продуктов.

An analysis of existing tools thermophysical design of electronic equipment. Identified their main drawbacks, made up a comparative table of the properties of these funds.

Введение

В настоящее время существует несколько десятков программных комплексов и систем, предназначенных для проведения теплофизического проектирования печатных плат (ПП) электронной аппаратуры (ЭА). Как правило, их работа основана на применение одного из численных методов решения прикладных задач тепломассообмена [1]. Из существующих сейчас программных продуктов теплофизического проектирования и анализа ЭА, следует отметить следующие, наиболее развитые системы: Ansys Icepak, FloTherm, Qfin. Из российских программ заслуживает внимание программный комплекс ТРиАНА (АСОНИКА-Т).

Анализ программных средств

ANSYS Icepak предназначен для проведения тепловых расчётов при решении задач электронной промышленности, обеспечивающий надёжные и быстрые расчёты не только теплообмена в электронных устройствах но и гидро- газо- динамики [2].

ANSYS Icepak включает в себя возможности построения расчётной модели, включая улучшенный прямой импорт геометрических моделей из специализированных систем автоматизированного проектирования (САПР). Пакет ANSYS Icepak имеет расширенные возможности моделирования дорожек и сквозных отверстий печатных плат (рисунок 1), применение которых позволяет сократить время моделирования электронных компонентов и систем.

Рис. 1. Проектирование элементов ЭА в среде ANSYS Icepak

В ANSYS Icepak реализована возможность задания граничных условий периодичности для расчётных областей. Дополнительно ANSYS Icepak содержит библиотеки, включающие термодинамические модули охлаждения и расширенные макросы.

Продукт компании Mentor Graphics — FloTHERM основан на анализе с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

FloTerm позволяет инженерам создать виртуальные (математические) модели электронного оборудования, выполнить тепловой анализ [3]. Позволяет проводить тестирование проекта прежде, чем он будет воплощён в виде физического прототипа. FloTHERM имеет средства интеграции с существующими САПР электроники — так называемыми ECAD системами. Так же в состав программного пакета FloTerm входят подсистемы для анализа работы теплоотводов, вентиляторов, электронных компонентов и печатных плат. FloTHERM позволяет исследовать работу термоэлектрических преобразователей — элементов Пельтье.

Наличие мощных средств визуализации вычислений гидроаэродинамики, позволяет применять FloTHERM для анализа работы сложной ЭА.

В настоящее время FloTHERM является самой распространенной, в европейских странах, системой теплофизического проектирования ЭА основанной на применение метода конечных элементов.

Разработчиком среды теплофизического проектирования ЭА Qfin является канадская компания Qfinsoft Technology Inc. Компания занимается разработкой компьютерных средств для моделирования термодинамических и гидродинамических процессов, а также процессов горения [4].

Программный продукт Qfin ориентирован, прежде всего, на моделирование работы теплоотводов ЭА. Дополнительно, программа позволяет проводить исследования сложных систем охлаждения ЭА включающих в себя вентиляторы, термоэлектрические элементы и т. п. Также в среде Qfin существует возможность проведения теплового анализа модулей первого и второго уровней.

Преимуществом программной среды Qfin является возможность проведения теплового анализа с учётом внешних воздействий.

К недостаткам Qfin следует отнести неполную интеграцию с существующими CAD и ECAD системами. Однако, самым серьёзным недостатком Qfin является отказ разработчиков этого программного продукта распространять его на территории России.

АСОНИКА-Т разработана специалистами Красноярского Государственного Технического Университета (КГТУ) и Московского Государственного Института Электроники и Математики (МИЭМ).

Программный комплекс ТРиАНА предназначен для моделирования стационарных и нестационарных тепловых процессов, протекающих в стойках, блоках, крейтах, печатных узлах, функциональных ячейках и микросборках радиоэлектронной аппаратуры [5]. ТРиАНА позволяет реализовать следующие проектные задачи:

-          определение тепловых режимов работы всех электрорадио изделий (ЭРИ) и материалов несущих конструкций и внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов нагрузки;

-          выбор лучшего варианта конструкции из нескольких имеющихся вариантов с точки зрения тепловых режимов работы;

-          обоснование необходимости и оценка эффективности дополнительной защиты радиоэлектронных средств (РЭС) от тепловых воздействий;

-          создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия (выбор испытательных воздействий, выбор наиболее удачных мест установки датчиков).

Программный комплекс ТРиАНА позволяет анализировать следующие типы конструкций: микросборки, радиаторы и теплоотводящие основания, гибридно-интегральные модули, блоки этажерочной и кассетной конструкции, шкафы, стойки, а также нетиповые (произвольные) конструкции.

Подсистема дает возможность провести анализ стационарного и нестационарного тепловых режимов аппаратуры, работающей при естественной и вынужденной конвекциях в воздушной среде, как при нормальном, так и при пониженном давлении. При анализе нетиповых конструкций определяются температуры выделенных изотермических объёмов; при анализе типовых узлов — температуры ЭРИ, а также дискретное температурное поле типовых узлов и их интегральные температуры.

Полученные в результате расчёта температуры используются в качестве граничных условий для моделирования теплового режима печатного узла с помощью средств комплекса ТРиАНА, в результате которого могут быть получены температуры всех ЭРИ.

Дополнительно следует отметить, что программный комплекс ТРиАНА имеет качественное методическое обеспечение [6], [7].

Заключение

Проведя анализ основных систем теплофизического проектирования, необходимо отметить, что хотя они и являются мощными инженерными средствами проектирования, но каждая из них содержит в себе ограничения и недостатки. В частности, отсутствуют открытые базы данных унифицированных конструкций теплоотводов, крайне мал уровень автоматизации при выборе способа охлаждения. Недостаточно внимания разработчики систем теплофизического проектирования ЭА уделяют организации информационного обмена с используемыми на территории России CAD и ECAD системами, такими как Mentor PADS, Mentor-ExpeditionPCB, Cadence, Altium и т. д. Отсутствуют аппаратные средства оценки эффективности систем охлаждения — лабораторные и исследовательские стенды. Хотя, именно комплексное исследование математической модели и прототипа разрабатываемой системы охлаждения ЭА, способно обеспечить максимальную надёжность и качество серийного изделия.

В результате проведенного исследования, выявлены недостатки существующих средств теплофизического проектирования. С учётом требований изложенных в работе [8], составлена сравнительная таблица.

Таблица 1

Сравнительная таблица средств теплофизического проектирования ЭА

Учитывая современное развитие информационных технологий, необходимо создание новых, комплексных средств теплофизического проектирования узлов и модулей ЭА. Подобные программно-методические комплексы должны работать в едином информационном поле уже существующих CAM/CAD и ECAD систем. Также, крайне важно иметь в составе подобных комплексов, инструмент проведения натурального эксперимента. Подобные комплексы, объединяющие как известные программные так и новые аппаратные средства уже разрабатываются в ВУЗах России [9,10].

Применение таких программно-методических комплексов, в сочетании с ECAD системами, позволит сократить сроки, повысить качество разрабатываемой радиоаппаратуры и в соответствии с CALS — технологиями организовать весь жизненный цикл устройства.

Литература:

1.        Дульнев, Г. Н. Методы расчёта теплового режима приборов/ Г. Н. Дульнев, В. Г. Парфёнов, А. В. Сигалов. — М.: Радио и связь, 1990. — 240 c.

2.        Ansys Icepak 12.0. Powerful Fluid Dynamics Software for Thermal Management of Electronic Systems: [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.ansys.com/assets/brochures/ansys-icepack-12.0.pdf

3.        FloTHERM Electronics Cooling CFD Software — Mentor Graphics: [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.mentor.com/products/mechanical/products/flotherm

4.        Qfin 4.0: [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.qfin.net/drupal/qfin4

5.        Латышев, П. Н. Каталог САПР. Программы и производители/ П. Н. Латышев. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006. — 608 c.

6.        Жаднов, В. В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств/В. В. Жадное, А. В. Сарафанов. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 464 с.

7.        Исследование тепловых характеристик РЭС методами математического моделирования: Монография/В. И. Коваленок, О. В. Межевов, С. В. Работин, А. В. Сарафанов, М. В. Тюкачев, Ю. Н. Кофанов, В. В. Гольдин, В. Г. Журавский.; Под ред. А. В. Сарафанова. М.: Радио и связь, 2003. 456 с.

8.        Горячев Н. В. Концепция создания автоматизированной системы выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2010. № 11. С. 171–176.

9.        Горячев Н. В. Cтенд исследования тепловых полей элементов конструкций РЭС / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, П. Г. Андреев, В. А. Трусов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 162–166.

10.    Горячев Н. В. Совершенствование структуры современного информационно-измерительного комплекса / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2. С. 433–436.