СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2012

В ВЕДЕНИЕ Разработчики современных элек тронных систем бортового и наземно го назначения – микроэлектронных изделий, компьютеров и систем управ ления – постоянно сталкиваются с проблемой охлаждения и отвода тепла. Это обусловлено зависимостьюот тем пературы электрических, механиче ских и надёжностных характеристик электронных компонентов (микро схем, МС) и электрорадиоэлементов (ЭРЭ), претерпевающих существенные изменения при возникновении темпе ратурного поля в системе. Температурные изменения парамет ров электронных системмогут превы шать допустимые значения, приводя к неправильному функционированию, снижению надёжности, быстродейст вия и помехоустойчивости, возник новению термомеханических напря жений и деформаций. Сложности с отводом тепла, возникающие при ми ниатюризации электронных систем, усугубляются ростом рабочей темпе ратуры и плотности мощности в еди нице объёма. Поэтому эффективность охлаждения во многом определяет конкурентоспособность электронных систем. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 42 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012 Создание современного электрон ного оборудования невозможно без компьютерных технологий проекти рования. Наряду со схемотехническим проектированием, трассировкой сиг нальных проводников в многослой ных печатных платах (МПП), модели рованием высокочастотных эффектов в линиях связи, проектированием конструкции и топологииМС, необхо димо осуществлять тепловое проекти рование электронной системы и её элементов. Поскольку температурные поля, возникающие в электронной системе в процессе её функциониро вания, оказывают значительное влия ние практически на все характеристи ки, тепловое проектирование должно проводиться в итерационном режи ме, одновременно с предварительной компоновкой элементов и системы в целом. Основными задачами теплового проектирования электронных систем и её элементов являются: моделирова ние температурных полей; моделиро вание тепловых режимов системы в условиях испытаний и эксплуатации; конструкторско технологическое обеспечение параметров тепловых ре жимов системы в требуемых пределах. Тепловое проектирование включает: ● проведение расчётов температур ных полей в объёмах и на поверх ностях конструкции электронной системы и её элементов: – распределений температуры в кристаллах и корпусах МС и ЭРЭ, – распределений тепловых потоков в системе; ● моделирование конвективного теп лообмена между элементами сис темы и средой как внутри, так и сна ружи; ● расчёты аэродинамических харак теристик движения воздушной сре ды в системе. Важнейшей структурной едини цей электронной системы являет ся электронный модуль (ЭМ). Он представляет собой конструктив, со держащий МПП с установленными на ней МС и ЭРЭ, включая дискрет ные диоды, транзисторы, резисто ры, конденсаторы, катушки индук тивности, электрические разъёмы и дру гие наве сные элементы , а также конструктивные элементы крепления, направляющие и т.п. (см. рис. 1). С точки зрения теплового про ектирования, электронный модуль характеризуется следующими осо бенностями: сложной трёхмерной конструкцией МПП, содержащей большое количество разнородных слоёв; трёхмерной конфигурацией ЭМ; неоднородными включениями и полостями; пространственным раз мещением МС и ЭРЭ на поверхнос тях МПП и необходимостью учёта теплопереноса по выводам корпусов МС и ЭРЭ и в зазорах между ними и МПП; сложной динамикой рассеива емой мощности в МС; взаимодей ствием и взаимовлиянием элемен тов. Кроме того, до сих пор остаётся нерешённой проблема конвективно го теплообмена ЭМ и его элементов с воздушной средой [1]. Перечисленные особенности ЭМ, пространственный характер конст рукции, большое разнообразие и ко личество разнородных в теплофизи ческом отношении МС и ЭРЭ с трёх мерной конфигурацией, а также сложность протекающих в ЭМ про цессов теплопереноса и теплообме на со средой, описываемых нетриви альными математическими моделя ми, обусловливает тот факт, что в настоящее время отсутствуют надёж ные, эффективные и адекватные ме тоды математического и компьютер ного моделирования температурных трёхмерных полей электронных мо дулей. Электрический разъём Микросхема Многослойная печатная плата Электро радиоэлементы Рис. 1. Типичная конструкция ЭМ Моделирование температурных полей электронных модулей в программном комплексе STF ElectronMod Александр Мадера, Пётр Кандалов (Москва) В статье приведены результаты моделирования трёхмерных температурных полей электронных модулей на основе программного комплекса STF ElectronMod. Положенный в основу моделирования матрично топологический метод позволяет осуществлять расчёты температурных полей сложных модулей с учётом реальных конструктивных особенностей и технологий монтажа компонентов. © СТА-ПРЕСС