Современная электроника №7/2020

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2020 Применение мультифизического моделирования при проектировании печатных плат электронных устройств Рис. 1. Пример моделирования охлаждения электронных компонентов блока питания в среде COMSOL Multyphysics В статье рассматривается задача мультифизического моделирования процессов, происходящих в электронном устройстве, и примеры её решения с помощью программы COMSOL Multiphysics. Средства программы позволяют оценить нагрев компонентов и токопроводящих дорожек, направление протекания тока, распределение электрического потенциала и температуры на поверхности печатной платы, вызванную тепловым расширением деформацию, оптимально скомпоновать печатный узел и выбрать способы его охлаждения. Татьяна Колесникова (beluikluk@gmail.com) Введение Возрастающая доступность больших вычислительных ресурсов и создание современного программного обеспече- ния позволяют перейти на новый уро- вень проведения научных исследований электронных устройств на этапе проек- тирования печатных плат с учётом раз- личных взаимосвязанныхфизических процессов, протекающих в платах. Мультифизическое моделирование – активно развивающийся метод ком- пьютерного моделирования, который предоставляет возможность получе- ния многосторонней информации об исследуемом объекте посредством ком- плексного анализа наиболее характер- ных для него физических процессов и взаимосвязей между ними. Моделиро- вание основывается на рассмотрении нескольких взаимосвязанных физи- ческих процессов в одной модели, например электромагнитных, термо- динамических, механических, магни- тогидродинамических, которые, в свою очередь, зависят от процессов во внеш- них электрических цепях. Единая мате- матическая модель строится на основе фундаментальных законов различных научных дисциплин и предполагает установление и реализацию междис- циплинарных связей для всесторон- него исследования физического объ- екта и получения системного знания о его работе. Мультифизическое моделирование печатных плат проводится с помо- щью современных программных пакетов, среди которых можно выде- лить COMSOL Multiphysics 5.4 – универ- сальную среду численного моделиро- вания систем, устройств и процессов во всех областях проектирования, про- изводства и научных исследований. В COMSOL Multiphysics решаются ста- ционарные, временные и параметри- ческие задачи электростатики, элек- тродинамики, электромагнетизма, акустики, теплопереноса, теории упру- гости, гидродинамики. Возможность решать тот или иной класс задач реализован в виде специ- альных прикладных режимов (моду- лей). При их загрузке автоматически выбирается нужная система уравне- ний, в которой необходимо задать коэффициенты и граничные условия. Например, модуль Heat Transfer (Тепло- передача) содержит полный набор инструментов для выполнения тепло- вых расчётов и анализа влияния тепло- вых нагрузок, моделирования полей распределения температур и пото- ков тепла в устройствах и компонен- тах печатной платы. Модуль позволя- ет моделировать системы охлаждения, что особенно актуально при выполне- нии исследований, связанных с проек- тированием электронных устройств. На рисунке 1 показано распределе- ние температуры внутри блока пита- ния компьютера. В модели рассчиты- вается принудительное охлаждение устройства воздухом. Поток создаётся вентилятором, воздух поступает внутрь корпуса через решётку, закрывающую входное отверстие. Модуль Radio Frequency (Радиочасто- ты) позволяет оптимизировать кон- струкцию электронных компонентов и устройств за счёт детального иссле- дования физических явлений распро- странения электромагнитных волн, микроволнового и радиочастотного нагрева. Модуль Semiconductor (Полупрово- дники) позволяет проводить анализ работы полупроводниковых приборов на фундаментальномфизическом уров- не. Модуль AC/DC предназначен для моделирования задач электромагнит- ных явлений переменного и постоян- ного токов, предоставляет множество возможностей для расчёта электро- магнитных полей, электромагнитных помех и электромагнитной совмести- мости путём решения системы уравне- ний Максвелла с помощью современ- ных численных методов. С помощью пакета COMSOL можно определить влияние на электротех-