Моделирование тепловых процессов в радиоэлектронных устройствах

процессов

Модель аэродинамических процессов

Упрощенная модель механических процессов

Тепловые и аэродинамические процессы в блоке РЭУ

платы

Конечноэлементая модель ЭРИ и результаты её расчёта

Результаты расчёта механических процессов

Результаты расчёта тепловых процессов

Трёхмерный эскиз печатного узла и его топологическая модель

в РЭУ

Универсальные

Проблемно ориентированные

Тепловые процессы:
Ansys/Thermal;
Nastran;
Cosmos Works;
Simula;
FEMAP|Thermal Solver

Механические процессы:
Ansys/Mechanical;
Nastran;
Cosmos Works;
Simula; Pro/ENGINEER Mechanica

Гидроаэродинамические процессы:
Ansys/CFD; Cosmos FlowWorks; FLUENT; Abaqus; FEMAP/Flow Solver

Электрические процессы:
PCAD; OrCAD; PSB Systems “MG”; Altium Designer (Protel)

Тепловые процессы:
АСОНИКА- Т / ТМ/ П; Ansys/ IceBoard/ Icepack; BetaSoft; PCAnalize; Qfin; FLOTHERM

Механические процессы:
АСОНИКА- В /М/ ТМ/П;

Гидроаэро-динамические процессы:
АСОНИКА-П, Ansys/IceBoard/
Icepack; Qfin; FLOTHERM

Systems “Mentor Graphics”;
Altium Designer (Protel);
CADSTAR “ZUKEN”;
Micro-Cap
Общие черты:
Основаны на ядре Spice;
Позволяют организовать сквозной цикл проектирования ПП

принимаемая в моделях верхних уровней иерархии

Идеализация тепловых процессов, принимаемая в моделях нижних уровней иерархии

Типовые конструктивные элементы

Элементарные виды теплообмены

той или иной форме математическое
описание, которое адекватно отражает сущность и характерные свойства рассматриваемого
физического процесса, протекающего в схеме и конструкции аппаратуры.

схемах аппаратуры с учетом паразитных параметров конструкций.

Рис.3. Результаты моделирования

Рис.1. Электрическая принципиальная схема

Рис.2. Модель электрических процессов

схема путей распространения тепловых потоков в конструкции.

Рис.2. Вид модели тепловых процессов

Рис. 1. Эскиз печатного узла

Рис. 3. Температурное поле печатного узла

до 400С, т.е. всего на 150С, рабочая точка транзистора сместилась в сторону насыщения и, следовательно, входной сигнал усиливается с искажениями.

Рис.1. Электрическая принципиальная схема

Рис.2. Результаты моделирования при T=250C

Рис.3. Результаты моделирования при T=400C

ускорений в контрольных точках

Рис. 1. Эскиз блока

Механическими называются модели РЭС, отображающие процессы, протекающие в конструкциях аппаратуры при воздействии ударов и вибраций.

резистора;
LR — индуктивность выводов и проводящей части резисторов;
СR – ёмкость выводов и проводящей части резисторов

Для диффузионных резисторов интегральных схем

Сn – ёмкость проводящей части относительно подложки (включая ёмкость обратносмещённого паразитного p-n перехода)

структуре металл-диэлектрик-полупроводник

Rc — сопротивление потерь в диэлектрике;
Lc — индуктивность выводов и обкладок конденсатора;
rc — сопротивление последовательного слоя в структуре конденсатора;
lп=f(Un) — зависимый источник, моделирующий статическую характеристику паразитного р-п перехода;
Сп — емкость р-п перехода;
П — подложка

схем

RL — сопротивление обмотки (спирали);
CL — межвитковая емкость;
RИ — сопротивление потерь межвитковой изоляции;
Сп — емкость между спиралью и подложкой П.

через элемент;
R - сопротивление резистора;
С - емкость конденсатора;
L - индуктивность катушки

Аналитическими моделями идеальных резистора, конденсатора и катушки индуктивности являются уравнения:

где

Топологические модели радиоэлементов

Резистор

Конденсатор

Катушка индуктивности

током,
источник напряжения, управляемый током.

Четыре типа зависимых источников:

US – напряжение источника,
IS – ток источника,
U , I – управляющее напряжение и ток,
g, e, f, h – соответствующие коэффициенты

,

,

,

Обратная ВАХ диода

Рис. 1. Модель диода

Модель диода описывает работу диода во всех режимах

ВФХ pn-переходов

Модель описывает работу транзистора во всех
режимах исключая пробой

пробой

Рис. 1. Модель полевого транзистора

Рис. 2. Выходные ВАХ

характеристика

Рис. 2. Характеристика вход-выход

температур элементов конструкции, поскольку именно она является одной из основных характеристик состояния вещества, и, именно, от нее зависят его механические и электрические свойства.
Уменьшение размеров и веса аппаратуры, применение интегральных микросхем, жесткие условия эксплуатации, часто при повышенной температуре окружающей среды - осложняет задачу обеспечения правильного теплового режима.

При изменении температуры всего на несколько десятков градусов электропроводность кремния, основного вещества из которого изготавливают полупроводниковые элементы, изменяется в сотни раз.

от сложности и степени интеграции применяется конструкции кассетного и этажерочного типа.
Основными конструктивным и, как правило, функциональным узлом таких конструкций являются печатные узлы (ПУ), представляющие собой однослойные или многослойные печатные платы (ПП) с расположенными на них микросборками и дискретными электрорадиоэлементами (ЭРЭ).
При наличии мощных полупроводниковых приборов применяется их установка на корпус блока, который в этом случае выполняется оребренным.
Корпуса и несущие конструкции блоков изготавливаются из алюминиевых и магниевых сплавов, обладающих хорошими теплопроводящими свойствами и сравнительно небольшим удельным весом.

Рис. 1. Пример кассетной конструкции

Рис. 2. Пример этажерочной конструкции

ненаправленного графа, схема путей распространения тепловых потоков в конструкции.

Построение модели тепловых процессов сводится к выполнению следующих этапов:
Качественный анализ тепловых процессов в конструкции, на основе которого определяются элементарные виды теплообмена, которые необходимо учитывать при построении модели.
Идеализация конструкции, позволяющая существенно упростить задачу построения модели за счет принятия определенных допущений.
Составление модели тепловых процессов конструкции, заключающееся в построении топологической модели с учетом проведенного анализа и идеализации.

участка тела к холодному.

Кондуктивный теплообмен - распространение тепла в твердом теле

их непосредственном контакте.

– массовый расход воздуха.

одной из сторон расположена в воздухе с температурой t.

Идеализация конструкции:
Пренебрегаем теплоотдачей с торцов пластины, т.к. площадь торцевых поверхностей пластины значительно меньше площади ее боковых поверхностей.
Считаем левую (1) и правую (2) поверхности пластины изотермичными.
Пренебрегаем тепловым излучением с пластины в окружающую среду.

С учетом принятых допущений модель теплового процесса имеет вид, представленный на рис. 2.

в центре элементарного объема (узел 1);
Каждая грань объема (узлы 2…7) изотермична.

Рис. 1. Эскиз конструкции

Рис. 2. Модель элементарного объема

Эскиз транзистора

Рис. 3. Фрагмент печатного узла

Рис. 4. Модель ЭРЭ на печатной плате

Активная зона;
Поверхность корпуса;
Поверхность платы;
Окружающая среда.

Корпус ЭРЭ изотермичен.

транзистора на радиаторе

Рис. 2. Ребристый радиатор

Теплоотдача с торцев основания радиатора не учитывается.

pn – переход транзистора;
Корпус транзистора;
Верхняя поверхность радиатора;
Нижняя поверхность радиатора;
Окружающая среда.

Конструкция микросборки

Рис. 1. Эскиз конструкции микросборки

Рис. 3. Модель микросборки на печатной плате

Tc

Поверхность подложки.
Поверхность корпуса.
Поверхность печатной платы.
Окружающая среда.

- транзистор VT;
10 - основание микросборки

Рис. 1. Эскиз конструкции микросборки

Рис. 2. Модель тепловых процессов в ПУ

Эскиз печатного узла

Рис. 3. Модель тепловых процессов в ПУ

PR1

PVT1

Tc

Tc

модель печатного узла

Рис. 4. Температурное поле печатного узла

Рис. 3. Карта тепловых режимов ЭРИ