Теплофизические основы математического моделирования показателей надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры

• Автор: Шлома, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 151 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ РЭА С УЧЕТОМ ФАКТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ
1.1 Теоретическое прогнозирование надежности РЭА
1.2 Математическое моделирование температурных полей в
радиоэлектронной аппаратуре
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В УЗЛЕ РЭА И МЕТОДЫ ЕЕ РЕШЕНИЯ
2.1 Общая физическая постановка
2.2 Математическая постановка задачи пространственного теплопереноса
2.3 Метод решения
2.4 Постановка задачи теплопереноса в рамках двумерной модели и метод ее
решения
2.5 Тестирование математических моделей и метода решения
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ПЕЧАТНОГО УЗЛА РЭА
3.1 Численный анализ температурного поля в пространственной постановке
для типичных режимов работы
3.2 Численный анализ температурного поля в двумерной постановке для
типичных режимов работы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ Типичные результаты расчета температурного поля и показателя надежности второго варианта элементного наполнения печатного узла..
ВВЕДЕНИЕ
Современные тенденции развития радиоэлектронной техники при всем многообразии типов конкретной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и ее практическом назначении характеризуются стремлением к: 1) снижению массы и размеров изделий; 2) повышению энергетических характеристик; 3) повышению надежности работы конкретных изделий. Все три основные требования по своей сути противоречивы, так как, например, снижение массы и размеров неизбежно влечет за собой ухудшение условий охлаждения конкретного изделия при прочих неизменных характеристиках [1]. А последнее в свою очередь вызывает как снижение показателей полезного энерговыделения, так и соответствующее снижение показателей надежности. Или с другой стороны, повышение показателей полезного энерговыделения приводит или к снижению надежности при неизменных массогабаритных характеристиках РЭА, или к повышению размеров и массы при стабилизации показателей надежности на некотором заданном уровне.
Решение трех выше названных задач до последнего времени осуществляется в основном эмпирическим путем и сопряжено с крупными материальными затратами на отработку опытных образцов в течение достаточно больших периодов времени.
Отсутствие в настоящее время конкурентоспособных на мировом рынке образцов радиоэлектронной техники российского производства обусловлено, в том числе и во многом отсутствием у соответствующих предприятий, работающих на территории РФ, материальных ресурсов для проведения опытноконструкторских работ, необходимых для доведения своих изделий до мировых стандартов.
Решение всех трех выделенных выше задач возможно было бы с крупномасштабным применением методов математического моделирования,

подобно тому как это было сделано в СССР при разработке изделий ракетно-космической техники в 60-70-ые годы, когда прямые затраты на ОКР аналогичных образцов военной техники в СССР были в десять раз меньше, чем в США [2,3]. Но в настоящее время, если судить по отечественным научно-техническим изданиям, методы математического моделирования при проектировании и отработке изделий радиоэлектроники применяются достаточно редко и не для решения тех трех основных задач, о которых шла речь выше.
Причина, очевидно, состоит в том, что нет математических моделей и методов их реализации, которые позволяли бы решать названные задачи. При этом необходимо отметить, что рассматриваемая проблема, состоящая в моделировании режима работы РЭА с учетом основных эксплуатационных факторов с целью оценки показателей надежности конкретных изделий, является по сути междисциплинарной. Специалисты в радиотехнике не владеют в полной мере математическим аппаратом, необходимым, например, для решения пространственных нестационарных нелинейных задач теплопереноса, а специалисты-математики недостаточно хорошо представляют специфику физических процессов, протекающих при работе типичных узлов и блоков РЭА. Поэтому, несмотря на определенное число публикаций по математическому моделированию процессов теплопереноса в РЭА, опубликованных в последние 25-30 лет [1,8,14-44], до настоящего времени нет документированных научных результатов по методам прогнозирования . надежности радиоэлектронной аппаратуры с учетом реального теплового состояния.
Согласно современным представлениям о методах прогнозирования (расчета) надежности как отечественных, так и зарубежных электрорадиоизделий (ЭРИ) и электрорадиоэлементов (ЭРЭ), надежность является функцией многих аргументов (факторов, влияющих на надежность ЭРИ), в общем случае индивидуальных для каждого класса ЭРИ [4,5]. Этими факторами являются температура, влажность, давление, механические воздействия и т.п.
Общепризнано, что наиболее важным фактором, определяющим надежность

микросборках. При разработке сложных конструкций расчет начинают с последнего (верхнего) уровня иерархии. Температурный режим на этом уровне задается исходя из анализа требований технического задания. Далее проводится последовательное рассмотрение процессов теплообмена на всех нижележащих уровнях. Найденные на соответствующем уровне средние температуры тел и сред используются в нижележащем уровне в виде граничных условий. Рассмотренный подход лежит в основе метода поэтапного моделирования [1, 40-42].
2. При прохождении через полупроводниковый прибор электрического тока (величина которого сама по себе сильно зависит от температуры кристалла) выделяется тепло, которое приводит к саморазогреву кристалла прибора, изменению геометрических размеров кристалла, корпуса, внешних выводов, металлических проводников, соединяющих кристалл с внешними выводами. Комплексные модели учитывают совместное влияние тепловых, электрических, механических процессов [19-31].
3. Теплофизические характеристики элементов в известных постановках считаются в основном постоянными. Только в работах [18,24] предпринят анализ тепловых режимов интегральных схем с учетом зависимости теплофизических характеристик материала от температуры. Однако приведенные выводы дают лишь качественную оценку влияния нелинейности уравнения теплопроводности на точность расчетов, количественная оценка этого влияния в статье не приведена.
4. Учитываются эффекты кондуктивного и конвективного теплопереноса. Эффект радиационного теплообмена, как правило, не рассматривается. Нет оценки погрешности, вносимой принятием допущения об его отсутствии.
5. Во всех применяемых моделях надежности в качестве фактора всегда присутствует температура, часто этот фактор является и единственным. Для расчетов надежности используется средние значения температуры, и не используются данные о неравномерности температурного поля в узлах, блоках,