Исследование и разработка путей повышения надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий

• Автор: Васильчиков, Сергей Алексеевич
• Шифр специальности: 05.11.14, 05.13.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 205 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОН НОЙ АППАРАТУРЫ НА БАЗЕ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
1.1. Необходимость учета тепловых режимов работы РЭА на ранних стадиях проектирования

1.2. Актуальность оценки надежности ПУ при анализе тепловых процессов в РЭА

1.3. Анализ основных показателей тепловой устойчивости ПУ РЭА при тепловых воздействиях

1.3.1. Вероятность отказа ПУ изза перегрева.

1.3.2. Поля тепловой нестабильности выходных электрических характеристик ПУ РЭА.

1.3.3. Коэффициент тепловой нагрузки ПУ РЭА

1.4. Постановка задачи обеспечения тепловой устойчивости ПУ РЭА.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ НА БАЗЕ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
2.1. Функциональная схема метода повышения надежности ПУ РЭА при тепловых воздействиях
2.2. Расчет тепловых режимов РЭА
2.2.1. Анализ методов расчета тепловых режимов РЭА.
2.2.2. Метод моделирования тепловых процессов в РЭА на основе топологических моделей
2.2.3. МТП печатных узлов РЭА.
2.3. Разработка алгоритма идентификации параметров модели тепловых процессов и оптимизации параметров элементов конструкции печатного узла.
2.3.1. Постановка задач идентификации параметров модели тепловых процессов и параметрической оптимизации.
2.3.2. Получение целевых функций и ограничений для задач параметрической оптимизации и идентификации параметров модели тепловых процессов в печатных узлах.
2.3.3. Выбор метода оптимизации и разработка алгоритма
2.3.4. Получение функции параметрической чувствительности.
2.4. Выводы
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ В РАМКАХ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА АСОНИКАТМ
3.1. Порядок автоматизированного проектирования РЭА с печатными узлами
3.2.Разработка структуры интегрированной САПР для проектирования РЭА и определение в ней места подсистемы обеспечения надежности приборов при тепловых нагрузках.
3.3. Разработка автоматизированной подсистемы проектирования теплоустойчивых приборов на базе ПУ в рамках программного комплекса АСОНИКА
3.3.1. Разработка структурной схемы.
3.3.2. Разработка информационной модели подсистемы обеспечения надежности
приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях.
3.4. Выводы.
ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ НА БАЗЕ ПУ НА ЭТАПАХ КОНСТРУКТОРСКОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА
4.1. Использование способа повышения надежности на этапе конструкторской подготовки производства.
4.2. Применение метода и методики повышения надежности на этапе технологической подготовки производства.
4.2.1. Пайка волной припоя.
4.2.2. Пайка инфракрасным излучением.
4.3. Выводы.
ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ НА БАЗЕ ПУ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
5.1. Повышение надежности приборов на базе ПУ на этапе проектирования
5.2. Повышение надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях на
этапе изготовления при различных видах пайки
5.3.0сновные этапы ТП приборов, на базе ПУ, надежность которых была повышена
5.4. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В данной главе обосновывается необходимость учета тепловых режимов работы РЭА на ранних стадиях проектирования, проводится анализ основных показателей надежности РЭА на базе ПУ при тепловых воздействиях. На основе проведенного анализа обосновывается необходимость применения средств математического моделирования и оптимизации для получения объективной картины происходящих в РЭА тепловых процессов и устранения слабых мест конструкции еще на этапе е проектирования. С учетом вышесказанного, формулируется задача диссертационной работы обеспечение надежности РЭА на базе ПУ при тепловых воздействиях, указываются основные этапы е решения. Кроме этого, производится анализ современного состояния существующих программных средств и методов моделирования тепловых процессов. На основе данных исследований обосновывается актуальность поставленной в диссертационной работе цели и задач. Эксплуатационные факторы, воздействующие на элементы РЭА и ПУ в частности, можно разделить на внутренние и внешние. Внешние факторы связаны с влиянием окружающей среды и они воздействуют на радиоэлементы, входящие в состав ПУ, независимо от того, работают они или находятся в выключенном состоянии. К таким факторам относятся температура окружающей среды, е давление, влажность, эксплуатационные механические нагрузки, магнитные поля, радиация и др. Внутренние эксплуатационные факторы связаны с работой самих радиоэлементов. ПУ, образование электромагнитных полей работающими элементами и т. Даже при небольшой величине одной из этих двух составляющих эксплуатационных факторов, совместное влияние на радиоэлементы этих факторов может оказаться очень сильным. Так, для рассматриваемых ПУ РЭА диапазон изменения температуры окружающей среды невелик и колеблется в пределах 5 С. Но внутренний эксплуатационный температурный фактор имеет значительную величину, главным образом за счет использования в современных ПУ интегральных микросхем процессоры, чипы, для которых значения рассеиваемых мощностей могут быть весьма значительными. Известно, что в приборах, собранных на базе ПУ, только 5 подводимой энергии преобразуется в энергию полезных сигналов. Вся остальная энергия трансформируется в другие виды, главным образом в тепловую. Таким образом, высокие значения температур радиоэлементов, входящих в состав ПУ, обусловлены, в первую очередь, перегревами элементов над окружающей средой. Это приводит к тому, что при минимальном значении температуры окружающей ПУ среды, температуры большинства элементов будут иметь высокие значения, либо за счет собственного нагрева, либо от окружающих их теплонагруженных элементов наведенный перегрев. Воздействующие на радиоэлементы эксплуатационные факторы порождают физикохимические процессы в материалах элементов, которые приводят к изменению свойств этих материалов. В результате этого изменяются параметры элементов, что приводит к выходу из поля допуска выходной электрической характеристики ЭРЭ, а когда какойлибо параметр элемента выходит за поле допуска на него, возникает отказ элемента. В таблице 1 представлены характерные температурные зависимости электрических параметров элементной базы РЭА. Таблица 1. РЭА от температуры. ТдТоТ до. ГГ при разработке теплонагруженных аналоговых и цифровых устройств б обратный ток рп перехода дооо величины тока термогенерации и теплового тока при нормальных условиях В ВВ2 апроксимирующие коэффициенты. СГП ь рп орп 1 при разработке мощных устройств, работающих в ключевом режиме торп постоянная времени перехода полупроводникового прибора при нормальных условиях с апроксимирующий коэффициент. Тэ Т 7Э Р при разработке цифровых устройств, подверженных жестким тепловым воздействиям т 3 ср средняя задержка сигнала в логическом элементе ЛЭ и константа, выражающая реальные затраты на переключение ЛЭ при изменении температуры эксплуатации на ГС Р потребляемая мощность Тэ рабочая температура Ятэ тепловое сопротивление конструкции ЛЭ Тх температура теплостока, на который устанавливается ЛЭ. Я К0 АгТ Я0 электрическое сопротивление резистора при температуре 0 С Аг температурный коэффициент сопротивления.