4.2. Программы теплового анализа

BetaSoft (Dynamic Soft Analysis). Отдельной задачей проектирования печатных плат является тепло-

вой анализ. Наиболее мощным решением в этой области является программа BetaSoft компании Dynamic Soft Analysis. Программа подходит и для разработчиков монолитных многомодульных устройств. В процессе расчета могут быть получены температуры отдельных компонентов, карты прогрева плат, градиент температур (рис. 40). Отметим, что программа BetaSoft, имеющая в своем составе три модуля: BetaSoft-Board, BetaSoft-MCM, BetaSoft-System, поставляется как штатное средство теплового моделирования для продуктов Mentor Graphics.

Модуль BetaSoft-Board предназначен для моделирования тепловых процессов в многослойных платах нерегулярной формы, которые могут быть расположены в открытых или закрытых корпусах, при этом учитываются наличие естественной и принудительной вентиляции, а также, при необходимости, гравитация и атмосферное давление. Модуль использует встроенные библиотеки, насчитывающие около 2500 различных компонентов. При анализе плат с большим числом компонентов возможен импорт проектов, разработанных в популярных САПР P-CAD, Allegro, Cadstar, Mentor, Protel, OrCAD, PADS, Tango, VeriBest и др.

Программа BetaSoft-Board позволяет рассчитывать среднюю температуру корпуса элемента и карту температурных градиентов, а дополнительный модуль THETAjc дает возможность определять температуру отдельных p-n-переходов, благодаря чему можно определять степень нагрева отдельных элементов, а также близость температуры их корпусов к предельно допустимым значениям. Не исключено, что вследствие температурного расширения области платы с повышенной температурой будут претерпевать различные деформации, вспучиваться и коробиться. При многократном нагревании и охлаждении это может привести к выходу из строя как самой платы, так и расположенных на ней элементов, отслаиванию печатных проводников и нарушению контактов, особенно в проектах, выполненных по технологии поверхностного монтажа. Своевременная идентификация таких областей позволит избежать разрушительных последствий в ходе испытаний и эксплуатации готовых изделий.

Полученные результаты расчета с точностью до 10% были подтверждены в ходе специальных испытаний, а также с помощью фотосъемки в инфракрасном режиме. В процессе анализа выполняется трехмерное моделирование суммарного поля течения и отдельных тепловых областей с учетом теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Тепловой режим печатной платы, рассчитанный с помощью BetaSoft

Другим обновленным модулем пакета является программа BetaSoft-MCM, позволяющая производить термический анализ отдельных компонентов электронных схем, таких как однокристальные и многокристальные микросхемы, гибридные и дискретные элементы. Исходной информацией для проведения анализа служит определение внутренней структуры трехмерного компонента, при этом нельзя забывать о наличии нескольких слоев из различных материалов и подключения внешних, возможно изменяющихся во времени, источников питания. Данные, полученные с помощью этой программы, позволят правильно выбрать технологию упаковки устройства в корпус, метод отвода тепла и значительно повысят надежность конечного изделия.

Третья программа BETASoft-System предназначена для моделирования температурных режимов объемных конструкций, например электронных модулей, блоков и шкафов. Здесь принимаются во внимание самые разнообразные физические эффекты: движение теплого воздуха вверх с учетом силы тяжести, температура окружающей среды, сила ветра, интенсивность солнечного излучения, препятствия на пути воздушного потока и наличие контакта с крепежными устройствами. При анализе поведения плат учитываются мощность рассеивания каждой платы, высота элементов и плотность их расположения, типичное температурное сопротивление и предельные температуры переходов.

Sauna (Thermal Solutions). Другая программа теплового анализа – Sauna – компании Thermal Solutions

позволяет моделировать поведение не только плат, но и блоков и шкафов. Здесь имеются обширные библиотеки компонентов и материалов, а также специальный графический редактор, позволяющий прорисовывать конфигурацию оборудования. Система дает возможность назначать специальные рабочие циклы с учетом включения и выключения внешних источников питания.

Программа обеспечивает тепловой расчет для установившегося и переходного процессов, а также для рабочих климатических циклов. Обширные библиотеки наиболее распространенных в электронной промышленности материалов позволяют создавать точные тепловые модели элементов конструкции с учетом их габаритных размеров и физических свойств (рис. 41).

Изначально программа Sauna была разработана исключительно для термического анализа электронных компонентов и систем. Все меню, материалы библиотек и свойств сборки были созданы с этой целью.

Построение своей модели интуитивно понятно и просто. Модель построена с использованием стандартного блока сборки пластин и печатных плат. Чтобы создать пластины, нужно просто определить размеры листа и выбрать материал и тип поверхностей в меню, после чего пластина появляется на экране компьютера. При этом не нужно самому вводить теплопроводности или другие свойства.

Результат работы программы Sauna

Sauna использует классический метод расчета тепловой сети, ввод тепловых узлов, резисторов и конденсаторов не требуется. Программа вычисляет значения автоматически, основываясь на материалах и размерах. Sauna создает модель, которую легко проверить или изменить.

Так же легко создать сборку печатной платы. В меню выбирается количество слоев, сплав меди и толщина покрытия. Очень быстро создается полная модель платы и выводится на экран. Все необходимые технические данные, в том числе библиотеки стандартных материалов, встроены в программу.

Асоника-Т (КГТУ). Программа Асоника-Т разработки Красноярского государственного техни-

ческого университета предназначена для автоматизации процесса проектирования РЭС и позволяет реализовать следующие задачи:

· определение тепловых режимов работы всех электрорадиоизделий (ЭРИ) и материалов несущих конструкций;

· внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов нагрузки;

· выбор лучшего варианта конструкции из нескольких имеющихся вариантов с точки зрения тепловых режимов работы;

· обоснование необходимости и оценка эффективности дополнительной защиты РЭС от тепловых воздействий;

· создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия (выбор испытательных воздействий, наиболее удачных мест установки датчиков).

Асоника-Т позволяет анализировать следующие типы конструкций: микросборки, радиаторы и теплоотводящие основания, гибридно-интегральные модули, блоки этажерочной и кассетной конструкции, шкафы, стойки, а также нетиповые (произвольные) конструкции.

Программа дает возможность провести анализ стационарных и нестационарных тепловых режимов аппаратуры, работающей при естественной и вынужденной конвекциях в воздушной среде как при нормальном, так и при пониженном давлениях. При анализе нетиповых конструкций определяются температуры выделенных изотермических объемов; при анализе типовых узлов – температуры ЭРИ, а также дискретное температурное поле типовых узлов и их интегральные температуры (рис. 42).

Сервисное обеспечение Асоника-Т включает в себя базу данных со справочными геометрическими и теплофизическими параметрами ЭРИ и конструкционных материалов, графический ввод исходных данных для конструкций, графический вывод результатов расчета.

Полученные в результате расчета температуры используются в качестве граничных условий для моделирования теплового режима печатного узла с помощью программы Асоника-ТМ, в результате которого могут быть получены температуры всех ЭРИ.

Для проведения сеанса моделирования при помощи данной программы необходима следующая исходная информация:

· эскиз или чертеж конструкции РЭС;

· теплофизические параметры материалов конструкции РЭС;

· мощности тепловыделений в элементах РЭС;

· условия охлаждения (граничные условия) конструкции РЭС.

В результате моделирования при помощи программы могут быть получены значения температур конструктивных элементов, конструктивных узлов и электрорадиоэлементов РЭС, значения температур воздушных потоков, охлаждающих РЭС.

Результат работы Асоника-Т