Тенденции импортозамещения ставят перед разработчиками, производителями и эксплуатантами радио-электронных изделий задачи по совершенствованию процессов их создания, производства, послепродажного обслуживания с использованием отечественных программных разработок.
Наиболее развитые и популярные средства, инструменты компании Mentor Graphics (США) и Altium (Австралия), обеспечивают разработку изделий электроники, начиная от принципиальных схем и завершая трёхмерными геометрическими моделями плат с элементами на ней и математическими моделями тепловых режимов и напряжённо-деформированного состояния. Оба вендора за последние два десятка лет сотрудничества с промышленностью эволюционировали от разработчиков простых частных проектных инструментов до поставщиков интегрированных решений по проектированию, изготовлению и испытанию конечных изделий, включая выпуск комплекта рабочей документации. Все решения опираются на выпускаемую на западе элементную базу с полным описанием её характеристик.
Российским аналогом таких решений является конгломерат отечественных программных комплексов (ПК) для решения множества частных задач в рамках общего процесса разработки изделия, успешно используемых в отечественной и зарубежной промышленности:
- инструменты сквозного проектирования электронных устройств на базе печатных плат, схемотехнического моделирования и трассировки компании «ЭРЕМЕКС»;
- система геометрического моделирования «КОМПАС-3D» компании «АСКОН» для создания моделей блоков аппаратуры и трёхмерных моделей печатных плат с элементами по данным, полученным из решений компании «ЭРЕМЕКС»;
- решения, нацеленные на экспресс-анализ электромагнитных полей, компании «Тор»;
- ПК Win.Machine компании НТЦ «АПМ» для моделирования напряжённо-деформированного и теплового состояний деталей и сборок, в том числе плат и элементов;
- ПК вычислительной аэро- и гидродинамики FlowVision от компании «ТЕСИС» с оригинальной технологией построения расчётной сетки для геометрии любой сложности конструкторского представления; FlowVision используется для моделирования охлаждения нового поколения ядерных реакторов с жидкометаллическим теплоносителем (см. рис. 1а), посадки, приводнения, разделения на траектории и работы системы аварийного спасения космического корабля «Федерация», а также в международном проекте «Живое сердце» (Living Heart Project) по моделированию работы сердца человека (см. рис. 1б).
Наработаный функционал FlowVision позволил выполнить ряд проектов, целью которых было определение тепловых режимов, на которых работает микроэлектронная и электронная аппаратура (см. рис. 2).
Российские компании «АСКОН», «ТЕСИС» и «ЭРЕМЕКС» инициативно реализуют проект по созданию сквозного решения для электронной и радиоэлектронной промышленности путём объединения программных средств Delta Design, «КОМПАС-3D» и FlowVision в едином рабочем цикле, который опирается на десятилетиями отлаженный подход к разводке и размещению элементов на печатной плате по заданным принципиальным схемам. С его помощью конструктор при разработке изделия может учитывать все виды эксплуатационных факторов: внутренний нагрев, внешний естественный или принудительный обдув элементов, блока или отсека охлаждённым или нагретым воздухом, эксплуатационную технологичность (доступ при ТОиР в помещениях и на улице), изменение характеристик аппаратуры с изменением температурного режима работы, электромагнитную совместимость; характеристики прочности и усталости, отказобезопасность, надёжность и прочее (см. рис. 3).
Согласно проекту в программной среде сквозной разработки Delta Design создаётся принципиальная схема устройства. На её основе компонуются элементы на печатной плате и формируется разводка методом трассировки с учётом заданных ограничений и начальных данных. Затем создаётся информационный документ в виде многослойного двумерного параметрического документа типа чертёж со спецификацией и техническими требованиями.
Информационная модель содержит в себе полный перечень используемых элементов, типов связей между ними и описание геометрического расположения разводки на каждом слое платы. Данная информация передаётся через нейтральный формат IDF (де-факто стандарт обмена данными в отрасли) в систему геометрического моделирования «КОМПАС-3D» с помощью конвертера ECAD – «Компас». По полученным данным создаётся трёхмерная геометрическая модель печатной платы с расставленными на ней элементами для оценки компоновки блока оборудования. На выходе получается сборочный документ и установленный комплект рабочей документации. Полученная трёхмерная модель передаётся в ПК FlowVision, в котором выполняется численное моделирование заданных расчётных случаев для оценки тепловых режимов работы аппаратуры.
Работа всей цепочки основывается на наличии мастер-данных и справочнике элементов (в том числе с учётом утверждённого перечня), в котором для каждого этапа представляются сведения в нужном виде и объёме: физические, механические свойства материалов элементов; вольт-амперные, габаритные характеристики; параметры тепловыделения и прочее (см. рис. 4). В описываемом проекте ввиду отсутствия утверждённого отраслевого справочника применялся тестовый набор данных, созданный авторами и включающий в себя базу CAD-моделей используемых в проекте элементов, спецификацию элементов на плате в формате Excel с указанием величины рассеиваемой тепловой мощности и IDF-файл.
Проект FlowVision создаётся на базе одного файла геометрической модели или на базе списка файлов – автоматического пакетного импорта файлов, что позволяет автоматизировать процесс создания расчётной геометрической модели. Геометрия имеет сеточное поверхностное представление, состоящее из треугольной сетки, построенной на основе CAD-модели, полученной из популярных геометрических форматов CATIA, UG NX, Creo, Inventor, SolidWorks, SolidEdge, STEP, IGES, WRML, STL, MESH и прочих.
При использовании геометрической сборки допускаются следующие геометрические вариации в зависимости от того, моделируется или нет теплопередача внутри элементов и платы и нужно ли менять положение элементов на плате в процессе работы:
- непосредственный контакт деталей с общей контактной поверхностью платы;
- пересечение элементов и платы;
- наличие зазора между элементами и платой.
В последнем случае используется упрощённая модель зазора, которая позволяет управлять характеристиками гидравлического и теплового сопротивлений, предоставляя возможность моделировать различные случаи расположения элементов на плате: крепление с помощью термоклея (термопасты), размещение непосредственно на плате или с воздушным зазором. В модели используются аналитическиие зависимости, что позволяет разрешать зазор без помощи подробной расчётной сетки. Это значительно снижает объём расчётной сетки, время решения задачи и привлекаемые вычислительные мощности, а также позволяет гибко решать оптимизационные задачи по замене, смещению элементов на платах с продолжением текущего расчёта.
Перемещение элементов на плате возможно в ручном и автоматическом режимах с помощью написанных самим пользователем процедур или профессиональных пакетов многокритериальной параметрической оптимизации. Свойства веществ могут задаваться вручную для каждого варианта расчёта либо выбираться из базы данных, пополняемой информацией о теплофизических свойствах новых веществ, либо принимать данные из внешнего источника.
Тепловыделение задаётся мощностью объёмных (Вт/м3) и поверхностных (Вт/м2) источников. Их количество определяется постановкой задачи и может меняться в процессе расчёта. При решении нестационарных задач тепловыделение можно задавать функцией от времени или условий работы устройства (например, отключение источников при достижении критической температуры на плате).
На рисунке 5 представлена плата с отмеченными на ней тепловыделяющими компонентами: резистором, реле, конденсаторами и блоком питания, внутри которого формируется замкнутая воздушная расчётная подобласть.
В воздушной среде решаются трёхмерные уравнения Навье-Стокса с учётом гравитационной силы и уравнение энергии. При моделировании учитывается сопряжённый теплообмен между блоком питания, резистором, реле и окружающим воздухом с заданием соответствующих объёмных источников тепловыделения внутри каждого элемента и указанием теплопроводящих и теплоёмкостных свойств материалов. Тепловыделение с поверхности конденсаторов задаётся равномерным. Другие стенки корпуса принимаются как адиабатические. На них задаётся теплообмен с окружающей средой посредством указания температуры этой среды и коэффициента теплоотдачи между корпусом и средой.
При моделировании производится автоматическое построение прямоугольной, динамически адаптируемой расчётной сетки по задаваемой функции размера ячейки. Для более точной аппроксимации сложных поверхностей и разрешения высоких градиентов рассчитываемых величин вокруг всех элементов платы с помощью инструмента адаптивного локального измельчения сетки строится более подробная сетка (см. рис. 6).
На рисунках 7 и 8 отображены трёхмерное распределение линий тока потока воздуха, которые имеют разные цвета в зависимости от температуры, и температура элементов платы.
В результате очередного этапа моделирования выявились плохая рециркуляция воздуха внутри корпуса и между элементами платы, а также высокие значения температур компонентов платы и воздуха, что свидетельствовало о недостаточном охлаждении и непригодности схемы данного устройства, а также об отсутствии учёта лучистого теплообмена. Использование модели излучения на следующем этапе позволило получить более точные характеристики теплообмена и оценить вклад различных его видов в работу изделия.
Для улучшения циркуляции воздуха в корпусе устройства был создан в ПК «КОМПАС-3D» и импортирован в FlowVision трёхмерный геометрический объект как одна сборочная 3D-модель вентиляционной щели. Модификаторы геометрий позволили продолжить предыдущий расчёт и размножить щелевые элементы. Названные ПК при решении практической задачи продемонстрировали гибкость, недоступную при натурной отработке, и дали возможность изменить конструкцию корпуса блока, чтобы усовершенствовать процесс его вентилирования.
Внесение вентиляционных отверстий в конструкцию корпуса улучшило рециркуляцию воздуха и в сумме с учётом лучистого теплообмена позволило снизить температуру всех компонентов платы до требуемого уровня. Результаты моделирования теплового расчёта с учетом лучистого теплообмена и использования нового корпуса с вентиляционными отверстиями представлены на рисунках 9 и 10.
Дальнейшее совершенствование про-граммных средств моделирования состоит в подключении прочих уравнений физических процессов, учитываемых при разработке плат и блоков аппаратуры, например электромагнитных полей для оценки электромагнитной совместимости элементов. При наличии описания всех\ характеристик элементов станет возможным создание полностью связанной постановки, где на основе теплового и электромагнитного анализа будут определены реальные вольт-амперные характеристики элементов на плате и характеристики платы в целом с дальнейшим уточнением тепловых режимов. Все необходимые средства численного моделирования физических процессов для этого уже реализованы и на сегодняшний день стоит организационный вопрос о создании и поддержании в актуальном состоянии отраслевой стандартизованной базы элементов, а также стандартных отраслевых протоколов обмена данными между описываемыми в статье ПК для функционирования отечественного интегрированного программного решения. Это позволит снять зависимость от западных вендоров, а также начать совершенствование собственных программных решений в том направлении, которое в первую очередь интересует отечественные предприятия и науку.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
