Введение к работе
Актуальность темы, В современных электронных устройствах (СБИС специального и бытового назначения) проблема обеспечения теплового режима становится все более ощутимой и нерешаемой имеющимися методами. Поэтому решение задачи температурной стабилизации микроэлектронной аппаратуры (МЭА) может быть получено применением в качестве основы систем обеспечения тепловых режимов (СОТР) полупроводниковых термоэлектрических интенсификаторов теплопередачи (ТЭИТ), выгодно отличающихся от других и оптимально сочетающихся с МЭА по важнейшим энергетическим и массогабаритным показателям. Их преимуществом является возможность получать искусственный холод на основе эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента.
Однако, несмотря на значительный прогресс в теории термоэлектричества, электронные процессы в ТЭИТ применительно к функциям отвода тепла от сверхплотных микроэлектронных устройств мало изучены. Наблюдается отставание в практической реализации миниатюрных термоэлектрических устройств (ТЭУ) для МЭА.
С другой стороны, качественная разработка ТЭИТ и СОТР на их основе невозможна без широкого применения средств автоматизированного расчета, что требует развития соответствующих моделей и методов. В арсенале разработчика имеются в основном аналитические методы анализа, синтеза и оптимизации (без возможности учета недетерминированности физических параметров), требующие от разработчика глубоких знаний в области термоэлектричества, что не всегда выполнимо. Поэтому также актуальна разработка методик и математических моделей эвристического характера, образующих в совокупности автоматизированную экспертную систему (ЭС). Ее применение позволит физику или разработчику аккумулировать и использовать практический опыт в области термоэлектричества при принятии решений в выборе параметров энергетического режима ТЭИТ.
Таким образом, применение полупроводниковых ТЭУ для
-4-термостабилизации МЭА требует реализации новых вариантої
устройств и соответствующих методов автоматизации их расчетов.
Целью работы является разработка и экспериментальное исследованш новых вариантов устройств ТЭИТ с различными тепловыми схемами дш термостабилизации МЭА, их эвристических моделей и методик оптимизацдо теплофизических параметров.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Разработка новых вариантов устройств, тепловых схем и математических
моделей полупроводниковых ТЭИТ:
контактного типа с объектом теплового рассеивания в виде замкнутого объема или электронного компонента;
контактного типа для интенсификации теплопередачи и термостабилизации жидких хладоагентов (диффузантов).
-
Проведение экспериментальной проверки и сравнение эффективности методов термоэлектрического и естественного охлаждения на модели микроэлектронного гибридного интегрального функционального узла (ГИФУ). Цель сравнения в проверке адекватности математических моделей и эффективности разработанных устройств ТЭИТ.
-
Синтез математических моделей данных и знаний, полученных от квалифицированного эксперта в предметной области термоэлектричества и объединение их в автоматизированную ЭС с целью интеллектуальной поддержки физика-исследователя или разработчика.
-
Внедрение результатов исследований и разработок в учебные процессы кафедр, в научно-исследовательскую деятельность физических лабораторий вузов, на предприятиях электронной промышленности Республики Дагестан и Российской федерации.
Методы исследований. Научной базой проведенных исследований являются: физическая теория термоэлектрических явлений в полупроводниках, анизотропные тепловые модели навесных активных компонентов в интегральных схемах, математические модели данных и знаний из области искусственного интеллекта, теория множеств и графов, теория конечных автоматов, нечеткие модели для ЭС.
Научная новизна работы: 1. Впервые разработаны ТЭУ для термостабилизации широкого спектра
вариантов гибридных узлов микроэлектроники. Разработаны
теплофизические модели полупроводниковых ТЭИТ:
контактного типа с объектом теплового рассеивания в виде замкнутого объема или отдельного электронного компонента;
контактного типа для эффективной термостабилизации жидких хладоагентов (диффузантов).
-
Разработанные устройства отличаются от существующих на сегодняшний день аналогов более высокой эффективностью при миниатюрной реализации физических компонентов, что важно для МЭА высокой степени интеграции с мощными локальными тепловыми потоками.
-
Проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана адекватность разработанных математических моделей устройствам ТЭИТ в заданном диапазоне значений рассеиваемой мощности. Решена задача установления закономерности изменения массы и площади теплообменника на горячем спае ТЭУ соответственно при термоэлектрическом и естественном способах охлаждения МЭА. Решение позволяет учесть приближенность значений физических параметров. Получены количественные показатели эффективности разработанных устройств ТЭИТ, параметров их энергетических режимов в диапазоне исследованных значений рассеиваемых тепловых мощностей.
-
Предложенная эвристическая модель, интегрирующая расчетные параметры ТЭИТ и знания специалистов в области термоэлектричества предназначена для интеллектуальной поддержки физика-исследователя. Новизна модели, по отношению к алгоритмическим моделям, состоит в учете нечеткости и непредопределенности действий физика в выборе расчетных параметров при разработке отдельных устройств ТЭИТ. Это способствует снижению вероятности принятия физиком ошибочных решений, ведущих к отказам.
Практическая ценность работы:
-
Проведенные исследования и разработанные новые устройства ТЭИТ позволяют получать более устойчивые к дестабилизирующему влиянию тепла устройства микроэлектроники.
-
Полученные экспериментально результаты по сравнительному анализу эффективности методов принудительного (термоэлектрического) и естественного (конвективного) охлаждения узлов МЭА использованы как
информационное обеспечение экспертной системы, что создает
возможность ее эксплуатации на отраслевых предприятиях.
-
Предложенные эвристические модели и методики экспертного анализа интеллектуально поддерживают физика и позволяют получать оценку эффективности практических разработок ТЭИТ для термостабилизации МЭА.
-
Учет недетерминированности теплофизических параметров и их экспертная оценка в разработанных моделях и методиках позволяет повысить точность расчетов до 30 процентов.
-
Разработанные методики интеллектуальной поддержки универсальны и могут быть применены в иных предметных областях, где решение логически выводится из систем правил-продукций, при условии их настройки на соответствующую информационную среду.
На защиту выносятся следующие основные тезисы и положения диссертации:
1. Разработанные новые варианты устройств и математические модели
полупроводниковых ТЭИТ с тепловыми схемами:
контактного типа с объектом теплового рассеивания в виде замкнутого объема или электронного компонента;
контактного типа для интенсификации теплопередачи и термостабилизации жидких хладоагентов (диффузантов).
-
Методика экспериментального сравнительного анализа эффективности естественного и термоэлектрического способов отвода тепла в МЭА.
-
Математическая модель формализации и аккумуляции знаний квалифицированных экспертов в предметной области термоэлектричества. Методика оценки эффективности применения, и на этой основе, выбора (логического вывода) способа термостабилизации микроэлектронного узла.
-
Математическая модель процесса принятия решения при автоматизированном выборе варианта энергетического режима ТЭИТ и его физических параметров.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Межреспубликанская НТК по методам и средствам управления технологическими процессами, Саранск, 1989 г.; VI научно-технический
-7-
семинар "Математическое обеспечение систем с машинной
графикой", Махачкала, 1989 г.; Всесоюзная НТК по автоматизированным
системам обеспечения надежности РЭА, Львов, 1990 г.; Российская НТК по
системному анализу и принятию решений в задачах автоматизированного
обеспечения качества и надежности изделий приборостроения и
радиоэлектроники, Махачкала, 1991 г.; НТК профессорско-преподавательского
состава и студентов Дагестанского государственного технического
университета 1989-98гг.
Публикации по теме диссертации. Материалы, содержащие основные научные результаты, опубликованы в 9 печатных работах .
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения; текст изложен на 200 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 13 таблиц, список литературы, включающий 133 наименования, приложения и актов внедрения.
