Информационно-измерительная система исследования теплообмена проводящих слоев печатного узла Рыбаков Илья Михайлович

Введение к работе

Актуальность проблемы. В современной ракетно-космической технике (РКТ) не теряет актуальности проблема улучшения массогабаритных характеристик радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а условия ее эксплуатации на сегодняшних РКТ характеризуются значительными механическими перегрузками и воздействиями изменения температуры окружающей среды в широких пределах. При этом реализация методов защиты РЭА от тепловых воздействий должна отвечать требованию минимизации масс, обеспечивающему возможность сокращения энергетических потерь на выведение космического аппарата на орбиту.

В условиях необходимости постоянного повышения конкурентоспособности РЭА производство ее неотъемлемой части – печатных плат (ПП) – является динамично развивающейся областью науки и техники. При этом необходимы постоянный контроль, управление температурным режимом РЭА, получение достоверной информации о температурных режимах (температурах перегрева) радиоэлектронных компонентов. Вследствие чего возникает задача снижения температурной погрешности информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) для выявления критически нестабильных элементов РЭА и выработки новых технологических приемов отвода тепла от РЭА РКТ. В большинстве случаев для охлаждения теплонагруженных компонентов РЭА применяют теплоотводы в виде радиаторов, которые имеют значительные массогабаритные характеристики, поэтому решение проблемы снижения массогабаритных характеристик путем замены радиатора медным слоем ПП, занимающим аналогичную, а в отдельных случаях меньшую площадь печатного узла (ПУ), является важной задачей.

Однако существующие ИИУС не позволяют исследовать ПУ в части влияния на его тепловой режим топологии печатных проводников, также существующие методики не позволяют учесть металлизированные слои ПП как элементы системы охлаждения.

Таким образом, актуальной задачей является совершенствование сложных информационно-измерительных и управляющих систем, выявление критически нестабильных элементов радиоэлектронной аппаратуры, снижение температурной погрешности и исследование потенциальных возможностей технологических приемов отвода тепла за счет топологии проводящих слоев печатной платы.

Проблемами создания современных ИИУС занимались Е. А. Ломтев, Е. А. Мокров, А. И. Мартяшин, В. А. Грановский, Л. Ф. Куликовский, В. С. Мелентьев, В. М. Шляндин, Э. И. Цветков и др.

Основными представителями отечественной научной школы анализа и расчета тепловых режимов РЭА являются Е. Н. Маквецов, А. М. Тартаков-ский, Г. Н. Дульнев, Л. Л. Роткоп, А. В. Долматов, Р. Л. Желтов, В. М. Кирпи-

чев, А. В. Лисицын, Ю. Н. Кофанов, А. Г. Мадера, А. С. Шалумов, А. В. Сарафанов и др., в работах которых предлагается множество методик и способов теплового расчета для РЭА.

Целью диссертационной работы является совершенствование информационно-измерительных и управляющих систем, выявление критически нестабильных элементов радиоэлектронной аппаратуры, снижение температурной погрешности и исследование потенциальных возможностей технологических приемов отвода тепла за счет топологии проводящих слоев печатной платы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. провести анализ методов и средств расчета критических режимов работы элементов РЭА для снижения температурной погрешности ИИУС;

2. провести анализ моделей тепловых процессов теплообмена проводящих слоев печатных узлов для выявления критически нестабильных элементов РЭА и снижения температурной погрешности ИИУС;

3. разработать рекомендации для корректировки алгоритма работы ИИУС выявления критичных к температуре элементов ПУ с учетом теплопроводности проводящих слоев;

4. разработать структурную схему ИИУС выявления критически нестабильных элементов РЭА для снижения температурной погрешности исследуемой системы;

5. внедрить уточненную математическую модель влияния проводящих слоев на тепловой режим печатных узлов в ИИУС для снижения температурной погрешности;

6. разработать методику использования топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охлаждения, позволяющую увеличить отвод теплового потока от критичных к температуре элементов РЭА;

7) внедрить результаты исследований в виде методики использования
топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охла
ждения для снижения температурной погрешности ИИУС, а также пакет при
кладных программ теплового расчета печатных узлов для выявления критиче
ских к температуре элементов РЭА.

Методы исследования для решения поставленных задач в работе использованы методы объектно ориентированного проектирования информационно-измерительных и управляющих систем и теории баз данных, методы, основанные на использовании теории теплопроводности, методы математического моделирования, теории измерений и статистической обработки данных.

Научная новизна работы заключаются в следующем:

1. Разработан алгоритм функционирования ИИУС исследования теплообмена печатных узлов, отличающийся учетом влияния теплопроводности проводящих слоев печатной платы на основе уточненной математической мо-4

дели, что позволяет выявлять критические к температуре элементы и сокращать время проектирования топологии печатных узлов на ранних стадиях жизненного цикла РЭА (специальность 05.11.16 п. 3).

2. Разработана структура ИИУС исследования теплообмена проводящих слоев печатных узлов, отличающаяся совместным применением как контактных, так и бесконтактных способов измерения тепловых полей печатного узла, а также базы данных и узла сравнения, что позволяет снизить температурную погрешность и сократить время анализа результатов (специальность 05.11.16 п. 6).

3. Уточнена математическая модель оценки влияния проводящих слоев на тепловой режим печатных узлов в зависимости от плотности их расположения на печатной плате, что позволяет повысить точность прогнозирования тепловых режимов печатных узлов для снижения температурной погрешности ИИУС (специальность 05.11.14 п. 1).

4. Разработана методика использования топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охлаждения, позволяющая увеличить отвод теплового потока от критических к температуре элементов РЭА (специальность 05.11.14 п. 7).

Практическая значимость исследования. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты позволяют путем внедрения четы-рехканальной ИИУС исследования теплообмена проводящих слоев снизить температурную погрешность ИИУС и повысить точность определения параметров тепловых полей печатного узла на 15 % (специальность 05.11.16 п. 3, п. 6). Использование проводящих слоев печатной платы как элемента системы охлаждения позволяет увеличить отвод теплового потока до 5 % и обеспечивает снижение массогабаритных характеристик РЭА (специальность 05.11.14 п. 1, п.7). Разработанный пакет прикладных программ позволяет автоматически рассчитать и выбрать тепловой режим работы ПУ, что на ранних стадиях разработки сокращает время проектирования в 2 раза.

Положения, выносимые на защиту:

1. Рекомендации для корректировки алгоритма работы ИИУС выявления критических к температуре элементов ПУ с учетом теплопроводности проводящих слоев.

2. Структурная схема ИИУС выявления критически нестабильных элементов РЭА для снижения температурной погрешности исследуемой системы.

3. Уточненная математическая модель влияния проводящих слоев на тепловой режим печатных узлов в ИИУС для снижения температурной погрешности.

4. Методика использования топологии проводящих слоев печатной платы как элементов системы охлаждения, позволяющая увеличить отвод теплового потока от критических к температуре элементов РЭА.

5. Реализация лабораторного стенда ИИУС исследования печатных узлов, а также внедрение алгоритма и методики, учитывающих теплопроводность проводящих слоев для выявления критически нестабильных элементов РЭА и снижения температурной погрешности исследуемой системы.

Реализация и внедрение результатов работы:

5. Выбранная тема исследований является частью научной работы, которая проводится на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» в рамках научно-исследовательской работы «Информационные технологии анализа конструкций радиоэлектронных средств при воздействии внешних факторов», регистрационный номер № 8.389.2014/K, выполняемой по государственному заданию Минобрнауки России.

6. Результаты работы внедрены в производство АО «НИИФИ» и АО «НИИЭМП» в виде рекомендаций по оптимизации процессов контроля качества печатных плат, наладки технологического оборудования и выявления отклонений в технологических процессах.

7. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» при проведении лекционных и практических занятий по дисциплине «Защита радиоэлектронных средств от внешних воздействий».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования обсуждались и докладывались на: Conference Series – 2017 (Journal of Physics), симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2009– 2017 гг.); всероссийской научно-технической конференции «Электропитание-2016»; конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е. В. Арменского (г. Москва, 2015 г.), а также на научно-практических конференциях 2015 г. в г. София, (Болгария, 2015 г.) и г. Шеффилд (Великобритания, 2015 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе две статьи – в Scopus, три – в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК при Минобрнауки России, получено три свидетельства о регистрации программ ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, заключения, списка литературы, включающего 95 наименований, и четырех приложений. Основная часть изложена на 110 страницах, содержит 49 рисунков и 7 таблиц.

Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, разработке программ обеспечения натурного эксперимента, получении и анализе результатов.