Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задачи обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры на базе печатных узлов при тепловых воздействиях 15
1.1. Необходимость учета тепловых режимов работы РЭА на ранних стадиях проектирования 15
1.2. Актуальность оценки надежности ПУ при анализе тепловых процессов в РЭА 19
1.3. Анализ основных показателей тепловой устойчивости ПУ РЭА при тепловых воздействиях 26
1.3.1. Вероятность отказа ПУ из-за перегрева 27
1.3.2. Поля тепловой нестабильности выходных электрических характеристик ПУ РЭА 30
1.3.3. Коэффициент тепловой нагрузки ПУ РЭА 33
1.4. Постановка задачи обеспечения тепловой устойчивости ПУ РЭА 35
1.5. Выводы 41
Глава 2. Теоретическая разработка метода повышения надежности конструкций на базе печатных узлов при тепловых воздействиях 43
2.1. Функциональная схема метода повышения надежности ПУ РЭА при тепловых воздействиях 43
2.2. Расчет тепловых режимов РЭА 52
2.2.1. Анализ методов расчета тепловых режимов РЭА 52
2.2.2. Метод моделирования тепловых процессов в РЭА на основе топологических моделей. 58
2.2.3. МТП печатных узлов РЭА , 70
2.3. Разработка алгоритма идентификации параметров модели тепловых процессов и оптимизации параметров элементов конструкции печатного узла 76
2.3.1. Постановка задач идентификации параметров модели тепловых процессов и параметрической оптимизации 76
2.3.2. Получение целевых функций и ограничений для задач параметрической оптимизации и идентификации параметров модели тепловых процессов в печатных узлах 82
2.3.3. Выбор метода оптимизации и разработка алгоритма 84
2.3.4. Получение функции параметрической чувствительности 91
2.4. Выводы 95
Глава 3. Разработка автоматизированной подсистемы обеспечения надежности печатных узлов при тепловых воздействиях в рамках программного комплекса асоника-тм 97
3.1. Порядок автоматизированного проектирования РЭА с печатными узлами 97
3.2. Разработка структуры интегрированной САПР для проектирования РЭА и определение в ней места подсистемы обеспечения надежности приборов при тепловых нагрузках 105
3.3, Разработка автоматизированной подсистемы проектирования теплоустойчивых приборов на базе ПУ в рамках программного комплекса АСОНИКА 113
3.3.1. Разработка структурной схемы , 113
3.3.2. Разработка информационной модели подсистемы обеспечения надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях 125
Глава 4. Повышение надежности приборов на базе пу на этапах конструкторской и технологической подготовки производства 130
4.1. Использование способа повышения надежности па этапе конструкторской подготовки производства 130
4.2. Применение метода и методики повышения надежности на этапе технологической подготовки производства . 145
4.2.1. Пайка волной припоя 146
4.2.2. Пайка инфракрасным излучением 148
4.3. Выводы 152
Глава 5. Практическое применение способа повышения надежности приборов на базе пу с учетом тепловых воздействий 153
5.1. Повышение надежности приборов на базе ПУ на этапе проектирования 153
5.2. Повышение надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях на
этапе изготовления (при различных видах пайки) 185
5.3.Основные этапы ТП приборов, на базе ПУ, надежность которых была повышена 188
5.4. Выводы 190
Заключение 191
Список литературы 193
Приложение 202
- Актуальность оценки надежности ПУ при анализе тепловых процессов в РЭА
- Разработка алгоритма идентификации параметров модели тепловых процессов и оптимизации параметров элементов конструкции печатного узла
- Разработка структуры интегрированной САПР для проектирования РЭА и определение в ней места подсистемы обеспечения надежности приборов при тепловых нагрузках
- Применение метода и методики повышения надежности на этапе технологической подготовки производства
Введение к работе
Как известно, одной из важнейших задач промышленного производства является выпуск продукции, обладающей высокой степенью надежности, т.е. способной выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.
Для радиоэлектронной промышленности вопрос выполнения требований надежности как нельзя более актуален, поскольку любое подобное изделие, как правило, состоит из большого числа функциональных элементов, и выход из строя хотя бы одного из них может привести как к отказу компонентов более высокого уровня иерархии конструкции, так и всего изделия в целом.
Принципиально основы надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) закладываются на этапе ее конструирования. Этот этап имеет определяющее значение для всего будущего изделия. Улучшить показатели надежности РЭА, заложенные в конструкции, невозможно ни в процессе ее изготовления, ни в процессе эксплуатации. Поэтому на этапе конструирования необходимо тщательно контролировать надежность создаваемого изделия и принимать меры для ее повышения.
Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показатели их надежности (в соответствии с уровнем развития техники) реально. Повышение уровня надежности РЭА достигается прежде всего устранением причин, вызывающей в ней отказы, т.е. сведением к минимуму (или полной ликвидации, если это возможно), конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.
Одним из факторов, определяющим надежность РЭА, является температура входящих в конструкцию элементов. Отклонение теплофизических и геометрических параметров конструкции, а также изменение режимов и условий работы элементов РЭА приводит к изменению температуры. В свою очередь, изменение температуры оказывает существенное влияние на происходящие в конструкции процессы (механические, электрические, аэродинамические и др.)).
Данная работа посвящена анализу тепловых процессов в печатных узлах (ПУ) и разработке метода и методики повышения надежности ПУ к тепловым воздействиям. Под ПУ будем понимать печатную плату (ПП) с расположенными на одной или обеих ее поверхностях электрорадиоэлементами, а также специальными конструктивными элементами (ребрами жесткости, теплостоками, тепловыми шинами, вентиляторами, радиаторами и др.).
ПУ входят в состав практически любой РЭА, поэтому полный тепловой анализ РЭА в конечном счете обязательно включает в себя анализ тепловых процессов в каждом входящем в состав РЭА ПУ. В настоящее время для анализа тепловых процессов в РЭА наибольшей популярностью пользуется метод электро-тепловой аналогии, суть которого сводится к представлению произвольной конструкции в виде совокупности узлов (температуры которых необходимо определить). При этом виды теплообмена, происходящие между двумя узлами, представляют в виде ветвей, каждая из которых обладает своим набором параметров, определяющих ее тепловую проводимость.
Данный метод позволяет абстрагироваться от конструкции РЭА и использовать единый математический аппарат для анализа элементов РЭА разного уровня иерархии (шкафы, блоки, стойки, печатные узлы, отдельные ЭРЭ).
В настоящее время в мире существует достаточно большое число программных средств, использующих для теплового анализа ПУ как вышеуказанный, так и другие методы.
Их можно разделить на 2 большие группы: универсальные; специализированные.
Из универсальных систем можно выделить такие системы, как ANSYS, MARK, NASTRAN, COSMOS и другие.
Однако, как и любые универсальные системы, они сложны в освоении, а следовательно при их использовании существенно возрастают затраты труда, времени и средств. Это и определяет низкую применяемость данных программных средств на ранних этапах проектирования, где для принятия решений необходимо проведение расчетов как можно в более короткие сроки.
Среди специализированных систем по анализу тепловых процессов в РЭА можно выделить как зарубежные (BETAso ft- System, FLOTHERM, AutoTherm, AutoFlow ), так и отечественные (АСОНИКА-ТМК, АСОНИКА-Т, ТРИАНА) разработки.
Основным недостатком зарубежных систем по сравнению с отечественными является отсутствие в них баз данных элементов, соответствующих российским стандартам.
В функциональном плане вышеуказанные системы в основном схожи и позволяют проводить тепловой анализ элементов конструкции РЭА любого уровня иерархии, в том числе и ПУ.
Более детально сравнительный анализ программных средств, как универсальных, так и специализированных, рассмотрен в первой главе диссертации.
Однако, существенным недостатком всех вышеописанных систем является слабая проработка (или полное отсутствие) в них средств и методик для оптимизации конструктивных и теплофизических параметров элементов РЭА и идентификации параметров моделей тепловых процессов с целью повышения надежности проектируемой РЭА и её устойчивости к тепловым воздействиям. Между тем, данная задача представляется крайне важной, поскольку:
1) проведенный анализ тепловых процессов в РЭА лишь позволяет с определенной степенью точности отразить картину распределения тепла в конструкции, при этом задача подбора параметров и изменение структуры конструкции с целью улучшения ее теплового режима полностью возлагается на опыт и интуицию разработчика, т.е. зависит от субъективного фактора. А если учесть, что процесс доработки конструкции является итерационным и, порой, основанным на частых испытаниях, то актуальность задачи автоматизированного подбора оптимальных параметров на ранних этапах проектирования становится очевидной;
2) очень часто в конструкцию требуется вносить новые элементы (вентиляторы, радиаторы, тепловые шины и др.), в связи с чем меняется тепловой режим работы изделия и встает задача его пересчета и подбора нового вектора оптимальных параметров;
3) задача идентификации параметров тепловых моделей также является очень важной, поскольку позволяет, зная расчетные и экспериментальные значения температур, подобрать элемент с такими параметрами, чтобы соблюдался заданный тепловой режим работы изделия.
Таким образом, на сегодняшний день актуальна разработка необходимого программного и методического обеспечения, позволяющего на ранних стадиях проектирования получать оптимальные значения параметров элементов РЭА и ПУ в частности, а также идентифицировать параметры тепловых моделей с целью повышения надежности проектируемых изделий и снижения временных и материальных затрат при их проектировании.
Следует заметить, что эффективность разработанного программного обеспечения и методики значительно повышается при их функционировании в рамках имеющегося специализированного программного комплекса, поскольку это позволяет:
1) Использовать при расчете имеющиеся модели тепловых процессов (МТП) из соответствующих библиотек.
2) Осуществлять подбор параметров элементов, используя единую базу данных.
3) Импортировать необходимые для расчета параметры из других подсистем программного комплекса и осуществлять экспорт полученных результатов.
Цель работы.
Исследование путей и разработка способа повышения надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий, основанного на методах оптимизации, а также методики его интеграции в конструкторско-технологическии цикл проектирования и изготовления приборов на базе ПУ.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Исследование методик расчета надежности конструкций приборов на базе ПУ с учетом тепловых воздействий и методов повышения надежности.
Разработка способа повышения надежности приборов на базе ПУ, с учетом тепловых воздействий, базирующегося на параметрической и структурной оптимизации геометрических и теплофизических параметров ПУ.
3. Разработка алгоритма идентификации теплофизических параметров печатных узлов.
Разработка программного комплекса для анализа надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий (в рамках системы АСОНИКА).
Разработка методики проектирования теплоустойчивых приборов на базе печатных узлов.
Исследование возможностей использования методов оптимизации для варьирования параметрами режимов технологических процессов, критичных к тепловым воздействиям (в частности, при пайке ЭРЭ) с целью повышения надежности на этапе изготовления приборов.
7. Систематизация современных методов изготовления высоконадежных приборов на базе печатных узлов.
8. Экспериментальная проверка разработанного метода повышения надежности.
Методы исследования.
В процессе решения поставленных задач использованы методы оптимизации, такие как метод Нелдера-Мида и метод золотого сечения, использованы принципы системного подхода, теории тепломассопереноса, объектно-ориентированного программирования.
Новые научные результаты.
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
1. Разработан способ повышения надежности приборов на основе печатных узлов при тепловых воздействиях, отличающийся от существующих тем, что базируется на оптимизации геометрических и теплофизических параметров элементов и идентификации параметров модели тепловых процессов в печатных узлах;
Разработана целевая функция, отличающаяся от существующих тем, что позволяет связать критерий оценки надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях с геометрическими и тепло физическими параметрами ПУ, которая может использоваться для решения задач повышения надежности ПУ на этапах проектирования и изготовления ПУ
Разработаны целевая функция и алгоритмы для решения обратной задачи - идентификации параметров элементов печатного узла при известном тепловом режиме его работы.
4. Разработана структура автоматизированной подсистемы проектирования печатных узлов с учетом тепловых воздействий, отличающаяся от существующих тем, что основана не только на эффективном способе расчета тепловых характеристик ПУ, но и на алгоритмах оптимизации и идентификации параметров печатного узла с точки зрения теории надежности, что позволяет: повысить точность расчета; повысить надежность проектируемого печатного узла и его стойкость к тепловым воздействиям.
Практическая полезность работы состоит в том, что разработанный способ повышения надежности приборов при тепловых воздействиях, основанный на методах оптимизации может быть эффективно применен не только на ранних стадиях проектирования, но и на стадиях изготовления приборов, критичных к температурному воздействию, в частности при пайке.
Способ позволяет подобрать такие параметры технологических процессов, при которых достигается максимальное значение надежности ПУ при соблюдении принятых ограничений на конструкторские и технологические параметры.
В результате работы также была проведена классификация и систематизация современных методов изготовления высоконадежных приборов на базе печатных узлов.
Реализация и внедрение результатов. 2. Разработанный метод повышения надежности приборов на основе печатных узлов при тепловых воздействиях, а также разработанные в рамках автоматизированной подсистемы расчета тепловых характеристик алгоритмы идентификации и оптимизации, были успешно применены в целом ряде расчетов, в частности для Раменского приборостроительного конструкторского бюро (РПКБ) (г. Раменское) при разработке бортовых цифровых вычислительных машин БЦВМ-486-2, БЦВМ-486-6, БЦВМ-900 и приборов БИУВК-1И, СУД-1, для НПО «Энергия» (г.Москва) при расчете телеметрической аппаратуры для космической промышленности, для конструкторского бюро информатики и гидроакустики (КБ ИГАС) «Волна» (г, Москва) при расчете печатных узлов стойки БНК-3, для особого конструкторского бюро Ижевского радиозавода (ОКБ ИРЗ) (г. Ижевск) при разработке узлов и блоков бортовой телеметрии, спутниковых навигационных систем и космических систем связи.
Имеются 3 акта внедрения:
ГУП КБ ИГАС «Волна» (г. Москва), ОКБИР (г. Ижевск), РПКБ (г. Раменское)
Апробация результатов работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях: на Всероссийской научно-технической конференции с участием международных специалистов "Высокие технологии в промышленности России" (Москва, ЦНИТИ «Техномаш», 2003г.), на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, Красноярский государственный технический университет (КГТУ), 2004г.); на международной научно-технической конференции "Системные проблемы качества, надежности, информационных и электронных технологий" (Сочи, 2004г., 2005г., организатор - Московский институт электроники и математики (МИЭМ)).
Публикации.
По материалам диссертационных исследований опубликовано 8 научных работ (без учета тезисов).
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы и приложения.
В главе 1: обосновывается необходимость учета тепловых режимов работы РЭА как на стадии проектирования, так и на стадии изготовления; 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 её проектирования; формулируется задача диссертационной работы - обеспечение надежности РЭА на базе ПУ при тепловых воздействиях, указываются основные этапы её решения; производится анализ современного состояния существующих программ-мных средств и методов моделирования тепловых процессов. На основе данных исследований обосновывается актуальность поставленной в диссертационной работе цели и задач.
В главе 2:
Раскрываются теоретические аспекты метода обеспечения тепловой устойчивости конструкций на базе ПУ к тепловым воздействиям, приводится функциональная схема рассматриваемого метода, а также подробно рассматриваются его основные этапы:
1. Получение тепловых характеристик несущей конструкции и радиоэлементов ПУ. При этом обосновывается выбор метод анализа -электротепловой аналогии.
3. Многокритериальная оптимизация геометрических и теплофизических параметров (ГТФП) элементов ПУ и идентификация параметров ветвей модели тепловых процессов (МТП) ПУ. При решении этой задачи подробно проработаны вопросы получения целевых функций и ограничений для идентификации и оптимизации, реализован дифференцированный подход при выборе метода оптимизации, в зависимости от вида решаемой задачи и условий, оговоренных в техническом задании, рассмотрены алгоритмы каждого из методов, а также отдельное внимание уделено вопросам расчета параметрической чувствительности элементов к температурным изменениям. В главе 3:
Проработаны вопросы построения подсистемы автоматизированного проектирования теплоустойчивой РЭА на базе ПУ. При этом разработка подсистемы ведется не обособленно, а в рамках автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА), которая, в свою очередь, базируется на технологии хранения и управления данными о РЭА {Product Data Management/PDM - технология), являющейся составной частью CALS- технологий.
Особое внимание уделено следующим вопросам: 1.созданию маршрута сквозного автоматизированного проектирования приборов на основе ПУ;
2,созданию на основании вышеуказанного маршрута схемы единой интегрированной САПР для проектирования РЭА, в рамках которой функционирует и подсистема анализа тепловых процессов ПУ РЭА; 3.формулированию понятия электронного (виртуального) макета, являющегося базовым понятием CALS - идеологии и построению структуры электронного макета печатного узла;
4.разработке подсистемы, реализующей метод обеспечения надежности ПУ при тепловых воздействиях и интегрированной в программный комплекс АСОНИКА (структурная схема, информационная модель, программная реализация).
В главе 4: 1. Проработаны вопросы использования способа повышения надежности приборов на базе печатных узлов на этапе конструкторской подготовки производства: разработан маршрут сквозного автоматизированного проектирования высоконадежных РЭА на базе печатных узлов соответствующий требованиям CALS - идеологии; разработана методика проектирования теплоустойчивых приборов на базе ПУ. Методика представлена в виде развернутого алгоритма, что исключает неоднозначность трактовки проектировщиком отдельных ее этапов; разработана методика использования способа повышения надежности на этапах технологической подготовки производства, связанных с повышенными температурами, частности при различных видах пайки (ручная пайка, пайка волной припоя, пайка инфра-красным нагревом);
В главе 5:
1. Уделено внимание практическому применению способа повышения надежности как на этапе проектирования, так и на этапе изготовления на примере следующих приборов: бортовой центральной вычислительной машины БЦВМ-386-6 (надежность прибора была повышена на 12 %), печатного узла модуля центрального процессора (МЦП-8) бортовой ЭВМ (БЦВМ-900) (надежность модуля МЦП-8 была повышена на 11% за счет варьирования теплофизических параметров и на 16% за счет применения радиатора) (для Раменского проектно-конструкторского бюро); блока цифровой обработки сигналов (для КБ ИГ АС «Волна») (надежность блока была повышена на 10 %).
Также были рассмотрены основные этапы технологических процессов изготовления приборов, надежность которых была повышена.
Кроме этого были приведены примеры использования способа повышения надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях при различных вариантах пайки (ручная, пайка волной припоя, пайка инфракрасным излучением)
ТюриноЙ О.И., Орлову А.В. за советы и помощь в работе.
Автор выражает благодарность проф. Шалумову А.С. за научное руководство в процессе работы над диссертацией и за постоянное внимание и направление моей научной деятельности. Автор признателен к.т.н. доцентам
Актуальность оценки надежности ПУ при анализе тепловых процессов в РЭА
Прежде чем говорить о создании метода повышения надежности проектируемых ПУ при тепловых воздействиях и о разработке на основе этого метода программной системы, реализующей данный метод практически, необходимо провести обзор существующих программных средств в области анализа тепловых режимов РЭА, дабы убедится в актуальности и практической необходимости разрабатываемого метода. Работу по созданию САПР в радиоэлектронике и приборостроении ведут многие зарубежные и отечественные фирмы. Наиболее известными зарубежными специализированными комплексами программ автоматизированного проектирования электронной аппаратуры являются: пакеты Blue Ridge Numeric, ESATAN, FLOTHERM 2.0, TMG Thermal Analysis и Electronic System Cooling (ESC), SINDA (Systems Improved Numerical Differencing Analyzer), SOL VIA, Thermal Analysis Kit HI (ТАК III), TAS (Thermal Analysis System), WinTherm, TRASYS (Thermal Radiation Analyzer System), BETAsoft-System. Все перечисленные программные продукты предназначены для анализа стационарных и нестационарных тепловых процессов в нетиповых конструкциях РЭС и печатных узлах. FLOTHERM — наиболее популярная в мире программа теплового анализа электронной аппаратуры, разработанная компанией Flomerics. FLOTHERM имеет мощный графический интерфейс, основанный на множестве динамически связанных окон для облегчения создания тепловой модели, ее описания и организации для повторного использования на более поздних стадиях проектирования. Программа вводит подход к управлению данными, используя как иерархическое представление структур данных в окне Менеджера Проекта (Project Manager), так и более обычные геометрические виды в окнах Описания геометрии платы и Визуализации (Drawing Board, Visualization). Через динамическое взаимодействие между этими окнами, пользователь получает доступ к широким функциональным возможностям, предназначенным для облегчения управлением данными в современных сложных задачах анализа. FLOTHERM предлагает множество средств через окно Описания геометрии платы, которые облегчают ввод геометрических параметров изделия: доступ ко всем данным объекта (геометрическим и тепловым); многократный выбор и редактирование; динамическое панорамирование, изменение масштаба изображения и вращение; выравнивание объектов; зеркальное отображение и копирование объектов; калибровка вентиляторов и радиаторов. Множество конструктивных элементов, используемых в электронных приборах, являются типовыми и определяются относительно малым числом параметров.
Например, радиатор мог бы быть описан размерами основания, числом и размерами ребер. Уменьшение количества вводимых данных сокращает время создания модели, и уменьшает вероятность ошибки. FLOTHERM содержит ряд типовых объектов, которые предназначены для быстрого создания тепловых моделей нетиповых конструкций. Пользователь вводит необходимые параметры и FLOTHERM генерирует требуемую модель. Типовые объекты используются в FLOTHERM для следующих конструкций: осевые вентиляторы; радиаторы; корпусы; печатные узлы. FLOTHERM позволяет моделировать стационарные и нестационарные тепловые и аэродинамические процессы в РЭС. Программа выполняет полное трехмерное решение уравнений Навье-Стокса, которые описывают процессы теплопередачи и течения жидкости. При этом учитываются следующие эффекты: неоднородная тепловая проводимость по различным осям координат; конвекция (естественная и вынужденная); тепловое излучение; воздушная вязкость; турбулентность; эффекты плавучести. Моделирование основано на методе конечных элементов. При этом изделие автоматически разбивается на элементы с использованием высокоэффективной сетки, которая позволяет проводить анализ с большой скоростью и с малыми затратами памяти. Программа также автоматически вычисляет коэффициент облученности для выбранных поверхностей, принимая во внимание многократное отражение между поверхностями, частичное или полное затенение.
Разработка алгоритма идентификации параметров модели тепловых процессов и оптимизации параметров элементов конструкции печатного узла
Как известно, важной проблемой построения моделей вообще и моделей тепловых процессов в частности, является степень адекватности отражения в ней важнейших особенностей проектируемого изделия. Адекватность МТП ПУ поведению реального объекта в реальных условиях эксплуатации определяет точность расчета ТР ПУ, эксплуатационные качества, надежность ПУ, и т.д.
При построении МТП какого-либо радиоэлемента, совокупности элементов, всего ПУ необходимо решать две задачи: определение структуры модели; определение параметров ветвей модели.
Структура модели определяется из физической теории теплообмена, положенной в основу объяснений рассматриваемых физических процессов в радиоэлементе, совокупности элементов или всего ПУ. При построении МТП производится идеализация конструкции и протекающих в ней процессов переноса тепла, т.е. выявление наиболее существенных черт конструкции ПУ и протекающих в нем физических процессов. Таким образом, модель всегда отражает протекающие в ПУ процессы приближенно.
Выражения для параметров ветвей МТП определяются на основании обработки экспериментальных данных с помощью теории подобия. Они могут применяться для различных условий теплообмена. При наличии экспериментального материала поведения объекта, для которого обрабатывается МТП, в более узкой области условий теплообмена возможно уточнение этих формул, следовательно уточнение МТП этого объекта для данных условий. Для этого необходимо изменить параметры ветвей МТП с целью приближения расчетных характеристик, полученных по этой модели, к экспериментальным характеристикам, полученным предварительно в результате тепловых испытаний. Эта задача идентификации модели, т.е. оптимальной настройки модели путем изменения ее параметров с целью достижения максимальной адекватности модели и реального объекта.
Другой задачей, связанной с расчетом ТР по МТП, является задача выбора такой структуры конструкции и определение таких геометрических и тепло физических параметров элементов конструкции, чтобы был обеспечен требуемый тепловой режим ПУ.
При этом задача должна быть решена так, чтобы конструкция ПУ была в определенном смысле оптимальной для данных условий.
Решение задачи структурной оптимизации конструкции ПУ трудно формализовать и алгоритмизировать. Этот этап является наиболее творческим. Он решается в настоящее время на основании интуиции и опыта разработчика конструкции ПУ, на основании анализа им существующих конструктивных исполнений ПУ. Однако и здесь ЭВМ можно эффективно использовать для просчета тепловых режимов ПУ при различных вариантах ее конструкции и выбора лучшего варианта конструкции по тепловому режиму. Кроме этого можно выделять ряд полезных функций, которые значительно уменьшают затраты труда, времени и средств при итерационном процессе проектирования теплоустойчивых конструкций на базе ПУ и значительно помогают разработчику в принятии решения по структурному изменению ПУ. Следует подчеркнуть, что всеми ниже перечисленными возможностями обладает система АСОНИКА-ТМ . Те из них, которые были реализованы в рамках данной диссертационной работы, обозначены символом (Исходный код программной реализации приведен в приложении). Наличие интерфейса с наиболее распространенными CAD-системами, что позволяет вносить изменения в структуру конструкции ПУ специализированными средствами проектирования, а затем экспортировать схемы размещения в систему расчета тепловых характеристик. Наличие внутреннего графического редактора, и простых и удобных интерфейсов для ввода ГТФП ПУ. Наличие библиотек материалов, ЭРЭ, типовых ветвей, что значительно ускоряет процесс построения и корректировки МТП ПУ. Наличие надежного и эффективного модуля расчета тепловых характеристик РЭА ( ). Наличие развитого постпроцессора, позволяющего представлять результаты расчета в удобном и понятном для пользователя виде, чтобы помочь, а по возможности и указать ему верный путь изменения конструкции. Наличие средств параметрической оптимизации ГТФП ( ). Поскольку в качестве варьируемых параметров могут быть выбраны геометрические параметры радиоэлементов и несущей конструкции ПУ, то при наложение соответствующих ограничений на целевую функцию, параметрическая оптимизация может быть сведена к структурной.
Однако, по последнему пункту стоит сделать важное замечание: дело в том, что методы нелинейного программирования, положенные в основу параметрической оптимизации, имеют ограничения по числу варьируемых параметров, поэтому их применение для структурной оптимизации как правило, малоэффективно.
Разработка структуры интегрированной САПР для проектирования РЭА и определение в ней места подсистемы обеспечения надежности приборов при тепловых нагрузках
Рассмотренный в предыдущем разделе маршрут сквозного автоматизированного проектирования РЭС, а также различные модели и методические аспекты разработки печатных узлов служат основой для рассмотрения основных положений методологии проектирования печатных узлов в рамках С4-технологий. Описанный маршрут - это непрерывная информационная поддержка жизненного цикла РЭС, которая базируется на стандартизации методов представления данных на каждой стадии жизненного цикла и на безбумажном электронном обмене данными. Данный маршрут определяет набор правил, регламентов и стандартов, в соответствии с которыми строится информационное («электронное») взаимодействие участников процессов проектирования, производства, испытаний и эксплуатации. Он служит основой виртуальных предприятий.
Конструкторские данные об изделии, получаемые средствами CAD-систем позволяют решать ряд задач производственной сферы, материально-технического снабжения, сбыта, технического обслуживания и т.д. В настоящее время, несмотря на широкое применение компьютерных технологий в процессе проектирования радиоэлектронных средств, преимущества электронного представления информации в полной мере не используются. Получаемые С4 -системами данные до сих пор, как правило, переводятся на бумажный носитель. Одной из основных причин такой ситуации является сложность интеграции информационных потоков, поступающих от различных процессов разработки РЭС, их испытаний и т.п.
Одной из основополагающих частей CALS - идеологии является технология хранения и управления данными о продукте {Product Data Management t PDM - технология Г), которая позволяет решить указанные выше проблемы путем использования стандартизованного интегрированного описания изделия, которое, в свою очередь, базируется на стандарте ISO 10303 STEP (ГОСТ P ИСО 10303 - 1 - 99 ). Стандарт STEP регламентирует логическую структуру базы данных, номенклатуру информационных объектов, хранимых в базе данных, их связь и атрибуты. В конечном итоге интегрированное электронное описание изделия - это набор данных различного типа, получаемых в ходе проектирования известными способами, а затем преобразованных в стандартизированный вид для решения задач последующих этапов жизненного цикла изделий. Например, конструкторское электронное описание изделия в соответствии с концепцией стандарта STEP должно содержать структуру и вариант конфигурации изделия (изделие может иметь различные версии), геометрические модели и чертежи, свойства и характеристики составных частей и др. Процесс проектирования, производства и сборки многослойных печатных плат регламентируется 220-й частью стандарта ISO 10303 STEP (ISO 1033 STEP I Part 220: process planning, manufacture and assembly of layered electronic products ), которая называется в CALS - технологиях «протоколом применения».
Части стандарта STEP, как отмечалось выше, регламентируют логическую структуру электронной базы, но не определяют вопросы взаимодействия различных CAD - систем, осуществляющих функции наполнения, распространения и физического хранения данных в процессе проектных исследований, выполняемых, например, на ранних этапах разработки изделия (эскизный проект). На указанных этапах, в соответствии с рассмотренным в первой главе маршрутом сквозного автоматизированного проектирования РЭС, с использованием известной методики моделирования физических процессов с помощью системы «АСОНИКА» необходимо выполнить набор проектных процедур средствами CAD-снстш. При этом методология таких исследований должна интегрироваться с принципами CALS-техпопотий.
На рис.3.2 приведена возможная схема структурного построения интегрированной САПР для проектирования печатных узлов. При изображении схемы использовались следующие обозначения: Ти -наработка ПУ на отказ; РЗРЗ-мощности ЭРЭ; p3P3{t)-вероятности безотказной работы ЭРЭ; Т„-температурное поле НК; Тэ -температуры ЭРЭ; Тт -термограммы ПУ, полученные тепловизором; 5и. -погрешности измерительных приборов; A3(f)-виброускорение ЭРЭ на определенных частотах / Рассмотрим приведенную схему подробней.
Основную часть САПР составляют традиционные элементы -управляющая оболочка, набор программных средств, используемых в процессе разработки печатных узлов. Отдельные программные средства взаимодействуют между собой посредством двухсторонних конверторов (К; - К„). При этом в составе САПР предусматривается наличие интегрированных баз данных по электрорадиоэлементам и материалам для формирования и объединения, в которых также используются конверторы (программные интерфейсы).
В процессе реализации сквозных автоматизированных маршрутов проектирования печатных узлов перед их разработчиками встают проблемы по реализации эвристических процедур, требующих разрешения противоречивых проектных ситуаций, связанных: с задачами топологического проектирования ПУ; с задачами, по обеспечению электрических, тепловых, электромагнитных, механических и надежностных характеристик ПУ; с задачами требующих совместного решения в области, как топологического проектирования, так и моделирования разнородных физических процессов, протекающих в ПУ. Для решения указанных проблем в состав интегрированной САПР включена экспертная система. Экспертная система, используя известные решения и/или их комбинации, а также результаты проектирования, формализованные в обменной структуре, позволяет посредством набора баз знаний выполнять ряд эвристических процедур.
Применение метода и методики повышения надежности на этапе технологической подготовки производства
Как известно, надежность приборов закладывается не только на этапе конструкторской подготовки производства, но и на стадии изготовления. Надежность приборов на базе ПУ определяется, главным образом, надежностью самих печатных узлов. Это касается и теплостойкости: надежность приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях зависит от теплостойкости входящих в его состав печатных узлов. Можно выделить следующие основные этапы изготовления приборов на базе ПУ: изготовление печатных плат (ПП); монтаж и крепление ЭРЭ на поверхность ПП; изготовление корпусных элементов приборов на базе ПУ; монтаж ПУ в корпусные элементы прибора; общий контроль; общие испытания. Качество выполнения каждого из этапов влияет на надежность прибора в целом. В контексте данной диссертации наибольший интерес представляют технологические процессы, протекающие при повышенных температурах. К ним, в частности, может быть отнесен процесс пайки ЭРЭ (причем ее различные виды). При этом актуальной становится следующая задача -используя описанный в главе 2.2 метод получения тепловых характеристик РЭА, математические модели процессов теплопередачи (п.п. 2.2.3), а также целевые функции 2.34 и 2.35, получить такие параметры процесса пайки, при которых будет выполнен тепловой режим пайки (не будет недопустимого перегрева ЭРЭ, приводящего к его выходу из строя) и в то же время будут соблюдены необходимые требования, предъявляемые к качеству паяемого соединения. Эти меры позволяют повысить технологическую надежность ПУ.
В процессе решения данной задачи, независимо от вида пайки, можно выделить 4 основных этапа: 1. выбор МТП для моделирования данного вида пайки; 2. создание списка граничных условий; 3. выбор варьируемых параметров; 4. задание прямых и функциональных ограничений. Говоря о моделировании процесса пайки, следует заметить, что для всех видов пайки этот процесс будет нестационарным, т.к. температура паяемого ЭРЭ и ПП будет изменяться. Рассмотрим решение данной задачи при различных видах пайки. Процесс пайки состоит в следующем: Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. С помощью сопла можно менять форму волны; в прежних конструкциях установок для пайки применялись симметричные волны. В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы "омега", Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется. Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя. Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как с конструкцией плат, так и с особенностями процесса пайки, а именно: непропаи и отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения выводов компонента другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными продуктами разложения флюса, мешающих дозировке припоя. Совершенствование конструкции платы оказалось недостаточным для достижения высокого уровня годных при традиционных способах изготовления изделий с простыми компонентами, монтируемыми на поверхность обратной стороны плат. Потребовалось изменить технологический процесс пайки волной, внедрив вторую волну припоя. Первая волна делается турбулентной и узкой, она исходит из сопла под большим давлением (рис. 4.4). Турбулентность и высокое давление потока припоя исключает формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью истечения. Вторая волна обладает очищающей способностью и устраняет перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей.
