автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация теплового проектирования микроэлектронных систем

Державний ушверситет "Льв1вська пол!техшка"

Г б ОД

1 9 СЕЙ ®

Федасюк Дмитро Васильович

>ДК 621.382+681.3

АВТОМАТИЗАЦШ ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТУ В АННЯ М1КРОЕЛЕКТРОННИХ СИСТЕМ

Спсщальшсть 05.13.12 - Системи автоматизацп проектувальних роб1т

АВТОРЕФЕРАТ днссртацп на здобуття наукового ступени доктора техшчних наук

Лынв - 2000

Дисертащею с рукопис.

Робота виконана на кафедр1 "Система автоматизованого проектування" Державного ушверситету "Льв1вська полггехшка" Мшстерства освгги i науки Укра1ни

Науковий консультант: доктор техшчних наук, професор,

заслужений Д1яч науки та техшки Укра'ши

Коваль Володимир Олександрович,

начальник управлшня МЫстерства закордонних справ

Украши

Офщшш опоненти:

доктор техшчних наук, професор, член кореспондент HAH УкраТни Мацевтий Юрш Михайлович,

директор 1нституту проблем машинобудування, м. Харюв

доктор техн1чних наук, професор Петренко Анатолш 1вапович,

завщувач кафедри "Системы автоматизацп проектування", Нацюнальний техшчний ушверситет Укра'ши "КГП", м. КиТв

доктор техшчних наук, доцент Овсяк Володимир Казимирович,

професор кафедри "Автоматизацп i комп'ютерних технолопй",

Укра'шська академ1я друкарства, м. Льв1в

Провдаа установа: 1нститут юбернетики iM. В.М. Глушкова HAH Укра'ши, м. КиТв.

Захист вщбудеться " 27 " червня 2000 р. о 14 годиш на засщанш спещагазовано! вчено! ради Д 35.052.05 при Державному ушверситет1 "Льв'шська пол'иехшка" за адресою 79646, м. Льв1в-13, вул. С.Бандери, 12

3 дисертащею можна ознайомитися в науково-техшчнш б1блютещ Державного ушверситету "Льв1вська пол1техшка" за адресою: 79646, м. Льв1в, вул. Професорська, 1.

Автореферат розюланий "<¿5'" травня 2000 р.

Вчений секретар спец1ал13овано\' вчено\' ради,

кандидаттехшчнихнаук,доцент^^^^^^С^ " ТкаченкоС.П.

, • , ,, ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсть паукопоГ проблем». Сучасш тенденцц зростання функцюнальноТ та конструктивно! складное™ мшроелектронних пристроУв (МЕП), зменшення масогабаритних показниюв I стр1мке шдвищення р1вня штеграци цифрових 1 аналогових ¡нтегральних схем збшыпують' питому густину тепловидЬення, яка часто досягае критичних значень. Тому процедура проектування МЕП повинна обов'язково включати в себе теплове моделювання, що в свою чергу вимагае розвитку теорп теплообмшу, метод! в 1 алгорит\пв високоточного математичного моделювання пронесли тепловидшення 1 теплообмшу в складних конструкциях твердотшьних, пбридних ¡нтегральних схем, багатокрйстальних модул!В, яга б дозволяли враховувати вплив як стацюнарност!, так \ нестацюнарност1 теплоелектричних процеав, не1зотропшсть теплообмшу, складш в математичному вщношенш крайов1 умови.

Необхщне створення програмних продукта, як1 би були сумюшми з ¡ншими програмними продуктами САПР МЕП, 1 в перспектив! створепия ¡нтегрованого середовища САПР, в якому синтез 1 ана1нз електричних схем здшснюеться ¡з'врахуванням теплових лроцеав.

Як показали проведен! експериментальш дослщження, ¡снук™ методи 1 програмш засоби теплового моделювання часто е недостатньо точними внаслщок значних спрощень пропеав теплообмшу при створенш теплових математичних моделей реалышх МЕП. До того ж з'являються нов1, бшын складншп конструкцп МЕП, серед них - з встановлеиими кристалами на жорстю виводи, для яких ще не розроблено ефективних математичних моделей процеав теплообмшу.

В1дом1 методи теплового моделювання МЕП характеризувалися тим, що при IX побудов1 було закладено низку спрощень та припущень, через яю не враховуються конструктивш елементи, що е суггевими в процеа теплообмшу. Через це результати теплового анапзу МЕП мають недостатшо точшсть I часто можуть значно В1др1знлтися вщ експериментальних даних.

Водночас вщом1 шни складтй математичш модел1 1 сшввишошення, що описують нестацюнарш теплов1 процеси, часто потребують за заданими вхщними даними додаткового налагодження 1 досл1дження для забезпечення в1ропдносп результатт розрахунюв, що е малоефективним 1 не вщповщае вимогам до систем автоматизованого теплового проектування.

Слщ зауважити, що конструкт!' МЕП (серед яких найпоширешшими е пбридш I нашвпровщников1 1С, м1крозбфки, багатокристальш модулО характеризуються величезною р1зноманшнстго за конструктивним виконанням, що ускладнюе розв'язання задач моделювання температурного поля.

БНдсутшсть теоретичних засад теплового моделювання МЕП р1зного конструктивно-технолопчного виконання обмежувало можливосп проектування нових пристроТв мшроелектронжи. Для вс^х цих задач, яю не мають ефективних розв'язань необхщна розробка нових метод'т 1 шдход1в, яы 1 знайшли виршення в данш дисертащь

Таким чином, у зв'язку з шдвищенням р1вня ¡нтеграцп, ускладненням вщомих та з появою нових конструкцш МЕП, з1 збшыиенням обсяпв проектних роб1т та зростанням часу на 1х проектування важливою 1 актуальною с науково-практична проблема пщвищення ефективност1 розв'язання низки задач, що виникають в процеа теплового проектування типових та складних конструкцш пбридних 1 нашвпровщникових 1С, багатокристальних модул1в, створенням на основ1 метод1в моделювання теплообмшу, обчислювально\' техшки 1 сучасних комп'ютерних технологш теоретично1 бази для розробки та реашзаци адаптивних, ефективних та точних математичних моделей, а також впровадження в процес автоматизованого проектування з застосуванням розроблених на Ух основ1 вщповщних систем для сучасних техшчних та програмних засоб1в САПР.

Зв'язок роботи з науковимн програмами, планами, темами. Дисертацшна робота безпосередньо пов'язана з планами наукових доапджень, що виконувалися по госпдогов1рнш та держбюджетшй тсматищ кафедри "Системи автоматизованого проектування" Державного ушверситету "Льв!вська пол1техшка", а саме:

1. Планом науково-дослщних робгг, що виконувалися в ГНДЛ 80 по тематищ теплового проектування (замовник НД1ВС м. Нижшй Новгород, РоЫя) з 1986 по 1993р. (тема 4424 "Розробка метод1в та програмного забезпечення розв'язання задач теплового i технолопчного моделювання в процеа наскр1зного автоматизованого проектування НЧ мкрозб1рок", реестрацшний номер 01870006843, термш виконання 1986-1990 р.);

2. Планом робгт по тем1 5552 "Розробка метод1в 1 програмного забезпечення для моделювання та анал1зу теплових режимов в нашвпровщникових 1С", ресстращйний номер иАО 100082211, замовник ВАТ "РОДОН", м. 1вано-Франк1вськ, 1992-1993 рис.

3. Планом робгг по тем! "ДБ/80 РТ" - "Моделювання температурних пол1в в конструкщях мшроелектронних пристроУв та технолопчному обладнанш при 1х виготовлешп", яка виконувалася в рамках прюритетного напрямку Мнпстерства осв1ти УкраУни 1 входила до координацшного плану "1нформатика 1 нов1 шформацшш технолопУ" за програмою №71 «Методи проектування 1 створення комп'ютеризованих систем 1 технологш» на 19981999 р.

4. Програмою М1жнародного наукового проекту ЕС COPERNICUS -THERMINIC С3940922 (New methods for THERMal INvestigation of Integrated Circuits), сшввиконавцями якого був науковий колектив кафедри "Системи автоматизованого проектування", TepMiH виконання - 1995-1998 piK.

. KpiM того, проведения дослщжень у рамках дано! дисертацп були шдтримаш Польським Нацюнальним Ком1тетом Наукових Досл1-джень, грант Техшчного ушверситету Лодз!, 1998 pix.

Мета i задач! дисертацшноУ роботи. Мета дисертацшноУ робота полягае в дослщженш i розробщ ефективних i адекватних математичних моделей стацюнарного i нестацюнарного тепловидшення i. теплообмшу в складних конструкщях - пбридних i твердотьчьних 1С, багатокристальних модулях з врахуванням умов функцюнування, створенш. на щй основ! програмних продукте ¡нтегрованих САПР i впровадження ix в процес автоматизованого теплового проектування. . -

Поставлена мета досягаеться виршенням таких задач:

1. Використовуючи HOBi методи, провести анал!з в1домих копструктивно-технолопчних проектних piuieHb мжроелектронних систем. На ocuoni результате аншпзу процеав теплообмшу ¡дентифжувати, i створити базош групп конструкцш та пристроУв з можливютю автоматизованого вибору для подальшого використання в побудов1 теплових та математичних моделей теплообмшу.

2. Розробити методолопю та теоретичш положения теплового проектування, як! забезиечують cyMicHicTb теплоелектричних та функцюнальпих характеристик м1кроелектронних пристроУв, сформулювати та л обгрунтувати принципи для розробки математичних моделей температурних noniB в конструкциях МЕП.

3. На основ! комплексного використання аналггичних, чисельних метод1в та теплоелектричноУ аналоп'У створити HOBi бьпьш T04Hi модел! i методи анал1зу стацюнарних i нестацюнарних теплових рсжнм1в в конструкщях МЕП та провести пор1вняльний анал!з з вщомими методиками розв'язання аналопчпих задач за точшстю та швидкод!ею.

4. Розробити алгоритми та програмно реашзувати методики теплового моделювання МЕП р1зного конструктивно технолопчного виконання.

5. Дослщити запропоноваш теплов1 модел1 на точшсть результат моделювання, оцшити вплив р1зних конструкщй МЕП та Ух параметр ¡в на розподш температурного поля. Оцшити ефектившсть застосування розроблених моделей та метод! в теплового проектування МЕП до пбридних 1С, однокристалыгих корпусованих та багатокристальних мжроелектронних модул ¡в. Пор1вняти власш результата теплового моделювання з

експериментальними даними 1 з результатами розрахунку шшими системами теплового моделювання за наявними науковими публкащями.

Методы дослгджень. Науков1 та практичш результата отримаш в процес1 теоретичних, модельних та експериментальних дослщжень. Теоретичш результати отримаш з допомогою метод1в математично'1 ф1зики, теорп теплообмшу, системного анашзу, теорп' обчислювальних метод1в та програмування.

Пор!вняльш модельш дослщження виконувалися з використанням ПК на створених за участю автора та вщомих системах теплового моделювання.

Достов!ршсть наукових положень 1 результатов забезпечуеться стропстю, коректшстю постановки задач та використаного математичного апарату, доведениям теоретичних дослщжень до розрахунку, а також пор!внянням результате моделювання на основ1 створених програмних систем з програмами-аналогами та експериментальними результатами.

Наукова новизна одержаних результате. В дисерташ1 обгрунтовано та розроблено нов1 шдходи до теплового моделювання, яю дозволяють ефективно виршувати задач1 теплового проектування сучасних та перспективних МЕП р1зното конструктивно-технолопчного виконання в вигляд! Г1С, твердотшьних 1С та багатокристальних модул ¡в з р1зними способами встановлення кристал1в на шдшарок 1 умовами функцюнування, а саме:

1. Обгрунтована 1 розроблена методолопя системного теплового проектування МЕП, що базуеться на комплексному анал1з1 температурного поля конструкцп, функщональному схемотсхшчному анал1з1 електронноТ схеми та багатор1вневому процесп прийняття р1шень, який включае перерозмадення елеметтв 1 компоненте, застосування додаткових схем термокомпенсацп 1 термостабшзаци, систем тепловдаоду в процесс автоматизованого проектування.

2. На основ1 анаштичного, чисельного метод1В та теплоелектрично1 аналоги виршено проблему моделювання температурних пол1в конструкцш МЕП р1зного конструктивно-технолопчного виконання: пбридних 1С, нашвпровщникових твердотшьних 1С та багатокристальних модушв, з р1зними способами встановлення кристашв на плату та умовами експлуатаци, що включае:

2.1) новий метод моделювання стащонарних температурних полш МЕП з кристалами 1С, що встановлеш на жоре™ виводи р1зних тишв з використанням вщомих способ1в тепловщводу з кристапу та шдкладки, який дозволяе враховувати неоднор1дшсть конструкцп, багатошаров1Сть кристала та шдкладки, поеднання рпних шлях 1 в тепловщводу;

2.2) математичну модель 1 новий метод розв'язання нестацюнарноУ задач 1 теплообмшу (анал13 стацюнарного температурного поля витжае як часткова

задача з нестащонарноУ модел! геплообмшу) на основ1 поеднання чисельного (сюнченних р1зниць) та анал!тичного (методу Фур'е) для багатошарових структур з плоскими та нав!сними елеменгами тепловидшення, за допомогою якого можна анагпзувати перехщш та ¡мпульсш теплов1 режими МЕП при внутршшх та зовшшшх теплових впливах;

2.3) методи анал1зу теплового режиму нашвпровщникових 1С, як1 базуються на моделях з зосередженими параметрами окремих шлях1в теплов1дводу, формал!зацп та аналкичному розв'язанш ф1зик0-математичн01 задач! теплообмшу в багатошаровш структур! з внутршшми плоскими ! об'емними джерелами тепла, а також спряженш задач! теплообмшу стержня з пластиною, що дае можливють анал!зувати та досл!джувати ефектившсть вс!х шлях1в теплов!дводу, вибирати для забезпечення теплового режиму оптимальш параметри конструкщУ корпуса та теплоф!зичн! характеристики матер1ал1в.

3. Розвинуто та досл!джено методи теплоелектричноУ аналог!!' для моделювання температурних пол!в врахуванням граничних умов, джерел тепловидшення для неоднородно!' складно!" конструкщУ МЕП. Дослужено повний та редукцшний п!дходи до побудови теплоелектричноУ схем». Для цього розроблено алгоритм синтезу повноУ теплоелектричноУ схеми для задано"! конструкц!!' пристрою.

4. Дослщжено процеси теплообм!ну в конструкц!ях багатокристальних модул!в та запропоновано методи Ух теплового моделювання, яю базуються на використанн! аналггичних та теплоелектричних метод!в ! моделей.

5. Побудован!, опти.\изоваш за обчислювальними ресурсами ! досл!джеш математичн! модел! та алгоритми теплового анатзу типових сучасних конструкц!й МЕП покривають вс! етапи проектування, що розширюе функц!ональн! можливост1 застосовуваних САПР мшроелектронних систем.

Практичне значения одержаних результате. Практична цшшсть дано!" роботи полягае у використанн! наукових результате для створення програмно!" системи теплового проектування МЕП, яка знаходить конкретне практичне застосування. Розроблено математичпе, лшгвютичне, ¡нформацшне та програмне забезпечення системи теплового проектування мшроелектронних пристроУв. На основ! проведених дослщжень програмно реал!зовано ряд комплекс!в програм МОНСТР, 5ТЕА, ТАРС. Ц! прикладн! системи теплового моделювання дозволять ¡статно скоротити витрати на дослщження теплових процес!в в МЕП, позбувшись проведения ф!зичних експериментальних дослщжень, зменшити терм!н проектування мшроелектронних систем, знизити загальн! матер!алып витрати за рахунок оптимального ! безнадлишкового теплов!дводу.

Отриман! математичнь модел! ! методи в!дзначаються ефективн!стю, точн!стю, ушверсальшстю, що визначае Ух велику нрактичну ц!нн!сть. Це

дозволило значно скоротити час на пщготовку даних та проведения обчислень на ЕОМ, охопити ва 1снуюч1 конструкци МЕП, в яких можна аншпзувати теплов1 режими.

Практичну цшшсть складають також програмш системи моделювання та анатзу температурних пол1в [ результата тестових дослщжень теплових режим1в МЕП, як1 характеризують вплив конструктивних та теплоф1зичних параметр1в МЕП на температурне поле.

На основ! проведених дослщжень автором розроблений курс лекцш, який впродовж трьох останшх роюв читаеться студентам Державного ушверситету "Льв1вська полкехнжа" за спефальшстю "1нформацшн! технологи проектування".

Особнстий внесок здобувача. Автором самостшно сформульоваш, обгрунтоваш та виршеш основш положения, як! складають суть дисертацп. У роботах, як1 опублковаш у сшвавторств'1, здобувачу належать: [2, 5] - формал1защя та аналв математично\' модел1 стацюнарних та нестащонарних температурних пол1в на основ! аналогичного методу Фур'е для конструкц!й Г1С;

[8, 11, 24, 32] - формал1защя та анал!з математично'1 модел! нестац!онарного теплообм!ну в конструкцш МЕП на основ1 чисельно-анал!тичного методу; [12, 15, 17, 31, 38] - розробка математичноТ модел! стац!онарного температурного поля МЕП з кристалами 1С, встановленими на жорстю виводи на пщшорок;

[13, 29] - розробка метод1в ! моделей для анашу теплових режимт нашвпровщникових 1С;

[27, 30]- розробка метод!в ! моделей для теплового моделювання багатокристальних модул ¡в;

[2, 5, 10] - розробка алгоритм1в математичного моделювання температурних пол1в в ьпкроелектронних пристроях;

[16, 35, 37] - розробка загальноТ методики чисельного дослщження математичних моделей ! метод ¡в теплового;

[2, 7, 14, 32] - методолопя системного теплового проектування мжроелектронних пристроив;

[2, 4, 18,41] - проведения дослщження точност! та зб1жност1 чисельних схем; [19, 36] - формал!защя та розв'язання задач! теплообмшу через виводи та друковану плату.

Промислов! досл!дження проводилися на шдприемствах електронно1 промисловостп НД1ВС (м. Нижнш Новгород), НВО Родон (м. 1вано-Франивськ).

Апробащя роботи. Основш теоретичш положения та практичн! рсзультати дисертацшноТ роботи допов!далися ! обговорювалися на наукових

семшарах кафедри Системи автоматизованого проектування (1990-1999) та науково-техшчних конференщях професорсько-викладацького складу Державного ушверситету "Льв1вська полггехшка" (1989-1998), на семшарах KOMicii шформатики i юбернетики Наукового Товариства ¡меш Т. Шевченка (1994, 1998), на науковому симпоз!ум1 "Сучасш проблеми в комп'ютерних науках Украши", лютий 2000р., а також м1жнародних конференшях: EDAC'93 Hamburg, Germany; EDTS'95 Paris France; Workshop THERMINIC'95, Grenobyl, France; Workshop THERMINIC'96 Budapest Hungary; 14th IEEE VLSITest Symposium 1996, Prinston, New Jersey, USA; Workshop THERMINIC'97 Cannes, France; Workshop THERMINIC'99 Roma Italy; MIXDES'95 Krakow, Poland; MIXDES'96 Lodz,. Poland; MIXDES'97 Poznan, Poland; MIXDES'98, Lodz Poland; MIXDES'99 Krakow, Poland; 3-i КПжнароднш науково-техшчнш конференцп "Математичне моделювання в електротехшщ, електрошщ та електроенергетищ" 25-30 жовтня 1999 року УкраТна, Льв1в; М1жнароднш науково-практичшй конференцп' досвщ розробки та застосування приладотехнолопчних САПР в м1кроелектрошщ (м. Льв1в, 1993, 1995, 1997, 1999); ГУПжнародних науково-техшчних конференщях "Сучасш проблеми автоматизованоТ розробки i виробництва радюелектронних засоб1в та шдготовки ¡нженерних кадр!в" (м. Льв1в, 1994, 1995, 1996, 1998).

Здобувач приймав безпосередню участь в розробш програмних систем, в експериментальних дос.адженнях, а також в розробш теспв для модельних експеримент1в, що виконувалися в рамках м1жнародного проекту Therminic.

Пуб;пкацп. За результатами дооиджень, як! викладеш в дисерташУ опубл1ковано 75 наукових праць, у числ1 яких 1 монограф1я, 1 навчальний поибник, 21 стаття в перюдичних наукових виданнях, 12 публжацш в зб1рниках праць м1жнародних конференцш, 15 тези доповщей на конференщях i семшарах. Список основних ¡з них наведено нижче.

Структура i обсяг роботн. Дисертацшна робота складасться ¡з вступу, п'яти роздшв, загальних висновкчв, списку використаних джерел i додатку. Загальний обсяг дисертащУ 325 сторшок машинописного тексту, в т.ч. 120рисункш, 32таблицц список використаних джерел складаеться з 259 б1бл1ограф!чних найменувань. Додаток мютить акти про впровадження результате роботи.

ОСНОВНИЙ 3MICT РОБОТИ

У ecmyni обгрунтовуеться актуальшсть науковоУ проблеми i теми дисертацшноУ роботи, сформульована мета i задачi роботи, методи дослщжень, наукова новизна, висвгглена практична цшшсть проведених науково-техшчних

дослщжень та отриманих результате. Наведено змкт 1 структуру роботи, даш про публШащУ, апробащю роботи 1 впровадження результате роботи.

У першому роздШ охарактеризовано основш положения та визначеш особливост1 задан теплового проектування МЕП, даеться анатз сучасного стану науковоУ проблеми. Показано, що проблема забезпечення теплоелектричних характеристик МЕП вимагае широкого комплексу заход!в дослщницького, системного, схемотехшчного, конструкторського та технолопчного характеру, а також вдосконалення принцишв та метод!в проектування з врахуванням можливостей моделювання та анал1зу теплових процеав в конструкфях. Виявлен! значш негативш впливи тепловидшення 1 високоУ температури на надшшсть та функцюнальн! характеристики МЕП за умов зростання р1вня ¡нтеграцн 1 пщвищення потужност1 тепловидшення спонукуе проектувальниюв шукати нов! сп.особи забезпечення теплових режим1в, застосовувати нов1 системи керування тепловими режимами.

Проведено системний анал1з МЕП як об'екта проектування з точки зору забезпечення теплоелектричних характеристик та теплових рсжим1в функщонування.

Запропонована схема процесу забезпечення теплоелектричноУ сумкносп параметр1в елсменпв та вихщних характеристик МЕП показана на рис. 1. Тут загальна задача забезпечення теплоелектричноУ сумюност! розбиваеться на низку бьчьш простих задач, яю можуть виршуватися в певши посл!довност1 [1, 34 ]. Сшльшш в цьому процеЫ стае аналкз ! прийняття проектного решения, що дозволяе частков1 задач! забезпечення теплоелектричноУ сумкност! параметр1в елеменпв та компоненте формулювати як задач! анал1зу та прийняття проектного ршення. Центральними в цьому процеа е дв1 проблеми -моделювання температурних пол!в в конструкщях! анал!з електричних схем.

Окремо розглянуто ! проанал!зовано конструктивну ¡ерарх1ю радюелектронноУ апартури, для якоУ розглянуто перший р!вень-мжроелектронш системи ! Ух теплов! параметри. Наведено особливост! теплов!дводу в • типовых ! складних конструкц1ях пбридних 1С, однокристальных твердот!льних корпусованих 1С, а також багатокристальних модул ¡в.

Анал1з роб^т в Ц1Й область екснериментальш дос;пдження вщомих моделей та програмних комплекса показав, що побудоваш математичш модел! для теплового проектування МЕП часто е занадто грубими I не вщповщають сучасним вимогам. В окремих випадках, при побудов1 математичних моделей теплообмшу робляться груб! спрощення та припущення, через яю в процеа теплообм!ну не враховуеться низка конструктивних елемештв, яю часто вшграють суттеву роль в теплообм!н!.

Електротеплова сулпсшсть парамстр1в МЕП

Початок

Електротеплове моделювання

конструкцп1схеми

3

Аналпчутливосп визначення Б у

Теплова чутливкть вг в* 8-

Теплова чутлив!сть груп ел смет ¡в

Синтез ланок теплоелектрично! компеисацн (змша схеми)

Опти.чшашя взаемного розмццення елсмытв

Забезпечення допустимих температурних градштв

Призмачення температурних допусков

Забезпечення необхшних

локальних температур елемент1в

Засоии забезпечення теплоелектрично! сумгсносп параметр1в МЕП

Вих1а

Рис.1. Процес забезпечення електротепловоТ суыисносл параметр1в МЕП засобами САПР

В дисертацшнш робст пропонуеться розробити моде;и теплообмшу та основ1 аналогичного, чисельно-аналггичного та методу теплоелектричноУ аналоги, що дозволить гнучко пщходити до моделювання теплових режим1в р1зних класпв конструкцш МЕП, як! можна було б застосувати на р1зних етапах проектування.

На основ1 огляду Л1тературних джерел, анал1зу стану проблеми теплового проектування, Ух специф1чних особливостей визначено основш напрямки дослщжень:

1. Дослщження та моделювання температурних пол ¡в кристал1в 1С, встановлених на жорстю виводи на пщшарок на основ! анагптичних методов [1, 12,15,17,26,31,33,38,40].

2. Дослщження та моделювання нестацюнарних температурних пол1в МЕП, обумовлених впливом внутршшх та зовшшшх теплових фактор1в на основ1 чисельно-анаштичного методу [8, 9, 11,23, 24,28, 32].

3. Дослщження та моделювання теплових режим'т на основ! методу теплоелектричноУ аналоги, що дасть можливкть аналЬувати нелшштсть та неоднорщшсть процеЫв теплообмшу в складних конструкщях [16, 18, 20, 35, 41].

4. Дослщження та моделювання теплових режи\ив натвпровщникових 1С [1, 13, 19,25,29,36].

5. Дослщження та розробка метод:в моделювання теплових режим1в багатокристалышх модул1в [10, 25, 27,30].

6. Розробка структури, алгоритмов та програм для моделювання теплових режим1в МЕП. Верифжащя отримуваних результат! в моделювання пор1внянням з даними експериментальних вим1рювань [I, 2,4,10, 18, 22, 39].

Другий розди дисергацшноУ роботи присвячено моделюванню стацюнарних температурних пол1в кристал!в 1С, установлених на жорстю виводи. Такий спошб встановлення кристал1в е досить поширений в сучасних конструкциях МЕП, так як надае крапп можливост1 для Ух подал ыноУ шкромннатюризацп та автоматизащУ процеав виготовлення. Але водночас текденщя шдвшцення р1вня штегращУ загострюе проблему тепловщведення з кристалу, для вир1шення якоУ використовують р1зш способи 1 шляхи тепловщводу, ощнити ефектившсть яких можна комп'ютерним моделюванням. Тому необхщна ' ефективна математична модель для анадизу процесу теплообмшу, температурного поля, яка би повною м1рою враховувала конструкцш, теплоф1зичш властивост1 матер!ал1В 1 умови теплообмшу.

На основ1 анал1зу кнуючих конструкций та сиособ1в теплов'щводу формал1зусться тривим1рна ф1зико-математична задача теплообмшу кристала та пщшарку.

Конструкщя МЕП !з кристалами, встановленими на жорсти виводи 1 шдшарок, показан! рис. 2. Ф1зична модель. кристала - це паралелепшед В1ДПовщних розм!р1в, на нижнш гран! якого розм!щен! джерела тепла. Теплообмш кристала з п!дшарком зд!йснюеться через жорстм електронн! виводи, розм!щення та кшьккть яких може бути р!зною. За формою та розм!рами виводи можуть бути також не однордаими. ГОдшарок також мае форму багатошарового паралелеп!педа з в!домими розм!рами та коефвдентом теплопров!дност!. Через верхню грань кристала та нижню грань шдшарка здшснюеться теплообм!н з навколишшм середовищем. На нижнш гран! кристала та верхнш гран! пщшарка задан! густини теплопоток!в. Причому, для п!дшарка - це густина потоку тепла через виводи, а для кристала - вщ джерел та через виводи. Беручи до уваги, що прошарок м!ж кристалом та п!дшарком е малим, конвективно-променевим та кондуктивним теплообмшом в ньому можна знехтувати.

Рис. 2. Схема конструкци 1С, установлено'!' на ж'орстю виводи двох тигив

Враховуючи багатошаров!сть структури, формал!зована задача теплообмшу в облает! кристала для кожноТ з областей Д^' (Д1=и Д/^), яка е

г-1

однорщним паралелеп!педом розм!рами К: ! Кг та висотою И/-1' та коефвдентом теплопровщиосп в локальн!й систем! координат Х^', У\}\

0 = та для шдшарку аналопчно - Дг0) (Да=иДга)) - однор!дний

н

паралелеп!пед розм1рами О, ! Б2 та висотою та коеф!ц!ентом

теплопровщност! "к-Р в локальшй систем! координат Х2И, Ч-Р, (3 = 1,М) в такому вигляд!:

для облает: Д/^ @-ий шар кристала), ]= 1, N.

¿¡2yü)

-'— +----Y-'—■■

дх] ду] 8z] grpjj) эта>

дх, s,.» dy¡ y,=»

о;

Sí"

+ a

1 'z=0

T,(J)(x, ,y, ,Z|j) = T|<j+" (x, ,y ! ,z,j ) ;

1 ,z,=z,| ^(N)iiÍJ_

1 dz, ,

¿fe,

, j = l.N — 1.

= Q(x,,y,);

Q(x„y,) =

^,x„y, eS„jt j = l,ks

p

->x„y, k = l,kpl

>xi>y. eS„„2|) 1 = 1,kp2

О, (x„ У, ) i л (x„ y, ) e S„.,k л (x,, y, ) £ S,m!l

для облас/niД/-" (j-ий шар тдшарку), j= 1, M.

Ô2T,|J) c2T(j) d2T<J) A -+ . , + = 0;

dx¡ дх, i

dyl

_ 5T<J> бУ2 I

3z

= 0;

Эт(|> öz.

■ + aT2T2

(i)

К(Х2,У2);

0) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8) (9)

(10)

K(x2,y2)

»"»H c.

-,x2,y2 eSt

HIB I I

0,x2,y2 gSu„

cHf (x2,y2,z21) ,(2) OT<2>(x2,y2,z2l)

ÔZ,

ÔZ,

(П)

+ L(x2,y2); (12)

p

L(x2,y2)

P

'"'l| Q

>х2'Уг ег>.и,!1 ■""и >

0.х2,У2 íS„„B¡i

dT2(2)(x2,y2,Z22) dT23)(x2>y2,z22) &2 &2

(13)

(14)

T2<J)(x2>y2,z2J) = T2<J+0(x2,y2,z2J) J = 1, M— 1 (15)

м +Рт2(тГ-тсер2) = о. (16)

Sz,

де:

Ti№(xi>yi>zi)> T2ü)(x2,y2,Z2) - значения темперагури в j-ому inapi кристала (область Д)й)); i шдшарку (область Дгй));

ctfi, Ртг - коефщенти теплов1ддач1 в навколишне середовище з кристала i шдшарку;

Tcepi, Тсср2 - температура навколишнього середовища бшя верхньоТ поверхн1 кристала i нижньо'1 поверхн! шдшарку вщповщно;

Рдж;, Бдж), - потужшсть та площа j-oro джерела тепла вщповщно;

Рвнв1к, SBHBik - потужшсть тепловщводу через к-ий вив^д першого типу та площа цього виводу;

Рвив21, SB„B2i - потужшсть тепловщводу через 1-ий вивщ другого типу та площа цього виводу;

kpl,kp2 - кшьисть вивод1в першого та другого типу вщповщно;

ks - кшьккть джерел тепла;

Zij, z2j - координата по oci Z\ i Z2ztJ = £ h'0 »z2j = j = VÑ. j = ÜM

.-i i-i

Умову Í30TepMÍ4HOCTÍ верхньоТ поверхш кристала можна задати як Tjín¡i!=0 = Тсер|, що можна отримати як частковий випадок з (3) при а—»со.

Отже, побудована теплова ф1зико-математична модель (1)-(8) i (9)-(16) враховуе pÍ3HÍ типи вивод!в (сигнальш, яю приеднуються до комутацшних площадок на поламш та конструктивна як! встановлюються на стовпчики в полпмщному niapi), а також pÍ3ni умови тепловадводу з кристалу та шдшарку. Розв'язок крайовоТ фпико-математично!' задач i отримано анаттичним методом Фур'е у вигляд1 двократних тригонометричних ряд1в. Виводиться розв'язуюча система р1внянь та викладаеться алгоритм розв'язання задачи

3 використанням програмно рсал^зованоТ системи моделювання температурних пол ¡в "TAFC" дослщжуеться вплив розташування джерел тепловидшення на розподщ теплових потошв на виводах кристала та температурив поле в кристаш. Дослщжено вплив коефщ!ент1в теплопровщност!

шдшарка та кристала на температурне поле в центр1 джерела тепла. Оцшено 1 сшвставлено юльюсть теплота, яка передаеться через виводи двох тишв в пщшарок та через поверхню кристала.

На тдстав1 тестових досл^джень встановлено, що вплив плооц шдшарка на тепловий ошр е досить значний I мае оберненопропорцшний характер. В дисертацп дослщжуеться залежшсть М1Ж коефипентом теплообмшу верхньо!' поверхш кристала 31 середовищем та температурою в джерель Дослцгжено вплив юлькост! ВИВ0Д1В першого та другого типу на температурне поле в джерель Встановлено, що виводи другого типу значно краще вщводять теплоту, шж виводи першого типу, що може бути добрим способом для покращання теплового режиму (рис.3.).

Рис. 3. Пор'юняння юлькост1 теплоти, яка передаеться через виводи двох тиш в пщшарок та через поверхню кристала

Моделюванню несташонарних температурних нол1в конструкцш МЕП присвячено трепйй роздш. Задача нестацюнарного теплообмшу формал1зована 1 розв'язана з врахуванням таких вимог 1 умов:

• необхщност! визначати температурне поле в МЕП в р13Н1 момента часу гпсля вмикання або вимикання джерела тепла;

• необхщност! розрахувати температурне поле при робот1 елеметлв в ¡мпульсному режим!;

• необхщност! врахування змши в чаЫ температури навколишнього середовища, тепловщводу або корпуса з врахування внутр1шнього тепловидшення на температурне поле.

Теплову модель конструкци МЕП подаемо у вигляд1 багатошарового прямокутного паралелепшеда з розмиценими на верхшй поверхш джерелами тепла, для якого з урахуванням обгрунтованих припущень про ¡зотропшсть та температурну стабшьшсть теплоф1зичних параметр1в кожного з шар1в, а також допускаючи щеальний тепловий контакт м!ж шарами структури, математична задача моделювання нестацюнарного температурного поля в конструкци грунтуеться на оггису процесу теплообмшу в тепловш модел1 (рис. 4.) диференщальними р1вняннями теилопровщносп та краевими умовами, як1 враховують конструктивш особливост1 та умови теплообмшу.

□ Через виводи

другого типу (77%) »Через поверхню

кристала (7%) □ Через виводи

першого типу (16%)

Плосю джерела тепла

Рис. 4. Базова модель конструкцм МЕП

Процес нестацюнарноТ теплопровщносп описусться диференщальним р1внянням теплопровщност1 Фур'е, яке для кожного з шар1в прямокутного паралелепшеда (]=1,...кБ) мае вигляд:

5Т0) (52Та) ЭгТиЛ

= (17)

де Я,, с^ pj - вщпов1дно коефвдснт теплопров1дност1, коефщ1ент теплоемкое™ [

густина матер1алу го шару; Т^(х,у,г,1) - функщя, що характеризуе розподш температурного поля в ]-му шар1 структури в точках простору х, у, ъ ! в чаа 1.

Розглядаються два типи конструкщй: з повздовжньою теплопров1дшстю в шдшарку та з поперечною теплопровщшстю. Вщповщно для конструкщй першого типу застосовано умову ¡зотерм1чност1 двох протилежних або чотирьох бокових граней багатошаровоТ структури. Для конструкщй другого типу застосовано умову тепло1золяца бокових граней. Виходячи з викладеного, для задавання умови тепло13олящТ бокових граней запишемо граничну умову другого роду

ато) ато>

5х Iх-0. ду |у-о

|«-А. ' [у = Ву

о, (18)

де Ах, Ву - лшшш розм1ри багатошарового паралелепшеда по координатах X \ У.

Для конструкщй першого типу умову ¡зотерм1чност! чотирьох бокових граней запишемо

Т(х, у, г, О,, = 0 = Т(х, у, г, О,у = 0 = Тк, (19)

х = А , у = в.

де Тк - температура ¡зотер.\пчно'! поверхш.

Для верхньо'1 поверхш багатошарового паралелепшеда, на якш розм1щеш джерела тепла, використаемо граничну умову третьего роду, яка з урахуванням прийнято'1 системи координат мае вигляд:

+ «т(тш - тс) = 0(х,у,0, (20)

01 ¡г.О

де ост - коефодент теплов1ддач1 в навколишне середовище; Тс - температура навколишнього середовища; 0(х,уД) - функщя, що задае густину потоку тепловидшення плоских елеменпв. Функщю СКх.уД) можна записати

<2(х,у.0 = ^Г'ЯКЩ0Х'уб8' , (21)

(0,якщох,у 1 = 1,2...КЕ де -область джерел тепловидшення;

КЕ - загальна кшыасть елеменпв з тепловидшенням. Теплообмш нижньоГ граш паралелепшеда можна задавати* умовою третього роду, яка записуеться

—, ,, +Рт(Т(М,-Тс) = °, (22)

: 1 = 1

де рт - коефщкнг теплов1ддач1 в навколишне середовище, або умовою ¡зотерм1чност'1, яка запишеться

Т(т(х)У)г.,,0 = (23)

де Тк(х, у, , I) - заданий розподш температури на поверхш

Щоб отримати однозначне розв'язання для всього багатошарового паралелепшеда, частков! розв'язки по шарах об'еднуються в загальне, застосовуючи граничш умови четвертого роду - р1вшсть функцш Т(х,у,гД) \

. , ат ......

потокш А-^-на гранях дотикання сус1дн1х шарш. Ц1 умови записуються Р1ВНЯННЯМИ

Та)(х,у,^,г) = Ти+|)(х,у)^1); (24)

ЭТ<Р сТ0+,)

Ь 7~ ~ V» & ПРИ 2 = г1 = Е Ь' • (25>

Для моделювання нестащонарних задач теплообм'шу задан! початков! умови

Т()> (х, у, г,0) = Т0('Чх, у, г). (26)

Отже, при побудов! ф1зико-математичноУ моде л i теплообмшу багатошарового прямокутного паралелешпеда, яким представлена конструкщя МЕП, одержуемо: систему з KS диференщйних р1внянь парабол1чного типу в вигляд1 (17); систему з 2*KS граничних умов по координат! z, яка може складатися з р1внянь (20), (22), (23), (24) та (25) в залежное™ вщ конструкцп та умов теплообмшу; систему з 4 *KS граничних умов по координатах X i Y, яка може складатися з р1внянь (18) i (19); систему з KS початкових умов, идо описуються р1внянням (26).

Поданий вид формал13овано'1 задачг теплообм1ну дозволить задавати pi3ni граничш умови на поверхнях структури, реал1зувати автоматичне формування загального розв'язку, як виб1р з загальноУ множини власних та апроксимованих функцш ту пщмножину, яка вщповщае конкретним граничним умовам для певного типу консгрукщУ, умов встановлення, експлуатащУ та функцюнування, формально описаних у вхщному завданш.

В дисертащУ пропонуеться нова методика чисел ьно-анал1тичного розв'язання крайовоУ задач! нестацюнарного теплообмшу, суть якоУ полягае в замни похщноУ по часу в диференщалыгому р1внянш ( 17) юнцево-р1зницевого апроксимащею. Така замша перетворюе диференшальне несташонарне р1вняння теплопровщност! в неоднорщне квазютащонарне р1вняння в частинних П0Х1ДНИХ другого порядку по координатах X,Y,Z, розв'язання якого здшснюеться аншитичним методом Фур'е.

Розроблено методику враховування навкних безкорпусних елемештв, що мае суттевий вплив на розподьч нестационарного температурного поля. Дослужено точн1сть результате моделювання нестацюнарних температурних пол1в: похибку скшчешго-ргзшщевоУ агтроксимацн, зб^жшеть тригонометричних ряд1В, чиселыюго штегрування, що дозволило визначити оптималын параметри обчислювального процесу для моделювання.

На основ! розробленого методу та моделей програмно реал1зована система теплового проехтування МОНСТР, компонентами якоУ е шформацшне забезпечення, препроцесор, процесор та постпроцесор. Програмна система реал1зоваиа на MOBi програмування Фортран i може застосовуватися як в середовипп MS DOS, так i в середовшщ WINDOWS на ПК типу IBM PC, Pentium з арифметичним копроцесором та граф1чним адаптером типу EGA, VGA та SVGA.

3 застосування програмноУ системи МОНСТР проведено cepiio модельних тестових експеримент1в, результата яких П0р1внювалися з експерименталышми та результатами аналопчних систем теплового проектування, розробленими в Техшчному у!пверситет1 Лодзя в Полыщ. Пор1вняльш графжи розрахунку перехщних теплових характеристик зображено на рис. 5.

'М моттн Ти15оГа Ти15ор2

0,00 20,00 20,00 20,00

0,75 295,80 314,80 318,50

1,50 337,30 327,73 338,00

2,25 351,50 332,40 346,30

3,00 358,40 334,52 350,60

3,75 362,30 335,60 353,20

4,50 364,70 336,20 354,70

Рис. 5. Графки пор^вняння перехщноТ тепловсм характеристики

Як показав анатз одержаних результат1в розрахунку стацюнарних, перехщних та ¡мпульсних теплових режим1в, розб1жшсть результате розрахунку не перевищуе 10 %.

Отже, на основ1 детального дослщження обчислювального процесу, пор1вняння результатов дослщження з результатами експеримеотв, а також результат розрахунку за даною методикою та результатов отриманих за допомогою ¡нших програмних систем для аналопчних тестш виявлено, ш,о розроблений метод моделювання нестащонарних температурних пол1в е досить ефективним та точним.

Методи анал1зу теплових режим1в однокристальных корпусованих нашвпровщникових 1С викладено в четвертому роздЫ. Проанал13овано способи встановлення 1 монтажу кристала на вивщну рамку 1 процес теплообмшу, а також теплов1 потоки в корпусах нашвпровщникових 1С. Запропоновано два р1зш вар1анти побудови теплоелектричних схем для анал1зу теплових режим1в. Один з шдход1в до теплового анал!зу нашвпровщникових 1С грунтуеться на моделях з зосередженими параметрами, використовуючи декомпозицпо конструкщ'1 1 шлях1в тепловщводу з моделюванням IX теплових параметр1в окремо р1зними методами (див. рис. 6). Для цього формализовано теплову модель конструкцн пластмасового корпуса, який представлений багатошаровою тривтпрною структурою з джерелом тепла з розм!рами кристалу, а також стоками тепла для моделювання вщводу тепла через виводи з корпуса. Цю модель в багатьох випадках можна застосувати для моделювання внутршнього кондуктивного перенесения тепла в самому корпус^ а також конвективного перенесения тепла з поверхонь корпуса 1С в навколишне середовище.

Формашзовано математичш модел! теплообмшу елеметтв конструкций 1С. Велика увага придшена проблем! моделювання теплообм1ну через виводи 1С та друковану плату в навколишне середовище.

Розглянуто 1 дослщжено аналггичш двовим!рш 1 тривим1рш математичш модел 1 пластини в структур! як скшченних, так 1 неъкшченних розм1р1в. Обчислювальш експерименти показали, що для отримання точних характеристик перевагу макль тривмпрш. Визначения температурного поля в структур! з моделлю платини нескшченних розм1р!в, потребуе обчислення двократного штсгралу чисельними методами. Як ! сл1д було оч!кувати, двовим^рш модел! набагато швидше досягають зб!жност5, шж тривим!рш \ потребують менше часу на обчислення, проте вони мають значно меншу точшсть.

Таким чином реал1зуеться ¡дея адаптатт модел! у процеа генерац!!" алгоритму для обчислювального процесу. Розроблена методика дозволяс швидко ! без особливих трудноппв зм!нювати теплоелектричну схему, додавати ! м!няти параметри елемент!в конструкцп.

Кристал

Вивщ

о

Рад!атор

Теилов!дв!д

1

Рис. 6. Структура вертикально встановленоТ на плату 1С та теплових

потокш

Другий шдхьт. до форм&тоацп модел!! теплоелектричноТ схеми корпуса 1С грунтуеться на побудов! ! визиаченн! моделюванням окремих шлях1в теплопередач! шд кристала вздовж кожного вивода в шшдшй рамш (див. рис. 7).

Так як конструкщя вивщно!' рамки е симетрична, то для корпуса восьми-вивщноТ 1С ¡дентифжуемо 6 р!зних шлях!в передач! тепла. Теплоелектрична схема побудована з використанням цього шдходу показана на рис. 8.

Рис. 7. Загальна схема тепловщводу через вивщ 1С, впаяний в друковану плату

Рис. 8. Теплоелектична схема пластмасового корпусу 1С

Теплов1 опори ККрв, Якрн будуть характеризувати вщвщ теплота вщ кристалу до верхньо! 1 нижньоТ поверхонь корпуса вщповщно. Значения теплового опору ЯКрв можна наближено обчислити за формулою

Ь,

КрО

я., -в,

(27)

де Ип, кп - товщина шару 1 коефщент теплопровщност1 пластмаси над кристалом; Бп - площа кристалу. Тепловий ошр Якрн буде складатися з теплових опорт в]'д верхньоТ поверхш кристалу через кремнш, матер ¡ал приеднання кристалу, через' вив1дну рамку 1 шар пластмаси до нижньоТ поверхш корпуса. Значения Якрп можна обчислити формулою

Чн^!^ (28)

де А.| - е товщина 1 коефвдент теплопровщност1 кристала, матер1алу

приеднання, вивщнел рамки 1 шару пластмаси до нижньоТ поверхш корпуса.

1н1ш плки теплоелектричноТ схеми з тепловими опорами Ккрвь Кк>2 ••• будуть задавати теплопередачу через виводи. Причому,. перший ошр в кожш'й Г1ЛЦ1 буде визначати теплопровщш вщ кристалу до краю корпуса (внутрплня складова). I, другий тепловий ошр буде задавати теплообмш через зовнииню частину виводу в навколишне середовище як вщразу з поверхш, так 1 через другу плату.

Вираз для обчислення кожного з решти теплових опор!в можна одержати в

ВИГЛЯД1

D 1 v lk

(29)

де hp i - товщина i коефЩент теплопровщност1 вивщноТ рамки;

D - вщетань вщ кристалу до краю вивщноТ рамки;

g - ширина виводу бшя кристалу,

][;, - середня ширина та довжина однорщно1 складовоТ частини виводу, що запресована в пластмасу.

Для моделювання процесу перенесения тепла вщ корпуса 1С кондукщао через виводи в друковану плату i дальше теплопередачу в навколишне середовище (тепловий onip RBC в cxeMi рис. 8) формал1зована i вир1шена зв'язана задачу теплообмшу двох тш - стержень, який вщображае вив1д, i плитку (пластину), яка ввдображас друковану плату (рис. 9.).

Розподш температури в стержш описуеться одновимфним диференщальним р1внянням

^--тоТ,=0,де = (30)

тут А.) - коефшент теплопровщносп матер1алу стержня; et] - коефвдент теплов1ддач1 з бокових поверхонь стержня в навколишне середовище; а, b -ширина i товщина стержня.

Ш

1

Вивщ

Друкована плата

( ( п

Рис. 9. Схема теплових потоюв через вивщ та плату

Температурне поле в пластин! описуеться триви\ирним р!внянням теплопров1дност1

э2т,

Э2 т,

а2т,

= о

Эх2 т Эу2 т Ъгг ~ (32)

В верхшй торець стержня передаеться тепловий полк вщ джерела з потужшстю Р. Густина теплового потоку буде р1вна Р/(а-Ь), тод1 гранична умова для верхнього торця стержня запишеться р!внянням

. 5Т, Р

I я.

(33)

На верхнш поверхш пластини в1дбуваеться теплопередача в навколишне середовище, кр1м того в мющ контакту стержня з пластиною здшснюеться кондуктивна передача тепла з стержня в пластину

ЗТ,

-^2-7— + а2ВТ2|г = 0 = , (36)

ОЪ о

а.2п - коефппент тепловщдач1 з верхньоТ поверхш пластини в навколишне середовище; q - густина теплового потоку в М1сщ контакту, що передаеться з стержня в пластину. Значения густини теплового потоку описано виразом

Ь Ь

де

Я(х,у) =

я;

' С7,.

2,=1

а а

яшр хс--<х£хс+-

О

а а а Ь

якпр х<хс-- абох>хс +- абоу<ус--або у>ус+-

(37)

Важливими для практичного застосування являються результати модельних експеримештв з досл1дження впливу конструкцп вив»дно1 рамки (розм!р1в плоил основи шд кристал, и повздовжшх кшцевиюв- поперечного С1чення 1 довжини, кшькост1, коефодента теплопроводное™ вивщноТ рамки. За допомогою розроблених моделей дослщжено вплив конструкщ! вивщних

рамок, коефщенпв теплопровщносп вивщноУ рамки, розм1р1в кристала на тепловий ошр корпуса.

Лнагпз результата показав, що замша материалу вивщноУ рамки з сплаву 42 на мщь дозволяе вдв1ч1 зменшити тепловий ошр корпуса 1С. Збшьшуючи вдв1ч! площу основи шд кристал, можна на 20% зменшити тепловий оп!р. До суттевого зменшення теплового опору приводить також збшьшення розм1р1в кристалу 1С.

П'ятий роздш дисертацшноУ робота присвячений розробщ математичних моделей, метод1в та програмних засоб1в теплового проектування МЕП р!зного конструктивно-технолопчного виконання на основ! методу теплоелектрично! аналопУ. Розглянуто концепцп прямого та редукцшного тдход!"в до побудови теплоелсктричних схем та визначення параметр1в УУ елемент1в.

Для прямого методу, який передбачае розбиття досл1джуваноУ облает! на елементарш об'еми (р!вном!рн! або нер!вном!рш паралелеп!педи для просторових областей), кожному з яких ставиться у вщповщшсть теплоелектрична схема зам!щення, важливим питаниям е вщображепня джерела тепла, неоднорщшсть структури та граничних умов в теплоелектричнш схем!.

Розроблений алгоритм та проектна процедура синтезу повноУ теплоелектрично!' схеми пристрою, яка забезпечуе визначення параметр!в елемент!в схем замвдення, вщображення джерел тепла та граничних умов в теплоелектричнш схем! (рис. 10).

Редукцшний гпдх]д передбачае декомпозищю (редукц!ю) складно!' конструкщУ на ряд бшьш простих, ! подальше Ух моделювання р!зними методами. Приклад теплоелектрично"! схеми утворено"! редукгцйним методом для типово!' конструкц!!' нап!впров1дникового приладу показано на рис. 11.

В цьому роздш! охарактеризовано систему теплового проектування МЕП 8ТЕА, яка програшго реаш'зована використовуючи к'онцешп!' прямого та редукцшного формування теплоелектричних схем ! яка складаеться з тдсистем формування ! моделювання теплоелектричних схем. Описуеться алгоритм автоматичного синтезу теплоелектрично!' схеми конструкц!!'.

Виконаш досл!дження впливу розм1рност1 с!тки розбиття на результата моделювання, проведения сср1Г тестових моделышх експеримент!в та пор1вняння Ух з отриманими результатами для ¡нших програмних системах дозволили шдтвердити ефективн!сть шдходу ! достатньо високу точн1сть отримуваних результат!в моделювання.

Рис. 11. Спрощена типова конструкцю потужного напшпровщникового транзистора та екв'шалентна редукцмна теплоелектрична схема

Система STEA мктить шдсистему формування теплоелектричних схем та пщсистему IX моделювання. Система STEA ор^ентована на ЕОМ типу IBM PC/AT та сумкних з ними в середовищах операцшних систем DOS або WINDOWS. При створенш STEA був використаний комшлятор Borland 7.0 for DOS та власш б1блютеки функцш для керування ф1зичним пристроями, опрацювання подш, управлшням вжонним ¡нтерфейсом тощо.

На ocHoei пор1вняльного анал!зу встановлено, що похибка результате теплового моделювання М1кроелектронних пристроТв на основ! методу теплоелектрично'1 аналоги не перевищуе 15 %. В той же час ця методика i програмна система, на вщмшу вщ анал1тичного шдходу дозволяе анашзувати

температуры! поля в конструкциях з внутршньою неоднорщшстю, вдало доповняс ряд засобш теплового проектування.

Наведено основш характеристики конструктивно технолопчного виконання багатокристальних модул ¡в з огляду на р1вень штеграцй', выведения тепла, забезпечення надшносп, зниження соб1вартостк Пропонуеться методика розрахунку теплових режим1в багатокристальних модул1в, яка грунтуеться на використанш методу теплоелектричноУ аналоги, застосовуючи редукцший шдхщ формування теплоелектричноУ схеми 1 б1блютеку аналггичних математичних моделей простпних елемештв конструкци".

На приклад1 типового багатокристального модуля формал130вано ф1зикоматематичш мод ел! теплопередач1 через окрем1 елемент! конструкш'У: кристалоносш, корпус, кришка, виводи. ПроаналЬовано та дослщжено температурний режим тесто во 1 типовоУ конструкщУ багатокристального модуля.

ОСНОВШ РЕЗУЛЬТАТ!! РОБОТИ ТА ВИСНОВКН

У дисертацшнш робот1 на основ1 проведених автором наукових дослщжень 1 узагальнень з використанням аналггичних, чисельних, комбшованого метод1в та теплоелектричноУ аналоги розв'язана науково-практична проблема шдвищення ефективпост1 теплового проектування типових та складних сучасних конструкцш пбридних 1 твердотпьних нагпвпрошдпикопих 1С та багатокристальних модул ¡в

Основш теоретичш та практичш результата дисертацшноУ роботи:

1. Проведено анал1з проблем проектування МЕП, пов'язаних з тенденщею зростання р'тня штеграцй та шдвищення питомоУ потужност1 тепловидшення, \ показано, що одшею з основних причин виникнення вщмов МЕП е температурний фактор. Анал1з конструкцш МЕП, способов та шлях1в теплов1дводу в них показав, що вщом1 методи та засоби моделювання 1 ана;нзу температурних пол1в в МЕП недостатньо точно враховують конструктивно-технолопчш фактори £ способи тепловщводу.

2. Розроблено системний принцип розв'язку проблеми проектування складних МЕП ¡з заданими теплоелектричними характеристикам, який грунтуеться на комплексному анал1з1 температурного поля активного середовища МЕП, функщональному анал!з1 електричноУ схеми та багаторшневому процеа прийняття нроектних р1шень, який включае оптимгзащю розмпцення елемент'ш схеми, введения додаткових схем термокомпенсашУ 1 термостабшзашУ, конструктивних елемент)в тепловЬтводу ! охолодження.

3. Розроблено новий аналггичний метод моделювання стацюнарних температурних пол ¡в в складних конструкщях МЕП з кристалами 1С,

встановлених на жорстк! виводи, який дозволяе оцшювати ефектившсть р!зних способов I шлях ¡в тепловщводу з кристалу та пщшарку. Модель враховуе не!зотропшсть тепловщводу конструкцп, багатошаровкть кристала та пщшарку, р!зш шляхи тепловщводу.

На цш основ1 створено лштастичне, шформацшне та програмне забезпечення системи моделювання та анатзу температурних пол1в "ТАЕС", за допомогою яко1 дослщжено вплив конструктивно-теплоф!зичних параметров 1 фактор ¡в на ефектившсть вщведення тепла вщ кристала з жорсткими виводами, розподш температурного поля в кристат та пщшарку, теплов1 потоки через виводи.

4. Розроблено новий комбшований метод розв'язання нестацюнарноУ задач! теплообм1ну на основ! поеднання методу скшченних р1зниць та методу Фур'е для багатошарових структур з поверхневими та навкними елементами тепловидшення. Особливктю дього методу е адаптащя математично! модели до об'екту проектування за вхщним завдання та можливкть враховувати р!зн1 граничш умови 1 джерела тепловидшення. При цьому анатз стащонарного температурного поля виткае як часткова задача з нестацюнарноУ модел! теплообмшу.

На основ! розроблено! нестацюнарноУ математичноУ модел! температурного поля створено автоматизовану систему моделювання стац'юнарких ! кестац!онарних температурних пол1в мкроелектронних пристроУв "МОНСТР".

5. Розроблено методи анализу теплового режиму натвпровщникових 1С, з використанням теплово! модел! з зосередженими параметрами, утвореноТ !з джерел 1 елемент!в теплов!дводу. Поставлено ! розв'язано ф!зико-математичну задачу теплообмшу в багатошаровш структур! з внутр!шн!ми плоскими та об'емними джерелами тепла та спряжен! задач! теплообм!ну через виводи в друковану плату ! навколишне середовище, що дозволяють анал!зувати шляхи тепловщводу, дослщжувати вплив конструкцп та теплоф!зичних характеристик матер1алу пластмаси! вивщно! рамки на тепловий ошр корпуса.

6. Розвикуто та дослщжено методи теплоелектричноУ аналогтУ моделювання температурних ПОЛ1В на основ! врахуванням складних граничних умов, джерел тепловидшення для неоднорщноУ складноУ конструкцп МЕП; дослщжено повний та редукщйний пщхщ до побудови теплоелектричноТ схеми конструкц!й. Розроблено алгоритм синтезу повно! теплоелектричноУ схеми для задано! конструкцп пристрою. Розроблеш принципи створення алгоритм!чного та шформацшного забезпечення теплового проектування на основ! теплоелектричноТ аналоги лягли в основу програмноТ системи теплоелектричного анал!зу "БТЕА".

Досл'щжено вплив розм'фност! с'1тки розбиття на точшсть теплового моделювання МЕП на ochobI метод1в теплоелектричноТ аналоги. Показано, що анал13 температурно'1 чутливост1, який можна виконати шляхом моделювання методом теплоелектрично!' аналоги, доцшыго застосувати для забезпечення заданого теплового режиму та синтезу теплоелектричних параметрш теплообмену.

7. Дослщжено 0CH0BHi законом1рност! теплообмшу в конструкшях багатокристальних модул1в, та методи теплового моделювання' з використанням анагптичних та теплоелектричних метод!в i моделей. Створена система моделювання дае сучасну методику конструювання та вибору ращональних теплових параметров багатокристальних модулiв як з точки зору ефективност1 выводу тепла, так i для забезпечення зменшення соб1вартост1 МЕП.

8. Сформульовано вимоги до сучасноТ системи теплового моделювання та розроблеш алгоритми реал1зоваш в вигляд1 програм для комп'ютерного теплового проектування, якл суттево розвивають функцюнальш можливосп використовуваних САПР МЕП.

9. Розвинута в дисертацн методолопя теплового проектування, на основ! яко1 створено в1дпов1дне математичне та програмне забезпечення, дае змогу комплексно вир1шувати науково-практичну проблему високоефективного теплового проектування складних конструкщй МЕП. Завдяки цьому скорочуються час на проектування, пщвищусться точн!сть розрахунку теплових режим1в та надшшсть МЕП, забезпечуеться оптимальне тепловщведення без використання дорогого обладнання на проведения ф1зичних експериментш, що дае значний економ!чний ефект.

10. HayKoei та практичш результата дисертацн впроваджеш на шдприеметвах, а також в навчальний процес для шдготовки cneuiajiiciiB та MaricTpie за спещальшстю "Комп'ютерш технологи' проектування".

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛ1КОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦН

1.Федасюк Д.В. Методи та засоби теплового проектування мкроелектронних пристроТв. - JlbßiB: Видавництво Державного ушверситету "Льв1вська пол1техшка", 1999.- 228 с.

2. Автоматизация теплового проектирования микроэлектронных устройств средствами САПР / Коваль В.А., Федасюк Д.В., Маслов В.В., Тарновский В.Ф. / Под ред. В.А. Коваля.- Льв1в: Вища шк. Видавн-во при Льв1в. Ун-Ti, 1988,- 256 с.

3. Коваль В.А, Ткаченко С.П., Федасюк Д.В. Оптимизация температурного режима радиоэлектронных устройтсв при решении задачи размещения // Автоматизация проектирования электронной аппаратуры. Межведомственный тематический научный сборник.- Таганрог: ТРТИ.-1985.-вып. 4.-С. 121-124.

4. Федасюк Д.В., Тарновский В.Ф. Сравнительный анализ численных и аналитических методов расчета температурного поля в интегральных микросхемах // Теория и проектирование полупроводниковых и радиоэлектронных устройств: Вестн. Львов, политехи, ин-та. - Львов: Выща школа. Из-во при Львов, ун-те,- № 196.- 1985.- С. 98-101.

5. Коваль В.А., Маслов В.В., Тарновский В.Ф., Фармага И.В., Федасюк Д.В. Разработка алгоритмов и ППП расчета температурных полей конструкций гибридных интегральных микросборок для стандартизации // Опыт разработки и проблемы проектирования узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры: Отраслевой сборник научных трудов.- Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР.- ЦНИИИТЭИ по атомной технике.-М.: 1986.-С. 181-184.

6. Коваль В.А., Федасюк Д.В., Близнюк Н.Б. Анализ устойчивости функциональных характеристик ИМС в условиях внешних тепловых воздействий // Численные эксперименты в проектировании РЭА: Межвуз. сб. науч. трудов. - Пенза: Политехнический институт.- 1987.- С. 37-43.

7. Коваль В.А., Федасюк Д.В., Фармага И.В. Сквозное тепловое проектирование микроэлектронных устройств средствами САПР // Конструирование и производство РЭА и ЭВА с применением малых и персональных ЭВМ: Тематич. сб. науч. трудов. - М.: Изд-во МАИ,- 1988.-С. 41-44.

8. Федасюк Д.В., Фармага И.В. Моделирование нестационарных процессов теплопроводности МЭУ численно-аналитическим методом // Математическое и машинное моделирование в микроэлектронике: Темат. сб. научн. тр.- Вильнюс: ИФП АН Лит. ССР.- 1989. - С. 103-108.

9. Федасюк Д.В. Розрахунок перехщних теплових процеав в конструкщях МЕП з нав1сними елсментами // Teopifl i проектування нашвпровщникових та радюелектронних пристроТв: BicHiiK льв1вського полггехшчного шетитуту.- N 212.- 1993.- С. 77-81.

Ю.Федаскж Д.В. Анатз параметричноТ чутливост! температурних пешв у конструкшях мшроелектронних пристроТв // Комп'ютерш системи проектування. Teopin i практика: BiciiHK Державного уншерситету "Льв1вська полггехшка". - № 313. - 1996. - С. 3-8.

11. Коваль В. А., Федасюк Д.В., Фармага И.В. Моделирование нестационарных тепловых режимов (МОНСТР) микроэлектронных

устройств численно-аналитическим методом // Информатика, сер. Автоматизация проектирования,- Вып. 2-3.- М.:- 1994,- С. 49-60.

12. Федасюк Д.В., Левус G.B. Математична модель теплообмшу кристала 1С, встановленого на жорстю виводи // Комп'ютерна ¡нженер1я та ¡нформацшш технолопУ: Вкник Державного ушверситету "Льв1вська шштехшка",-N 322,- 1997,-С. 154-160.

13. Koval V.A.,. Fedasyuk D.V Thermal Simulation of the Semiconductor IC's: General and Practical Approach // Microelectronics Journal, vol. 28.- N 3, 1997.-P. 221-227.

14. Михальчук М.Б., Федасюк Д.В. Системне моделювання крайових задач // Комп'ютерш системи проектування. Теор1я i практика: В1сник державного ушверситету "Льв1вська пол1технжа". - 1998.- N 327.- С. 44-57.

15. Федасюк Д.В., Левус G.B. Моделювання та дослщження теплових режим1в МЕП з встановленими кристалами 1С на жорстю виводи // Комп'ютерш системи проектування. Теор1я i практика: Вкник державного ушверситету "Льв1вська полггехшка",- 1998,- N 327,- С. 138-148.

16. Федасюк Д.В., Петров Д.В., Левус G.B. Застосування теплоелектричноТ aHanorii в тепловому моделюванш МЕП // Радюелектрошка та телекомушкацп: Bichhk Державного ушверситету "Льв1вська пол!техшка".- N 352,- 1998.- С. 42-51.

17. Федасюк Д., Левус С., Петров Д. Моделювання та забезпечення теплових режим1в кристалт 1С установлених на жорстк1 виводи // Техшчш BicTi.-1999/1(8), 2(9).-С. 74-77.

18. Федасюк Д.В., Петров Д.В. Результата тестування двох систем теплового моделювання МЕП // Комп'ютерш системи проектування. Teopifl i практика: Вкник державного ушверситету "Льв1вська пол1техн1ка". N 373.- 1999,-С. 170-175.

19.Федасюк Д.В., Михальчук М.Б., Р1зник С.М. Моделювання В1дводу тепла з мШроелектронних пристроУв через виводи та друковану плату // Автоматизацш виробничих процес1в у машипобудувашп та приладобудуванн1: BicifflK Державного ушверситету "Льв!вська полгеехн!ка",- N 34,- 1999.- С. 70-76.

20. Федасюк Д. Алгоритм формування теплоелектричноТ схеми для системи теплового проектування мкроелектронних пристроУв // Комп'ютерн1 технолога друкарства: 36ipHHK наукових праць,- №3.- 1999,- С. 23-29.

21. Федасюк Д., Петров Д., Левус С. Анашз сучасних систем теплового моделювання МЕП // Радюелектрошка та телекомушкагш: Вкник Державного ушверситету "Льв1вська пол1техн1ка".- № 387.- 2000,- С. 398403.

22. Коваль В.А., Федасюк Д.В. Проблемы и методы автоматизации теплового проектирования гибридных интегральных микросборок // Konstructirc und Technologische Probleme electronischer Funktionsbloke: INTERNATIONALES WISSENSCHAFTLICHES KOLLOQUIUM. TU Ilmenau: Vortagsreihe. - 1987.- C. 55-58.

23. Федасюк Д.В., Фармага И.В. Модели и методы анализа температурных полей в интегрированных САПР микроэлектронных устройств // Vortragsreibe AI 1 Leiterplatten und Hybridischen bEtkreisentwurt auf PC-Basis. 35-INTERNATI0NALES WISSENSCHAFTLICHES KOLOQUIM . Technische Hochschule Ilmenay (DDR). - 1990. -'¿..229-232.

24. Koval V.A., Fedasyuk D.V., Qstapchuk A.I., Farmaga I.W. CAD: The Numerical and Analytical Methods Combined for the Analysis of IC's Thermal Fields. // Proceedings of EURO-DAC'93.-P. 290-293.

25. Федасюк Д.В. Декомпозицшш модел1 i методи теплового проектування мшроелектронних пристроУв // Пращ МгжнародноУ науково-техшчноУ конференщУ "Сучасш проблеми автоматизованоУ розробки i виробництва paдioeлeктpoнниx 3aco6iB та пщготовки ¡нженерних кадрш",- I частина.-JlbBiB.- 1994 .- С. 50-52.

26. Федасюк Д. Моделювання i аналгз температурного поля кристала 1С встановленого на жорсш виводи // Пращ М1жнародноУ науково-техшчноУ конференщУ "Сучасш проблеми автоматизованоУ розробки i виробництва радюелеектронних засоб1в, застосування засобш зв'язку та пщготовки ¡нжерених кадр1в",- JlbBiß.- 1996.- С. 54-55.

27. Koval V.A., Fedasyuk D.V. Multilevel Thermal Simulation of MCM's by System "MONSTR-M" // Proc. of the European Design and Test Conference (ED&TC' 95).- Paris (France).- 1995.- P. 544-548.

28. Koval V.A., Fedasyuk D.V., Farmaga I.W., Mikchalchuk M.M. MONSTR: The Simulator of the thermal design of electronic system // Proc. of the 2nd Advanced Training Course: "Mixed Design of VLSI Circuits- Education of Computer Aided Design of Modern VLSI Circuit ", Mix VLSI'95, Krakow (Poland).- 1995.-P. 164-169.

29. Koval V.A., Fedasyuk D.V. Thermal simulation of the semiconductor IC's: general and practical approac // Proc. International Workshop on Thermal Investigation of IC's and Microstructures. - Grenoble (France).- 1995.-P. 56-61.

30. Koval V.A., Fedasyuk D.V. The MCM's thermal testing // Proceedings 14lh IEEE VLSI Test Symposium.- Princeton, New Jersey (USA).- 1996.

31. Koval V.A., Fedasyuk D.V. Thermal analysis and modeling of the flip-chip bonding. The analytical approach // Proceedings of the 3rd Advanced Training Course "Mixed design of integrated circuits and system- Education of computer aided design of modem IC's and devices".- Lodz, (Poland).- 1996.- P. 217-222.

32. Koval V.A., Fedasyuk D.V. 3-D Transient thermal simulation of microelectronics systems // Collection of papers presented at International 2nd THERMINIC Workshop.- Budapest (Hungary).- 1996,- P. 5-11.

33. Fedasyuk D.V. Thermal studies of the flip-chip bonding // Proceedings of the 4-th International Workshop MIXED DESIGN OF INTEGRATIOED CIRCUITS AND SYSTEM, MIXDES'97.- Poznan (Poland).- 1997.-P. 307314.

34. Koval V.A., Fedasyuk D.V., Kazymyra I.Y, Blyzniuk N.B. Providing of electro-thermal compatibility of hybrid microcircuits in CAD environment // Collection of papers presented at the International Workshop on Thermal Investigations oflCs and Microstructure, Cannes (France).- 1997, P. 67-71.

35. Федасюк Д., Петров Д. Моделювання теплових процеав в МЕП методами теплоелектричноТ аналоги // Пращ М!жнародноТ науково-техшчноТ конференцн "Сучасш проблеми засод1в телекомушкацп, комп'ютерноТ шженерп та подготовки спещал!спв".- 1998.- Льв1в.-С. 159-160.

36. Fedasyuk D., Mykhalchuk М. Thermal modeling of "pin-printed circuit board" system // Proc. of the 5lh International Conference "MIXED DESIGN OF INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEM".- Lodz (Poland).-1998.-P. 229232.

37. Janicki M., Napieralski A., Fedasyuk D., Petrov D. Comparison of the thermal simulation results for the hybrid circuit test structure // Proc. of the 6th International Conference "MIXED DESIGN OF INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEM", Cracow (Poland).- 1999,- P. 301-303.

38. Федасюк Д., Левус С. Забезпечення теплових режилнв пристроТв 1С з жорсткими виводами // Пращ 5-o'i М^жнародноУ науково-техшчноУ конференцн "Досвщ розробки i застосування САПР в мжроелектрошщ". -Льв1в.-1999.-С. 62 -63.

39. Коваль В. О., Федасюк Д.В., Михальчук М.Б. Сучасш методи дослщження теплових процеав в мкроелектронних пристроях - проект INCO Copernicus THERMINIC// Пращ науково-техшчноУ конференци "Сучасш проблеми засоб'т телекомушкацп, комп'ютерно1 ¡нженери та шдготовки cneuianicTie".-Льв1в,- 1998.-С. 161-162.

40. Fedasyuk D., Levus Е., Mykhalchuk М., Petrov D. Modelling and analysis of methods of providing thermal performance of flip-chip structure // Collection of papers presented at International 5nd THERMINIC Workshop.- Rome (Italy).-1999.-P. 106-111.

41. Федасюк Д., Фармага I., Петров Д. Пор1вняння результат теплового моделювання тестово! структури для Г1С // Пращ 5-оТ М1ЖнародноТ науково-тех1ично1 конференщ1 "Досв1д розробки i застосування САПР в мжроелектрошщ",- Льв1в.-1999.- С. 65-66.

Кр1м цього результати дисертацшно! роботи висвклеш ще в ¡нших публжащях, посилання на як1 приведен! в диссртацп.

АНОТАЦШ

Федасюк Д.В. Автоматизащя теплового проектування мжро-електронних систем,- Рукопис.

Дисертац'ш на здобуття наукового ступеня доктора техшчних наук за спещальшстю 05.13.12 - системи автоматизацп проектувальних роб1т.-Державний ушверситет "Льв!вська пол1техшка".- Льв1в, 2000.

Дисертащя присвячена питаниям автоматизацп теплового проектування мшроелектронних пристроУв р1зного конструктивно-технолопчного виконання. В дисертацн виршено науково-техшчну проблему створення наукових та методичних основ для розв'язання задач теплового проектування, яш грунтуються на анаштичних, чисельних та анапогових методах розв'язання ф1зико-математичних задач теплообмшу. Це дае можлившть гнучко здшснювати процес анагизу температурних пол1в в пбридний 1 нашвпровщникових 1С, багатокристальних модулях з р1зними способами встановлення кристал!в, висока сфектившсть та точшсть яких обгрунтована теоретично та шдтверджена практично. Основш результати роботи знайшли промислове впровадження при проектуванн'1 нових мшроелектронних пристроТв.

Ключов1 слова: мшроелектрошп пристроТ, теплове проектування, математичне моделювання, штегральш схеми, теплообмш, САПР.

АННОТАЦИЯ

Федасюк Д.В. Автоматизация теплового проектирования микроэлектронных систем.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.12 - системы автоматизации проектных работ. -Государственный университет "Львивська политехника".- Львов, 2000.

Диссертация посвящена вопросам автоматизации теплового проектирования микроэлектронных устройств разного конструктивно-технологического исполнения. В диссертации решена научно-техническая проблема создания научных и методических основ для решения задач теплового проектирования, которые основываются на аналитических,

численных и аналоговых методах решения физико-математических задач теплообмена. Это дает возможность гибко осуществлять процес анализа температурных полей в гибридных и полупроводниковых ИС, многокристальных модулях с разными способами установления кристаллов, високая эффективность и точность которых обоснована теоретически и подтверджена практически. Основные результаты роботи нашли промышленное внедрение при проектировании новых микроэлектронных устройств.

Ключевые слова: микроэлектронные устройства, тепловое проектирование, математическое моделирование, интегральные схемы, теплообмен, САПР.

ABSTRACT

Fedasyuk D.V. Computer aided thermal design of the microelectronics systems. - Manuscript. Thesis for a doctor's degree by speciality 05.13.12 - Computer Aided Design Systems. - State University Lviv Polytechnic, Lviv, 2000.

The thesis is dedicated to solution of the thermal design problems for microelectronic devices of different structures, technologies and operation conditions. The researches are based on the analytical, numerical and combined methods as well as on the method of thermoelectric analogy.

1. The methodology of system approach to the task solution to reach the required MES's thermoelectric performances was justified and worked out. This methodology is based on the comprehensive analysis of temperature fields in the structure, functional circuit analysis of the electronic circuit and multilevel decisionmaking process. The last one includes the re-layout for elements and components, the usage of additional thermal compensation schemes and thermo stabilisation, the systems of the heat sink during computer-assisted design.

2. New analytical method for modelling of stationary temperature fields in MES's constructions was designed. It is suitable for flip chip structures, which are set up on the rigid tape-automated-bonded leads of different types and sizes, and also for the heat sink from the die and substrate. It allows taking into account the construction inhomogeneity, die and substrate multilyerness, merging of different heat sink ways. The TAFC software for modelling and analysis of temperature fields was designed on this basis. Due to this, the structurally - thermal- physical parameters and factors, determining the efficiency of heat extraction from the die with rigid tape-automated-bonded leads, allocation of the temperature field in the die and substrate, heat flow through the leads were detected.

3. New method for the non-stationary task solution of heat exchange was proposed. It is based on the combination of the numerical method, finite-difference method and analytical Fourier method the for myltilayer structures with flat and add-

on component of heat generation. The distinctive feature of the formalized and solved physical and mathematical task is the opportunity to take into account the different boundary conditions and thermal sources. Besides it allows to realize the automatized adaptation of the mathematical model, obtained on the input data, to the object and operation conditions. The system of modelling MONSTR was realized on the basis of the proposed non-stationary of thermal mathematical model.

4. The methods of the thermal analysis for semiconductor IC were designed. They are based on the model with lumped constants, using the structure decomposition and ways of the heat sink, formalising and solution of the physical and mathematical task of heat exchange in multilayer structure with interior flat and volumetric heat sources. The mentioned methods are based also on conjugate problems of heat exchange through the pins and printed board in the environment.

5. Due to allowing the boundary conditions and heat sources for a non-uniform complex construction, the methods of thermoelectric analogy for modelling of temperature fields in MEMs were designed and investigated. The complete and reduction approach to build-up the thermoelectric circuit of constructions was also researched. For this aim the algorithm of synthesis of complete thermoelectric circuit for the specified device construction was working out. The designed principles of algorithm making are the basis of STEA. software for thermal design based on the thermoelectric analogy. The influence of die grid dimensionality to the results of thermal modelling of MEMs was explored on the basis of the methods thermoelectric analogy. The high accuracy of modelling results was reached. It was justified by comparison of calculations with the experimental results. It was shown, that the temperature sensitivity analysis, which can be conducted applying the method of thermoelectric analogy, it is expediently to apply for specified thermal mode and synthesis of thermoelectric parameters.

6. The basic legitimacies of heat exchange for multichip constructions and methods of thermal modelling were investigated. These methods are based on the usage of analytical and thermoelectric methods and models. The proposed system of modelling has allowed to create the justified procedure of construction and selection the rational heat parameters for multichip modules from the point of view of heat extraction efficiency and reasonable price.

7. The requirements to the system for thermal modelling were formulated. The algorithms and software for systems of computer technology for thermal design were realised on the basis of these requirements. The new design methodology allows to expand the functional capabilities of existing CAD - tools for microelectronic devices. The offered approaches and methods, on the basis of which the software was designed, allow to solve the thermal design task for microelectronic devices of different structures and technologies. Thus the considerable economic benefit due to

reduced time to market, increased reliability and optimum heat sink is reached at resignation from expensive equipment for physical experiments.

Key words: microelectronics devices, thermal design, modelling, integrated circuits, heat exchange, CAD tools.