автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование и разработка путей повышения надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий

;р гтг

- На правах рукописи

Васильчикоя Сергей Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕМ РАЗРАБОТКА ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ НА БАЗЕ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.11.14 — Технология приборостроения Специальность 05.13.12- Системы автоматизации „ ■ проектирования (отрасль — технические науки)

АКТ О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кглгдидатг технических наук

Москва - 2006

' Работа выполнена в НИО «Сборка» ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» (Москва)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, 4 Шалумов А.С.

Офнциальныс'оппонснты:

доктор технических наук, профессорг Увайсов С.У. -

канд. технических наук, Савкин А. В. - -

Ведущая организация:,

'ОАО НЛП «Волна» г. Москва

- Защита состоится 21 декабря 2006 г. в 14:00 на заседании Диссертационного совета Д 409.007.01 при ОАО «ЦНИТИ «Техномаш» по адресу: 121108, Москва, ул. Ивана Франко, 4 \ ^ Г

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ЦНИТИ «Техномаш» ~ 4 \ .. " •

' Автореферат диссертации разослан 20 ноября 2006г.

Отзывы просим направлять по адресу: 121108, Москтш, ул. Ивана Франко, д.4, ОАО "ЦНИТИ "Техномаш" ученому, секретарю диссертационного совета - - . - ,

Ученый секретарь -. ' "' диссертационного Совета Д 409.007.01, кандидат технических наук, доцент

Э.А.Сахно

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. 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 радиоэлектронного приборостроения 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.

Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показатели их надежности (в соответствии с уровнем развития техники) реально. Повышение уровня надежности радиоэлектронных приборов (РЭП) достигается прежде всего устранением причин, вызывающих в них отказы, т.е. сведением к минимуму (или полной ликвидации, если это возможно), конструкторских и технологических ошибок, а также нарушений правил эксплуатации.

Одним из факторов, определяющим надежность РЭП, является температура входящих в конструкцию элементов. Отклонение теплофизических и геометрических параметров конструкции от номинальных значений, а также изменение режимов и условий работы элементов РЭП 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 исследованию путей и разработке способа повышения надежности приборов на базе печатных узлов (ПУ) с учетом тепловых воздействий, а также разработке методики применения способа повышения надежности на этапах конструкторской и технологической подготовки производства . Под ПУ будем понимать печатную плату (ПП) с расположенными на одной или обеих ее поверхностях электрорадиоэлементами (ЭРЭ), а также специальными конструктивными элементами (ребрами жесткости, теплостоками, тепловыми шинами, вентиляторами, радиаторами и др.).

ПУ входят в состав практически любых РЭП, поэтому полный тепловой анализ РЭП в конечном счете обязательно включает в себя анализ тепловых процессов в каждом входящем в состав РЭП ПУ.

В настоящее время существует много методов анализа тепловых процессов в РЭП и программных систем, как специализированных, так и универсальных, реализующих данные методы.

Однако, существенным недостатком всех вышеописанных систем является слабая проработка (или полное отсутствие) в них средств и методик для оптимизации конструктивных и теплофизических параметров элементов РЭП и идентификации параметров моделей тепловых процессов с целью повышения надежности проектируемых РЭП и их устойчивости к тепловым воздействиям. Между тем, данная задача представляется крайне важной, поскольку:

1) проведенный анализ тепловых процессов в РЭП лишь позволяет с определенной степенью точности отразить картину распределения тепла в конструкции, при этом задача подбора параметров и изменения 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.

4) разработанные тепловые модели ПУ, а также методику расчета оптимальных с точки зрения тепловых режимов параметров ПУ можно использовать и на стадии технологической подготовки производства, что позволяет повысить производственную надежность изделия, снизить издержки.

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-технологический цикл проектирования и изготовления приборов на базе ПУ.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Исследование методик расчета надежности конструкций приборов на базе ПУ с учетом тепловых воздействий и методов повышения надежности.

2. 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.

4. Разработка программного комплекса для анализа надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий (в рамках системы АСОНИКА).

5. Разработка методики проектирования теплоустойчивых приборов на базе печатных узлов.

6. 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: 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;

2. Разработана целевая функция, отличающаяся от существующих тем, что позволяет связать критерий оценки надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях с геометрическими и теплофизическими параметрами ПУ, которая может использоваться для решения задач повышения надежности ПУ на этапах проектирования и изготовления ПУ

3. 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 на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий позволяет не только повысить точность расчета и надежность проектируемого устройства, но и значительно снизить время проектирования, а созданная методика позволяет эффективно использовать разработанные на базе данного метода алгоритмы в рамках единой автоматизированной подсистемы анализа тепловых характеристик печатных узлов на этапах как конструкторской, так и технологической подготовки производства.

Реализация и внедрение результатов.

Разработанный способ 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 навига-ционных систем и космических систем связи.

Имеются 3 акта внедрения:

ОАО НПП «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», 2003 г.), на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, Красноярский государ-ственный 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отражена научная новизна и приведены основные практические результаты.

В первой главе проводится анализ зависимости основных параметров элементов ПУ(механических, электрических, аэродинамических и др.) от температуры, обосновывается актуальность темы диссертационной работы.

Делается вывод о 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.

Кроме этого, производится анализ современного состояния существующих программных средств и методов моделирования тепловых процессов. Рассматривались как специализированные программные системы (Blue Ridge Numeric, ESATAN, FLOTHERM 2.0, TMG Thermal Analysis и Electronic System Cooling (ESC), SINDA (Systems Improved Numerical

Differencing Analyzer), SOLVIA, ТРИАНА, АСОНИКА (автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры) и др.), так и универсальные (ANSYS, MARK, NASTRAN). Анализ показал отсутствие в данных системах средств поиска оптимальных теплофизических параметров РЭП на базе ПУ, связанных с показателями надежности.

На основании проведенного анализа влияния тепловых режимов работы ЭРЭ на надежность всего прибора в целом, а также возможностей существующих программных средств и методов моделирования тепловых процессов в ПУ, формулируется задача диссертационной работы -обеспечение надежности РЭП на базе ПУ с учетом тепловых воздействиях, указываются основные этапы её решения:

1. Исследование методик расчета надежности конструкций на базе ПУ при тепловых воздействиях и методов повышения надежности.

2. Разработка способа повышения надежности приборов на базе ПУ, с учетом тепловых воздействий, базирующегося на параметрической и структурной оптимизации.

3. Разработка алгоритма идентификации теплофизических параметров печатных узлов.

4. Разработка программного комплекса для анализа надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий (в рамках системы АСОНИКА).

5. Разработка методики проектирования высоконадежных приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий.

6. Экспериментальная проверка разработанного способа повышения надежности.

В данной главе было вводится понятие тепловой устойчивости, как критерия надежности, учитывающего суммарное воздействие температурных эксплуатационных факторов при функционировании приборов на базе печатных узлов Под тепловой устойчивостью понимается свойство РЭП и их элементов сохранять работоспособность и нормальные тепловые режимы при тех сочетаниях климатических факторов и электрических режимов, имеющих место при эксплуатации, которые вызывают наибольший нагрев прибора и составляющих его элементов.

Задача обеспечения тепловой устойчивости ПУ на ранних этапах проектирования состоит из следующих этапов:

• расчет температурного поля ПУ;

• расчет показателей тепловой устойчивости ПУ с учетом локальных температур радиоэлементов;

• многокритериальная задача обеспечения тепловой устойчивости, решаемая с помощью методов нелинейного программирования.

Поэтому в данной главе был проведен анализ основных показателей тепловой устойчивости ПУ. Показателями тепловой устойчивости называются количественные характеристики одного или нескольких свойств, определяющих тепловую устойчивость. Они должны учитывать различный механизм воздействия на радиоэлементы тепла, различный характер изменения параметров радиоэлементов, приводящий к внезапным или постепенным отказам элементов, к изменению выходных электрических характеристик отдельных функциональных частей и всего ПУ и к выходу этих характеристик за поле допуска.

К таким показателям тепловой устойчивости относятся:

1) вероятность отказа ПУ из-за перегрева, учитывающая внезапные отказы радиоэлементов ПУ РЭП;

2) поле тепловой нестабильности выходных электрических (функциональных) характеристик ПУ, связанные с дрейфом функциональных характеристик из-за постепенного изменения параметров радиоэлементов от влияния температурного дестабилизирующего фактора;

3) коэффициент тепловой нагрузки элементов и всего ПУ, характеризующий тепловой режим радиоэлементов и ПУ в целом. Рассмотрим подробнее каждый из этих показателей.

В качестве критерия оптимизации в данной работе был принят коэффициент тепловой нагрузки, поскольку он:

• учитывает суммарное воздействие температурных эксплуатационных факторов;

• характеризует чувствительность радиоэлемента к воздействию температуры;

• прост в вычислении;

• полученная на основе коэффициента тепловой нагрузки целевая функция позволяет легко связать параметры теплового режима ПУ с показателем его тепловой устойчивости, косвенно учитывая при этом массогабаритные показатели составляющих ПУ.

Данный коэффициент характеризует не только внутренние температуры ЭРЭ ПУ, но и уровень внешних температурных эксплуатационных факторов, определяемых относительно нормальных условий:

ктн = (Г - 293) /(Ттахд0„ - 293) , где ктн - коэффициент тепловой нагрузки, Г - расчетное значение температуры ЭРЭ, Ттахдоп - максимально-допустимое значение температуры ЭРЭ.

Коэффициент тепловой нагрузки всего ПУ, в состав которого входит п радиоэлементов (Ктн), определяется как:

п

Ктн ~ 2 ктн '1 /=1 /

Во второй главе раскрываются теоретические аспекты способа обеспечения тепловой устойчивости РЭП на базе ПУ, приводится описание основных его этапов:

• метода получения тепловых характеристик ПУ РЭП;

• многокритериальной оптимизации геометрических и теплофи-зических параметров (ГТФП) РЭП и идентификации параметров ветвей МТП ПУ.

В данной главе проведен анализ существующих методов получения тепловых характеристик ПУ на основе следующих предъявляемых к ним требований. Метод должен:

• обеспечивать организацию иерархической структуру процесса анализа и обеспечения тепловых характеристик РЭП, что позволит применять его на различных стадиях проработки проектируемой аппаратуры, в том числе на стадиях анализа тепловых режимов в ПУ и отдельных радиоэлементов;

• обладать достаточной для решения инженерных задач точностью;

• быть пригодным к проведению расчетов оптимизации ГТФП составляющих ПУ на основе численных методов;

• быть пригодным к проведению расчетов идентификации параметров МТП ПУ на основе численных методов;

• быть хорошо формализуемым, т.е. пригодным к автоматизации расчетов на ЭВМ.

Наиболее полно вышеописанным требованиям удовлетворяет метод моделирования тепловых процессов на основе топологических моделей. В частности, важнейшим достоинством метода является его хорошая формализуемость, что дает возможность не только получить на основе данного метода эффективное программное расчетное ядро для систем моделирования тепловых процессов, но позволяет также проектировать открытые системы, в которых пользователь сам может создавать собственные библиотеки МТП базовых элементов, из которых впоследствии, как из составных блоков, могут быть синтезированы МТП устройств любой степени сложности.

• В основе предлагаемого метода получения тепловых характеристик РЭП лежит представление протекающих в них тепловых процессов виде топологических моделей. Моделью тепловых процессов в РЭП называется представленная в виде ненаправленного графа схема путей распространения тепловых потоков в конструкции с учетом ее

идеализации. Переменными узлов (вершин) МТП являются

значения температур соответствующих элементов и узлов РЭП. Ветви МТП могут моделировать тепловые проводимости ву, у элементов конструкции, тепловые емкости С^ и тепловые потоки V,]-

Возмущающие факторы будем моделировать источниками выделяемых мощностей у// и источниками заданных температур <р], которые могут в общем случае меняться во времени.

Таким образом, если каждая ветвь МТП моделирует один из элементарных видов теплообмена, процесс теплообмена в любой конструкции РЭП может быть представлен в виде взаимосвязанной совокупности источников возмущений, отражающих основные пути распространения тепловых потоков в конструкции с учетом ее идеализации. Поскольку всё многообразие процессов теплообмена в конструкциях РЭП может быть представлено конечной совокупностью элементарных процессов теплообмена, для которых могут быть получены необходимые аналитические зависимости, процесс построения МТП РЭП или их узлов сводится к следующему:

• качественный анализ тепловых процессов в конструкции, на основании которого определяется, какие элементарные виды теплообмена имеет смысл учитывать при моделировании;

• идеализация конструкции, позволяющая существенно упростить задачу моделирования за счет принятия определенных допущений относительно особенностей процессов теплообмена в ней. Все принимаемые допущения должны быть соответствующим образом обоснованы;

• собственно составление МТП конструкции, заключающееся в построении топологической МТП (составлении структуры графа) с учетом проведенного анализа и идеализации.

На этом этапе мы получаем структуру МТП РЭП и знаем типы составляющих их ветвей, т.е. какие элементарные виды теплообмена они моделируют.

Сформированная таким образом МТП РЭП пригодна для дальнейшего анализа показателей ее теплового режима. Для этого необходимо:

• составить уравнения состояния МТП;

• решить уравнения состояния, т.е. определить реакцию модели в

интересующих узлах в интересующие моменты времени;

• при необходимости исследовать параметрическую чувствительность

реакции модели к изменению параметров анализируемой

конструкции РЭП с целью обеспечения требуемых тепловых

характеристик.

Далее были сформулированы задачи параметрической оптимизации ГТФП ПУ и идентификации параметров ветвей МТП ПУ.

Задача параметрической оптимизации определяется следующим образом: найти такие ГТФП элементов конструкции ПУ, функциями которых являются параметры ветвей МТП, чтобы был обеспечен требуемый тепловой режим ПУ. Или, другими словами, чтобы коэффициенты тепловой нагрузки всех радиоэлементов, входящих в состав ПУ, не превышали единицы. Однако снижение температур радиоэлементов, входящих в состав ПУ, связано с увеличением массы и габаритов ПУ. Поэтому при решении задачи оптимизации ГТФП элементов конструкции ПУ РЭП наиболее целесообразным является обеспечение условия ктн, = 1 . При этом будет обеспечена работоспособность ПУ и косвенным образом, будет учтено требование по снижению массы и габаритов ПУ.

Поэтому целевая функция будет иметь вид:

/=1

где ш- количество узловых температур.

Задача идентификации МТП ставится следующим образом. Необходимо определить коэффициенты при формулах, определяющих численные значения параметров ветвей МТП, таким образом, чтобы с определенной степенью точности совпадали значения экспериментально определенных температур и соответствующие значения температур, полученные в результате расчета идентифицированной МТП. Поэтому в качестве целевой функции целесообразно принять величину, характеризующую относительные отклонения рассчитанных температур

Тр от экспериментальных значений Тэ :

т(ТР-Т:Л2 Ф= X ---

;=1 Т.э \ ' У

где ш — количество рассчитанных или экспериментальных температур.

Это среднеквадратичный критерий, который обеспечивает более быструю сходимость тех температур, рассчитанные значения которых имеют большее относительное расхождение с экспериментальными значениями.

Таким образом, обе задачи идентификации и параметрической оптимизации МТП можно свести к задаче нелинейного программирования:

отыскать один из векторов X управляемых параметров, принадлежащих области допустимых значений, обеспечивающего минимум целевой функции Ф

min Ф ( X )

при ограничениях XJ <, Xt < X* 1 </</?,

гдеХ=(Хи,Х2,..Хр)-, Х~ =(ХГ,Х2,..Х~); Х+ = (Х?УХ},..Х+р);

р — количество варьируемых коэффициентов или варьируемых ГТФП элементов конструкции.

Ограничения на варьируемые параметры определяются, как правило, из требований технического задания, либо берутся из справочной литературы.

Эффективность расчетных алгоритмов зависит от правильности выбора метода оптимизации.

Как известно, существуют задачи условной оптимизации и задачи безусловной оптимизации, задачи оптимизации с одной переменной и многомерные задачи оптимизации. В подавляющем большинстве случаев задачи параметрической оптимизации технических объектов сводятся к задачам условной оптимизации. Однако большинство развитых методов оптимизации ориентировано на поиск безусловного экстремума. Поэтому их применение к решению задачи условной оптимизации требует, чтобы эта задача была предварительно сведена к задаче безусловной оптимизации. Эта операция выполняется с учетом прямых (варьируемые параметры) и функциональных (условия работоспособности выходных характеристик) ограничений. Устранение прямых ограничений при переходе к безусловной оптимизации осуществляется соответствующим нормированием варьируемых параметров. При прямом ограничении апи,пЬ нормирование можно выполнить по формуле:

xi = tsi^(.ui ~(b+ а)/2)/(Ь - а)], Для устранения функциональных ограничений обобщенная функция

Н( X, rk) строится путем объединения исходной целевой функции Ф( X )

и функции штрафа в(Х,гк)\

Н(х,гк) = ф(х) + в(х,гк\

где eiX,rk) = rkZK<Pj{X)-\pj{X)\)l2]2-,<pj(X)l>Q, j=l,2,...,m

функциональные ограничения; k - номер задачи; параметр гк >0, гк —> со при к—> оо.

Для решения задач однопараметрической оптимизации, имеющей на исследуемом отрезке не более одного экстремума, целесообразно применять метод «золотого сечения», поскольку по сравнению с другими одномерными методами он требует наименьшего числа оцениваний значения функции для достижения одной и той же заданной точности. По сравнению же с методами точечного оценивания и методами с использованием производных он позволяет добиться более надежной работы алгоритма.

Для решения многомерных задач безусловной оптимизации конструкций ПУ выбран метод Нелдера-Мида (метод прямого поиска) как наиболее эффективный с точки зрения быстродействия. Кроме этого, метод обладает хорошей сходимостью, особенно если число варьируемых параметров не превышает 6.

В третьей главе проработаны вопросы построения автоматизированной системы проектирования теплоустойчивых приборов на базе ПУ на основании вышеописанных метода получения тепловых характеристик, а также алгоритмов оптимизации и идентификации. Данная подсистема проектируется как часть программного комплекса АСОНИКА. В данной главе обоснован выбор вышеописанного комплекса в качестве базового, как наиболее соответствующего CALS-идеологии. (Continuous Acquisition and Life-cycle Support).

Проработан вопрос построения маршрута автоматизированного проектирования ПУ в контексте CALS идеологии, выделены его основные этапы.

На основании описанного в главе 2 метода получения тепловых характеристик разработана структура программного модуля, реализующего данный метод ( рис. 1).

Данный программный модуль входит в состав подсистемы, которая является программной реализацией разработанного в рамках диссертации метода обеспечения надежности приборов на базе ПУ.

На рис. 2 приведена структурная схема модуля идентификации/оптимизации ГТФП ПУ.

Управляющий блок передает в блок считывания данных информацию о структуре ПУ, о типе расчета, а также информацию об имени и местонахождении файла исходных данных. На схеме этот информационный поток обозначен цифрой 2.

БЛОК 1 (считывание исходных данных) обеспечивает считывание необходимых для проведения расчета параметров МТП из файла исходных данных. Для проведения расчета идентификации /оптимизации ГТФП из данного файла необходимы следующие данные:

• количество узлов модели;

• номера узлов, между которыми находятся ветви;

• типы ветвей.

БЛОК 2 (считывание файла экспериментальных/максимально допустимых температур) предназначен для считывания экспериментальных температур узлов МТП (входные данные для расчета идентификации), а также максимально допустимых температур (входные данные для расчета оптимизации)

БЛОК 4 (выбор варьируемого параметра и наложение ограничений).

Следующим шагом является конкретизация целевой функции (задание варьируемых параметров и наложение ограничений).

Далее из библиотеки параметров ветвей (блок 3) по типу ветви пользователю выдаются ее параметры, из которых он выбирает варьируемые (поток 7 на схеме).

В рамках данного блока принимается решение о выборе метода оптимизации. Если оптимизация одномерная и функция на рассматриваемом отрезке имеет не более одного экстремума — выбирается метод "золотого" сечения, для многомерной оптимизации — метод Нелдера-Мида.

На каждой итерации данный блок взаимодействует с блоком расчета узловых температур, в который передает новое значение вектора варьируемых параметров (поток 9 на схеме). В блоке расчета температур пересчитывается МТП, на выходе получается новый вектор узловых температур, с учетом которого пересчитываются требуемые целевые функции, после чего их значения передаются обратно в блок оптимизации (поток 10 на схеме).

После каждой итерации решение проверяется на сходимость (поток 11 на схеме), если она достигнута, то можно говорить о том, что минимум целевой функции найден с заданной степенью точности, и осуществляется переход к блоку интерпретации результатов расчета (поток 13), в противном случае программа переходит к следующей итерации (поток 12).

БЛОК 6 (расчет узловых температур) на каждой итерации рассчитывает новый вектор узловых температур при новых значениях варьируемых параметров. В данный блок из управляющего блока поступает информация о структуре и параметрах МТП ПУ (поток 3 на схеме), а также экспериментальные/максимально допустимые температуры из блока 2 (поток 6).

Рис.1. Структурная схема программного модуля расчета теплового режима РЭП

Рис.2. Структурная схема модуля идентификации/оптимизации ГТФП ПУ

В четвертой главе проработаны вопросы использования метода повышения надежности на этапах конструкторской и технологической подготовки производства.

Разработан маршрут сквозного автоматизированного проектирования РЭП на базе ПУ с учетом алгоритмов повышения надежности.

Разработана единая методика проектирования теплоустойчивых приборов на базе ПУ, представляющая собой развернутую и однозначно трактуемую инструкцию для проектировщика.

Исследован вопрос возможности использования разработанного способа повышения надежности и программного комплекса АСОНИКА на этапах технологической подготовки производства, зависящих от температуры, а именно:

1. Рассмотрены основные виды пайки (ручная, пайка волной припоя (рис.3), пайка инфракрасным излучением (рис.4) ).

2. Проработан вопрос применения алгоритмов и средств оптимизации для поиска оптимальных параметров пайки для различных ее видов, с целью обеспечения наилучших показателей тепловой устойчивости паяемых ЭРЭ, т.е. решена задача использования разработанного способа повышения надежности на этапах изготовления ПУ.

Основные этапы решения задачи обеспечения тепловой устойчивости ЭРЭ при различных видах пайки приведены в таблице.

Вид пайки Как моделируется Граничные условия Варьируемые параметры Ограничения

ручная источник постоянной мощности, подводимый к выводу ЭРЭ+ естественная конвекция 1 .Температура окруж.воздуха 2. Давление окр.воздуха Время пайки Время пайки не меньше времени качественной пропайки данного ЭРЭ

волной припоя предварительный нагрев — источник постоянной мощности, подводимый к ПП 1.Температура окруж.воздуха 2. Давление окр. воздуха Время нагрева Время нагрева меньше времени, при котором происходит тепловой удар

Продолжение

прохождение платы над волной припоя -вынужденная конвекция 1.Температура окруж. среды 2. Давление окр. среды 3. Скорости обдува по осям X и У 1. Скорость движения конвейера (время прохождения ЭРЭ над волной припоя) 2. Угол наклона транстортера 3. Скорость обдува ЭРЭ волной припоя Условия качественной пропайки ЭРЭ

ик- изл учением излучение + естественная конвекция 1.Температура поверхности паяемого ЭРЭ 2.Температура окруж. воздуха 3. Давление окр.воздуха 1. Скорость движения конвейера (время прохождения ЭРЭ под ИК-излучателем) 2. Мощность ИК- излучателя Условия качественной пропайки ЭРЭ

1 - корпус;

2 - печатная плата;

3 - плоские ИК нагреватели (панели)

4 - кварцевые ИКлампы;

5 - охладитель 6-лента конвеепэ; 7 - микропроцессор; 3 - дисплей

Рис.4. Схема процесса пайки ИК-излучением.

В пятой главе 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 ИГАС «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)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработан способ повышения надежности ПУ при тепловых воздействиях, суть которого сводится к подбору таких параметров ПУ, а также параметров технологических процессов, при которых суммарная тепловая нагрузка ЭРЭ ПУ будет минимальной, и при этом будут

соблюдаться все необходимые ограничении (по массогабаритным показателям ПУ, по качеству пайки, и др. )

На базе данного способа разработаны алгоритмы и программная часть, делающая возможным его использование в рамках программного комплекса АСОНИКА, и дающее разработчику эффективный инструмент для оценки надежности ПУ при тепловых воздействиях.

1.Применение данного способа на этапе конструкторской подготовки производства позволяет:

• повысить точность расчета температурных характеристик за счет применения на ранних стадиях расчета идентификации неизвестных теплофизических параметров элементов ПУ;

• повысить надежность проектируемого печатного узла и его стойкость к тепловым воздействиям за счет подбора оптимальных с точки зрения теплового режима параметров элементов ПУ;

• снизить время проектирования за счет уменьшения числа расчетных итераций;

• уменьшить вероятность ошибки при изменении структуры ПУ за счет снижения доли человеческого фактора в принятии решения;

• экономить материальные ресурсы за счет сокращения числа испытаний опытных образцов проектируемых ПУ;

• повысить эффективность процесса проектирования за счет разработанной в рамках данной работы единой методики автоматизированного проектирования теплоустойчивых ПУ.

2. Применение данного способа на этапе технологической подготовки производства позволяет:

• устранить выход из строя ЭРЭ при различных видах пайки (ручная, пайка волной припоя, пайка ИК-излучением) за счет подбора параметров пайки, оптимальных с точки зрения тепловых режимов;

• устранить тепловой удар печатной платы за счет учета параметров, при которых наступает тепловой удар, в качестве ограничений при расчете параметров пайки;

• снизить затраты ресурсов за счет подбора оптимальных параметров на этапе изготовления ПУ.

Таким образом, разработанный способ позволяет повысить надежность ПУ к тепловым воздействиям как на стадии технологической подготовки производства, так и на стадии изготовления. Программная подсистема, созданная на основе разработанного способа повышения надежности ПУ при тепловых воздействиях, и методика его применении на этапах конструкторской и технологической подготовки производства использовались для проведения большого числа практических

расчетов. Их эффективность подтверждена актами внедрения, прилагающимися к данной диссертации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Орлов A.B., Скворцов И.В., Васильчиков С. А. Автоматизация моделирования тепловых процессов в радиоэлектронных средствах// "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". Сборник материалов XIV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов; под ред. профессора В.Н.Азарова. - М.: МГИЭМ, 2002. - С. 196-198.

2. Орлов A.B., Сворцов И.В., Васильчиков С.А., Шалумов A.C. Информационная технология моделирования тепловых процессов в радиоэлектронных средствах// 57-я Всероссийская научная сессия, посвященная Дню радио. Сборник научных трудов. - М.: Радио и связь, 2002. - С.63-64.

3. Способ Д.А., Васильчиков С.А., Игнатьев A.A., Шалумов A.C. Автоматизированное проектирование печатных узлов радиоэлектронных средств с учетом влияния тепловых, механических и комплексных воздействий //"Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий": Материалы Международной научно-технической конференции и Российской научной школы. - 4.1, кн.2. - М.: Радио и связь, 2002. - С.9-13.

4. Способ Д.А., Васильчиков С.А., Игнатьев A.A. Автоматизированная подсистема моделирования тепловых и механических процессов в печатных узлах АСОНИКА-ТМ// Техника машиностроения. - 2002. - № 3. - С.36 - 40.

5. Способ Д.А., Васильчиков С.А., Игнатьев A.A. Моделирование механических и тепловых процессов в конструкциях печатных узлов// «Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании»: Сборник трудов Российской научно-технической конференции. - Ковров, 2002. - С. 68-70.

6.Васильчиков С.А, Орлов A.B., Скворцов И.В. Макромоделирование тепловых процессов в нетиповых конструкциях радиоэлектронных средств// "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". Сборник материалов XV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов; под ред. профессора В.Н.Азарова. - М.: МГИЭМ, 2003. - С.282-284.

7. Васильчиков С.А. Роль моделирования тепловых процессов в обеспечении надежности при проектировании печатных узлов. Сборник материалов VI Научно-технической конференции "Высокие технологии в промышленности России" - М: ЦНИТИ "Техномаш", 2003г.- С. 152-153.

8. Васильчиков С.Д., Мельников С.Ю, Фомин О.Б. Моделирование тепловых процессов в радиоэлектронной аппаратуре в контексте САЬБ-технологий. Сборник материалов Научно-технической конференции "Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий " — М.: Радио и связь, 2004,- С.59-62.

ВАСИЛЬЧИКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ НА БАЗЕ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

АВТОРЕФЕРАТ ;

; диссертации на соискание ученой степени ч ; кандидата технических наук

^ Лицензия ПЛД №1 -00007 от 25.09.2000

- , Подписано в печать 17.11.2006. Формат 64x84/16 ■ , Бумага офсетная. Усл. пем. л. 1,44. Тираж 100 эю^ Заказ 2346 Отпечатано в ООО «Компания Спутник+». 109417 Москва. Рязанский проспект, 8а

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОН- 15 НОЙ АППАРАТУРЫ НА БАЗЕ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

1.1. Необходимость учета тепловых режимов работы РЭА на ранних стадиях проектирования.

1.2. Актуальность оценки надежности ПУ при анализе тепловых процессов в РЭА

1.3. Анализ основных показателей тепловой устойчивости ПУ РЭА при тепловых воздействиях.

1.3.1. Вероятность отказа ПУ из-за перегрева.

1.3.2. Поля тепловой нестабильности выходных электрических характеристик ПУ РЭА.

1.3.3. Коэффициент тепловой нагрузки ПУ РЭА.

1.4. Постановка задачи обеспечения тепловой устойчивости ПУ РЭА.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ НА БАЗЕ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

2.1. Функциональная схема метода повышения надежности ПУ РЭА при тепловых воздействиях.

2.2. Расчет тепловых режимов РЭА.

2.2.1. Анализ методов расчета тепловых режимов РЭА.

2.2.2. Метод моделирования тепловых процессов в РЭА на основе топологических моделей.

2.2.3. МТП печатных узлов РЭА.

2.3. Разработка алгоритма идентификации параметров модели тепловых процессов и оптимизации параметров элементов конструкции печатного узла.

2.3.1. Постановка задач идентификации параметров модели тепловых процессов и параметрической оптимизации.

2.3.2. Получение целевых функций и ограничений для задач параметрической оптимизации и идентификации параметров модели тепловых процессов в печатных узлах.

2.3.3. Выбор метода оптимизации и разработка алгоритма.

2.3.4. Получение функции параметрической чувствительности.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ В РАМКАХ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА АСОНИКА-ТМ

3.1. Порядок автоматизированного проектирования РЭА с печатными узлами.

3.2.Разработка структуры интегрированной САПР для проектирования РЭА и определение в ней места подсистемы обеспечения надежности приборов при тепловых нагрузках.

3.3. Разработка автоматизированной подсистемы проектирования теплоустойчивых приборов на базе ПУ в рамках программного комплекса АСОНИКА.

3.3.1. Разработка структурной схемы.

3.3.2. Разработка информационной модели подсистемы обеспечения надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ НА БАЗЕ ПУ НА ЭТАПАХ

КОНСТРУКТОРСКОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА

4.1. Использование способа повышения надежности на этапе конструкторской подготовки производства.

4.2. Применение метода и методики повышения надежности на этапе технологической подготовки производства.

4.2.1. Пайка волной припоя.

4.2.2. Пайка инфракрасным излучением.

4.3. Выводы.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

ПРИБОРОВ НА БАЗЕ ПУ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

5.1. Повышение надежности приборов на базе ПУ на этапе проектирования.

5.2. Повышение надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях на этапе изготовления (при различных видах пайки).

5.3.0сновные этапы ТП приборов, на базе ПУ, надежность которых была повышена.

5.4. Выводы.

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 (BETAsofl-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-технологический цикл проектирования и изготовления приборов на базе ПУ.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Исследование методик расчета надежности конструкций приборов на базе ПУ с учетом тепловых воздействий и методов повышения надежности.

2. 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.

4. Разработка программного комплекса для анализа надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий (в рамках системы АСОНИКА).

5. Разработка методики проектирования теплоустойчивых приборов на базе печатных узлов.

6. 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;

2. Разработана целевая функция, отличающаяся от существующих тем, что позволяет связать критерий оценки надежности приборов на базе ПУ при тепловых воздействиях с геометрическими и теплофизическими параметрами ПУ, которая может использоваться для решения задач повышения надежности ПУ на этапах проектирования и изготовления ПУ

3. 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 научнотехнической конференции молодых ученых и студентов "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, Красноярский государственный технический университет (КГТУ), 2004г.); на международной научнотехнической 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:

5.4. Выводы

В данной главе были приведены примеры использования способа повышения надежности на этапе конструкторской и технологической подготовки производства. Был произведен расчет теплового режима, а также расчет оптимизации теплофизических для следующих приборов: блок цифровой обработки сигнала для КБ ИГАС "Волна" (г. Москва), а также бортовых ЭВМ БЦВМ- 386-6 и БЦВМ-900 для РПКБ (г. Раменское).

На примере отдельных элементов этих приборов был осуществлен расчет оптимизации для параметров технологического процесса пайки.

Во всех случаях надежность исследуемых ПУ была повышена, что подтверждает эффективность данного способа.

В заключении были рассмотрены основные этапы технологических процессов изготовления ПУ, надежность которых была повышена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Разработан способ повышения надежности печатных узлов при тепловых воздействиях, суть которого сводится к расчету таких конструкционных (геометрических теплофизических), а также параметров технологических процессов ПУ (в частности, параметров пайки), при которых суммарная тепловая нагрузка радиоэлементов ПУ будет минимальной, и при этом будут соблюдаться все необходимые ограничении (по массогабаритным показателям ПУ, по качеству пайки, и др.)

На базе данного способа разработаны алгоритмы, программная часть, и методика расчета, делающие возможным его использование в рамках программного комплекса АСОНИКА-ТМ, и дающие разработчику эффективный инструмент для оценки надежности ПУ при тепловых воздействиях.

1.Применение данного способа на этапе конструкторской подготовки производства позволяет:

• повысить точность расчета температурных характеристик за счет применения на ранних стадиях расчета идентификации неизвестных теплофизических параметров элементов ПУ;

• повысить надежность проектируемого печатного узла и его стойкость к тепловым воздействиям за счет подбора оптимальных с точки зрения теплового режима параметров элементов ПУ;

• снизить время проектирования за счет уменьшения числа расчетных итераций;

• уменьшить вероятность ошибки при изменении структуры ПУ за счет снижения доли человеческого фактора в принятии решения;

• экономить материальные ресурсы за счет сокращения числа испытаний опытных образцов проектируемых ПУ;

• повысить эффективность процесса проектирования за счет разработанной в рамках данной работы единой методики автоматизированного проектирования теплоустойчивых ПУ. 2. Применение данного способа на этапе технологической подготовки производства позволяет:

• устранить выход из строя ЭРЭ при различных видах пайки (ручная, пайка волной припоя, пайка ИК-излучением) за счет за счет подбора параметров пайки, оптимальных с точки зрения тепловых режимов;

• устранить тепловой удар печатной платы за счет учета параметров, при которых наступает тепловой удар, в качестве ограничений при расчете параметров пайки;

• снизить затраты ресурсов за счет подбора оптимальных параметров на этапе изготовления ПУ.

Таким образом, разработанный способ позволяет повысить надежность ПУ к тепловым воздействиям как на стадии технологической подготовки производства, так и на стадии изготовления.

Расчетные алгоритмы, созданные на основе разработанного способа повышения надежности ПУ при тепловых воздействиях, и методики его применении на этапах конструкторской и технологической подготовки производства использовались для проведения большого числа практических расчетов. Их эффективность подтверждена актами внедрения, прилагающимися к данной диссертации.

1. Способ Д.А., Васильчиков С.А., Игнатьев А.А. Автоматизированная подсистема моделирования тепловых и механических процессов в печатных узлах АСОНИКА-ТМ// Техника машиностроения. 2002. - № 3. - С.36 - 40.

2. Васильчиков С.А. Роль моделирования тепловых процессов в обеспечении надежности при проектировании печатных узлов. Сборник материалов VI Научно-технической конференции "Высокие технологии в промышленности России" М: ЦНИТИ "Техномаш", 2003г;

3. Сотоков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М.: Высшая школа, 1970. - 271 с.

4. Беккер П., Йенсен Ф. Проектирование надежных электронных схем./ Пер. с англ. -М.: Сов. радио, 1984, 256 с.

5. Половко А. М. Основы теории надежности.-М.: Наука, 1982 446 с.

6. Дружинин Г.В. Методы оценки и прогнозирования качества М.: Радио и связь, 1982.- 160 с.

7. Пестряков В.Б. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов.радио, 1975.-208с.

8. Фомин А.В., Борисов В.Ф., Чермошенский В.В. Допуски в РЭА М.: Сов. радио, 1979.- 128с.

9. Лисицын А.В., Ситникова С.С., Шрамков И.Г. Обеспечение безотказности и стабильности РЭА с учетом тепловых режимов. В сб. тезисов и аннотаций XXXIУ Всесоюзной научной сессии, посвященной дню Радио, М.,1979, 130с.

10. Гуткин JI.C. Оптимизация радиоэлектронных устройств. М.: Сов.радио, 1982.-367 с.

11. Ларин А.Г., Томашевский Д.И., Шумков Ю.М. Машинная оптимизация электронных узлов РЭА. М.: Сов. радио, 1978. - 192 с.

12. Мишустин И.А. Самостабилизирующиеся каскады.-М.: Энергия, 1980.-200с.

13. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов.-М:, Радио и связь, 1990г. -465 с.

14. Сарафанов А.В. Комплексная модель и методология исследования характеристик РЭС на ее основе// Интернет в образовании и технических приложениях: Сборник науч. трудов. М.:МГИЭМ, 2000г - 150с.

15. Андреев А.И., Борисов А.А., Гольдин В.В., Журавский В.Г., Кофанов Ю.Н., Шалумов А.С. РДВ 319.01.05-94. Аппаратура военного назначения. Принципы применения математического моделирования при проектировании редакция ЦНИИИ МО РФ, 2000г 320с.

16. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э .М. Теплообмен в радиоэлектронной аппаратуре.- Л.: Энергия, Ленинградское отд., 1988. 360с.

17. Маквецов Е.Н. Машинный анализ стационарных тепловых процессов в монолитных блоках РЭА. В сб. Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества РЭА /Под общей ред. Ю.Н.Кооанова, М., 1978, с.68-69.

18. Маквецов Е.Н. Модели из кубиков. М.:Сов.радио, 1978. -192с.

19. Дульнев Т.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры.- Л.: Энергия, Ленинградское отд., 1971. 248с.

20. Кузьмин Ф.Л. Задачи и методы оптимизации показателей надежности. М.: Сов.радио, 1972. - 224с.

21. Дьяченко З.Ф. Основные понятия вычислительной математики. -I М.:Наука, 1972. 120с.

22. Заворин А.Н. Численный анализ, полупроводниковых схем на основе модели Линвилла. -Рига: Зинатне, Латвийский математический ежегодник, 1972, № 10, с.229-243.

23. Залесский A.M. Основы теории электрических аппаратов. М.: Высш.школа, 1974.- 184с.

24. Кофанов Ю.Н., Лисицын А.В., Стрелков П.А. Программа анализа на ЭВМ тепловых режимов РЭА. В кн.: Проектирование вычислительных устройств и систем с помощью ЭВМ /Под ред.К.А.Сапожкова, ч.П. - Саратов: изд. Саратовского университета, 1978, с.100-101.

25. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. Киев: Техника, 1977. -768с.

26. Сигорский В.П., Петренко А.Л. Алгоритмы анализа электронных схем. М.: Сов.радио, 1976-608с.

27. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн. 9. Иллюстрированный словарь/ Под ред. И.П. Норенкова. М.: Высшая школа, 1986.-86 с.

28. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры / П.И. Овсищер, Ю.В. Голованов, В.П. Ковешников и др.; Под ред. П.И. Овсищера. М.: Радио и связь, 1988.-232 с.

29. Кофанов Ю., Потапов Ю., Сарафанов А. Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры "АСОНИКА-Т" // CHIP NEWS Инженерная электроника: Научн.-техн. журн. - М.: "CHIP NEWS", 2001. №6 (59). С. 56-58.

30. Кофанов Ю.Н., Сарафанов А.В., Трегубов С.И. Автоматизация проектирования РЭС. Топологическое проектирование печатных плат: Учебное пособие. Дополненное и переработанное- Москва: Радио и связь, 2001. 215 с.

31. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Из-во: «Наука», Гл. редакция физико-матем. литературы. М.; 1974

32. Парфенов Е.М. Базовый принцип конструирования РЭА. М.: Радио и связь, 1981.- 160с.

33. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учеб.пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1980.-311с.

34. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике: Пер.с англ. М.: Мир, 1975.-541с

35. Солодовников И.В. Языки, программное обеспечение и организация систем имитационного моделирования. М.: Машиностроение, 1982. - 48с.

36. Химмельблау Д.М. Прикладное нелинейное программирование: Пер.с англ. М.: Мир,1975. - 534с.

37. Автоматизированное проектирование цифровых устройств/С.С.Бадулин, Ю.М.Барнаулов, В.А.Бердышев и др. М.: Радио и связь, 1981, - 240с.

38. Норенков И.П. Разработка систем автоматизированного проектирования: Учебник для вузов. -М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1994. 207с.

39. Норенков И.П., Маничев В.Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1983. - 272с.

40. Кренкель Т.Э., Коган А.Г., Тараторкин A.M. Персональные ЭВМ в инженерной практике. М.: Радио и связь, 1989. - 337с.

41. Мосин В.Н., Трайнев В.А. Управление процессом проектирования. М.: Моск.рабочий, 1980. - 128с.

42. Карберри П.Р. Персональные компьютеры в автоматизированном проектировании: Пер. с англ. М.: - Машиностроение, 1989. - 144с.

43. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.9. Иллюстрированный словарь/ Под ред. И.П.Норенкова. М.: Высшая школа, 1986. - 86с.

44. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.5. П.К.Кузьмик, В.Б.Маничев. Автоматизация функционального проектирования: Учеб. пособие для втузов; Под ред. И.П.Норенкова. М.: Высшая школа, 1986. - 144с.

45. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления: Учеб.для вузов. М.:Высш.шк.,1991. - 335с.

46. Глушков В.М., Капитонова Ю.В., Летичевский А.А. Автоматизация проектирования вычислительных машин. Киев: Наукова думка, 1975. - 332с

47. Дульнев Г.Н. Теория теплового режима некоторых конструкций радиоэлектронных устройств. В.сб. "Конвективный и лучистый теплообмен", изд. АН СССР, М., I960, с. 31-46.

48. Кофанов Ю.Н., Лисицын А.З., Галиулин З.М. Программа расчета тепловых режимов РЭА, представленной в виде эквивалентной модели. Per. номер П004066. В информационном бюлл. Алгоритмы и программы № 2(34), 1980, с .6-7.

49. Кофанов Ю.Н., Лисицын А.В., Стрелков П.А. Программа анализа на ЭВМ тепловых режимов РЭА. В кн.: Проектирование вычислительных устройств и систем с помощью ЭВМ /Под ред.К.А.Сапожкова, ч.П. - Саратов: изд. Саратовского университета, 1978, c.IOO-IOI.

50. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров М.: Наука, 1977. 832с.

51. Лисицын А.В., Галиулин В.М. Использование градиентного метода оптимизации в задаче обеспечения теплового режима РЭЛ. -В кн.: Чувствительность электронных и электромеханических устройств и систем. -М.: Сов.радио, 1979, с.45.

52. Лисицын А.В., Чернушенко Л.У., Шрамков И.Г. Эффективный метод расчета стационарных тепловых режимов РЭА. В сб. тезисов докладов научно-технической конференции "Автоматизация проектирования РЭА на промышленных предприятиях", Запорожье, 1977, с.35-36.

53. Лыков А.В. Теория тепловодности. М.: Энергия, 1972. - 316с.

54. Лыков А.В. Тепломассообмен (справочник). М.: Энергия, 1972,- 650с.

55. Мартыненко О.Г. Теплообмен свободном конвекцией и излучением на вертикальной плоской поверхности. ИФЖ, 1977, № 6,т.32, с I07I-I079

56. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.:Энергия, 1973. -320с.

57. Моделирование и оптимизация на ЭВМ радиоэлектронных устройств (Под ред.З .М.Бенсопа, М.Радио и связь, 1981. -272с.)

58. Оциск М.Н. Сложный теплообмен. М.: Мир, 1976. - 640 с

59. Попов В.М. Обобщенные зависимости для определения термического контактного сопротивления. ИФЖ, 1977, № I, т.ЗЗ, с.97-100.

60. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления, М.: Физматгиз, I960. - 883с

61. Роткоп JI.JI., Спокойный Ю.Д. Обеспечение тепловых режимов при конструирования РЭА. М.: Сов.радио, 1976, - 232с.

62. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. М.: Атомиздат, 1979. - 216с.

63. Феломанис. Расчет тепловых потоков методом электротермических аналогий. Электроника, № 10,1974, с.57-65.

64. Фукс Л.Г. Свободная конвекция в нагретой вертикальной щели .- Изв. ВУЗов, сер Энергетика, №3,1961, с.64-66.

65. Чахмахсазян З.А., Бармаков Ю.И., Гольдонберг А.Э. Машинный анализ интегральных схем. М.: Сов .радио, 1974. - 272с.

66. Чернышев А.А., Иванов В.И.„ Аксенов АЛ., Глушкова Д.Н. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники. М.Энергия, 1980. - 216с.

67. Типовая методика. Расчет тепловых режимов РЭА с помощью ЭВМ Минск-32, М.: МИЭМ, 1977.-36с.

68. Автоматизированная подсистема АСОНИКА-Т для исследования тепловых режимов РЭА. Общее руководство. М.: МИЭМ, 1979. - 42с.

69. Методика подготовки исходных данных для автоматизированного расчета тепловых режимов РЭА (методика № I для подсистемы АСОНИКА-Т). М.: МИЭМ, 1979. - 28с

70. Методика подготовки доходных данных для автоматизированного расчета тепловых режимов РЭА в гибридно-пленочном исполнении (методика № 2 для подсистемы АСОНИКА-Т). М.: МИЭМ, 1979. -20с.

71. Методика подготовки исходных данных для автоматизированного расчета тепловых режимов печатных узлов РЭА (методика № 3 для подсистемы АСОНИКА-Т). М.: МИЭМ, 1979. - 14с.

72. Методика подготовки данных для автоматизированного расчета тепловых режимов печатных узлов РЭА с использованием Базы данных (методика № 4 для подсистемы АСОНИКА-Т). М.: МИЭМ, 1981. - 15с.

73. Методика подготовки исходных данных для расчета тепловых режимов радиаторов для охлаждения полупроводниковых приборов (методика № 5 для подсистемы АСОНИКА-Т). М.: МИЭМ, 1981,-20с.

74. Типовая методика. Построение расчетных тепловых моделей РЭА для автоматизированного проектирования. М: МИЭМ, 1979.- 56с.

75. Автоматизированная подсистема анализа тепловых характеристик РЭА АСОНИКА-Т. Технический проект. -М.: МИЭМ, 1983.- 46с.

76. Гради Буч Объектно-ориентированные методы анализа и проектирования на примере использования языка С++.-М. Питер 2002г.