Материал: Моделирование температурных полей микроэлектронных устройств и приборов методические указания к лабораторным работам
ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"
Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
И ПРИБОРОВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам
по дисциплинам «Теплофизические процессы в приборах», «Теплофизические процессы в электронных средствах» для студентов направлений подготовки бакалавров 200100.62 «Приборостроение» профиль «Приборостроение», 211000.62, «Конструирование и технология электронных средств» профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» очной и заочной форм обучения.
Воронеж 2012
Составитель: д-р техн. наук А.В. Муратов, канд. техн. наук Н.В. Ципина
УДК 621.3
Моделирование температурных полей микроэлектронных устройств и приборов: методические указания к лабораторным работам по дисциплинам «Теплофизические процессы в приборах», «Теплофизические процессы в электронных средствах» для студентов направлений подготовки бакалавров бакалавров 200100.62 «Приборостроение» профиль «Приборостроение», 211000.62, «Конструирование и технология электронных средств» профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» по дисциплинам “Теплофизические процессы в приборах”, “Теплофизические процессы в ЭС” очной и заочной форм обучения/ ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет; сост. Н.В. Ципина. Воронеж,
2012. 53 с.
В лабораторных работах приводятся краткие теоретические сведения по моделированию температурных полей стоек, блоков, микросборок и модулей на печатных платах, температурных режимов и расчет надежности интегральных микросхем и микросборок с помощью программно-методических комплек-
сов TPL и MSB.
Методические указания снабжены рекомендуемой литературой.
Табл. 6. Ил.18. Библиогр.: 7 назв.
Рецензент д-р техн. наук, проф. О.Ю. Макаров Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук,
проф. А.В. Муратов
Ф ГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2012
Лабораторная работа № 1
РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТОЕК ЭС
1.ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ
1.1. Цель работы - изучение моделей и методов исследования теплового режима сложных систем ЭС и расчет их тепловых характеристик с использованием специализированного программного комплекса.
1.2. Содержание работы Лабораторная работа состоит из домашнего и лабораторно-
го заданий. Домашнее задание заключается в изучении методики расчета стационарного и нестационарного тепловых режимов стойки при использовании воздушного охлаждения, применяемых математических моделей и способов решения уравнений теплового баланса. При выполнении лабораторного задания проводится моделирование тепловых характеристик стойки для различных режимов работы при воздушном охлаждении.
2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ
Для выполнения задания необходимо проработать материал, изложенный в [1. с. 14-21. 26-30. 68-70. 75-79. 95-96. 163-166, 172177; 2 с.30-35, 60-65, 74-75, 84-923 и в данном разделе.
Основными вопросами, требующими проработки, являют-
ся:
метод поэтапного моделирования;
тепловые модели с неупорядоченным и упорядоченным расположением тел;
метод электротепловой аналогии и тепловые схемы;
математические модели с сосредоточенными параметрами;
метод эффективного тела;
тепловые проводимости конвекцией и излучением.
В соответствии с методом поэтапного моделирования исследование температурных полей комплекса РЭС начинается с верхнего у ровня конструктивной иерархии - стойки. Расчет теплового режима стойки РЭС заключается в определении среднеповерхностных температур блоков, корпуса стойки и среднеобъемной температуры воздуха внутри корпуса. Тепловой моделью стойки является система тел с сосредоточенными теплофизическими параметрами, показанная на рис. 1.
Рис. 1. Тепловая модель стойки: 1 - корпус стойки; 2 - блоки
Блоки моделируются параллелепипедами (1...N-2) с размерами lххlухlz, находящимися внутри замкнутой прямоугольной оболочки N - корпуса стойки (LxxLyxLz). Воздух, протекающий внутри стойки, рассматривается как тело с номером N-1. Теплообмен между блоками, воздухом внутри корпуса и корпусом, а также между блоками, корпусом и окружающей средой осуществляется путем конвекции и излучения. Выделяемая в бло-
2
ках тепловая энергия передается воздуху, другим блокам, имеющим более низкую температуру, а также идет на нагревание самого блока. Математическая модель, описывающая процесс теплообмена в данной модели, составляется методом теплового баланса и представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений:
Ci |
d |
|
ic i |
|
N |
j |
) P, i 1, N 2, |
|
i |
ij ( i |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
j 1. j 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(N 1) j( N 1 |
j ) 2C p G N 1 |
2(C p )G вх , |
||||||||||||||||
j 1, j N 1 |
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
N 1 |
|
|
( |
|
|
|
) P |
, |
||
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
B |
d |
|
NC |
|
|
N |
|
|
Nj |
|
N |
|
j |
n |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
j 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1)
с начальными условиями
|
(0) 0, i 1, N 2, |
i |
|
(2)
где Сi, CN – полные теплоёмкости блоков и корпуса стойки; υi, υN-1, υN - перегревы блоков, воздуха внутри стойкий
корпуса;
τ - время;
σic, σNc - тепловые проводимости блок-среда и кор-
пус-среда;
σij, σ (N-i)j, σNj - тепловые проводимости блок-блок, воз- дух-блок и воздух-корпус, корпус-блок и корпус-воздух;
Pi, PN - мощности, выделяемые в блоках, и суммарная мощность стойки;
ср - удельная теплоемкость воздуха;
G - массовый расход воздуха.
Для решения системы (1) - (2) используются численные (например, метод Эйлера) или аналитические методы. Точные
решения в аналитической форме могут быть получены для N = 4, при большей размерности задачи применяются приближен-
ные способы, одним из которых является метод эффективного
тела. Сущность данного метода заключается в поочередном выделении из всей совокупности тел одного i-го тела и расчете его
3