Исследование и разработка путей повышения надежности приборов на базе печатных узлов с учетом тепловых воздействий

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», 2003 г.), на Всероссийской научнотехнической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, Красноярский государственный технический университет (КГТУ), 2004 г.) — на международной научнотехнической конференции «Системные проблемы качества, надежности, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2004 г., 2005 г., 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.