CC BY
28
4
ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ, МАССЫ, ИМПУЛЬСА И ИНФОРМАЦИИ
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ МОДУЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ПАМЯТИ
А.В. Шарков, В.И. Егоров, Г.В. Бирюлин, С.А.Туркунов
Рассчитан тепловой режим модуля электронной памяти, приведена методика замены многослойных стенок однослойной анизотропной в конечноэлементной модели, с помощью мультифизического моделирования рассчитаны граничные условия вынужденной конвекции.
Введение
В современных вычислительных машинах одним из основных элементов является электронная память, которая наряду с микропроцессором критически влияет на быстродействие вычислений и должна поддерживаться при нормальном тепловом режиме, так как даже небольшой перегрев модулей приведет к сбоям в работе. С ужесточением требований плотности упаковки в БНК всех уровней возникает проблема максимально эффективного использования площади печатных плат и узлов аппаратуры. В связи с этим был предложен 3D дизайн функционального модуля памяти (рис. 1) как наиболее востребованного узла вычислительной техники. При такой плотности компоновки элементов в современной РЭА нельзя довольствоваться обычными приближенными методами теплового расчета, так как перегрев даже в одной точке на два градуса может оказаться критичным для жизнеспособности всего блока в целом, поскольку при использовании многоэтажной структуры построения вычислительного модуля важно помнить, что тепловая мощность распределяется не только в плоскости X, Y, но и по вертикальной оси Z. Это значительно усложняет обеспечение оптимального теплового режима модуля. Поэтому при неравномерном распределении мощности в объеме модуля необходимо создавать трехмерную численную модель, по возможности избавляясь от мелких элементов или учитывая их влияние в свойствах соседних, более крупных элементов [1].
Рис. 1. 3D модель вычислительного блока
Современные конечно-элементные программные пакеты позволяют решать такие задачи для точных моделей с учетом всех деталей, но требуют больших затрат машинного времени и большой оперативной памяти.
Рис. 2. Схематичное изображение модуля электронной памяти в разрезе: 1 -подложка, 2 - кристалл, 3 - выводы, 4 - полиимидная пластина с медным покрытием, 5 - диэлектрик, 6 - алюминиевый кожух, 7 - основание, 8 - воздушные прослойки
между подложками
Конструктивно рассчитываемый вычислительный модуль (рис. 2) состоит из расположенных параллельно друг над другом восьми подложек размером 24x25 мм, на каждую из которых приклеены 4 кристалла. Перпендикулярно плоскости подложки расположены 4 печатные платы, выполненные из фольгированного полиимида. В отверстия этих плат вставляются выводы подложек. Полиимидные кроссплаты электрически соединяются с нижней коммутационной платой, имеющей внешние для модуля выводы. Конструкция защищена металлическим кожухом. Между полиимидными кроссплатами и кожухом расположен слой диэлектрика. Суммарная потребляемая мощность составляет 0,8 Вт. Максимальная температура среды +85 °С.
Методика расчета температурного поля
Расчет проводился в конечноэлементном пакете СОМБОЬ МиШрЬувюБ. Несмотря на то, что расчет проводился в стационарном режиме, из-за нелинейности заданных свойств (лучистый теплообмен между подложками и со средой), для сокращения машинного времени было необходимо уменьшить количество узлов сетки в разработанной трехмерной модели, так как из-за требуемых сгущений сетки на тонких прослойках и выводах в первоначальной модели было построено около 5x10 элементов. На предварительном этапе расчета для замены многослойных конструкций однородными стенками с аналогичными свойствами были определены эффективные значения теплопроводности для материала подложек и кроссплат, а также найдено эффективное значение теплопроводности для стенки между подложкой и кроссплатой, которая заменяет в модели 16 выводов с каждой стороны подложки.
В связи с тем, что подложки представляют собой многослойные пластины с чередованием высоко- и низкотеплопроводных слоев различной толщины, эффективная теплопроводность в продольном и поперечном направлении будет различаться. Это справедливо и для кроссплат, которые состоят из слоя полиимида с теплопроводностью 0,25 Вт/мхК и 16 параллельных токоведущих дорожек из медной фольги с теплопроводностью 400 Вт/мхК. Причем на кроссплатах эффективная теплопроводность в продольном направлении вдоль и поперек полосок будет также различаться. Для стенки, заменяющей выводы по краям кроссплаты, также задается анизотропная теплопроводность в одном направлении - вдоль выводов, по другим направлениям составляющие теплопроводности задаются равными нулю.
Значения анизотропной теплопроводности вышеперечисленных элементов вычислялись путем проведения численных экспериментов. Создавались трехмерные модели каждого элемента, и выяснялись перепады температур между противоположными границами при заданном потоке q, с одной стороны, и нулевой температуре - с другой. Теплопроводность вычислялась по закону Фурье для стенки
1 Т2 - Т
q = 1—-1
I
(1)
При варьировании граничных условий на модели многослойной стенки и однородной стенки с эффективной анизотропной теплопроводностью было определено, что для диапазона возможных потоков погрешность вычисления температурного поля, вызванная такой заменой, не превышает 2%.
Поле скоростей [м/с]
Рис. 3. Модель воздушного потока, в разрезе. Треугольниками изображены вектора
После упрощения итоговая трехмерная модель разбивалась на 104 элементов, что значительно сократило время расчета и позволило применять параметрический расчет для варьирования внешних условий и свойств диэлектрической прослойки.
Граничные условия задавались при условии температуры среды 85 °С, коэффициента конвективной теплоотдачи в условиях свободной конвекции 5 Вт/мхК, а коэффициента черноты поверхности 0,9. Рассматривались случаи вынужденной конвекции, со скоростью потока от 0,1 до 5 м/с. На основании задавалось граничное условие I рода -среднеповерхностная температура кожуха.
В общем виде граничные условия для случая свободной конвекции задавались в программе с помощью уравнения
n (XV I) = q0 + а(Тсреды -1) + Const(Tpad 4 - T4 ) (2)
Здесь Const - произведение постоянной Стефана-Больцмана 5,67х*10-8 Вт/(м2хК4) на коэффициент черноты поверхности.
Так как известна только потребляемая мощность модуля, а частота обращения к каждой из микросхем памяти заранее непредсказуема, рассматривалось три случая.
A) Мощность распределена равномерно по всем кристаллам с частотой обращения к кристаллам 40 нс.
Б) Работают только четыре кристалла на одной из подложек (3 или 4 этажа восьмиэтажного блока будут являться худшим случаем в данном варианте).
B) Вся мощность выделяется на одном кристалле определенного этажа.
Для случая В был проведен стационарный параметрический расчет в мультифи-зической модели с учетом вынужденной конвекции. Поток воздуха моделировался при помощи уравнения Навье-Стокса [2], кожух связывался с моделью воздушного потока по полю температур (рис. 3), граничные условия задавались на входе в объем в виде параболического распределения скоростей на входе, и атмосферным давлением на выходе в среду. Температура воздуха принимались равной 85 °С.
Результаты расчетов
Максимальная температура в модуле (6=111,9) 103 -1-1-1-1-1-1-г-
94 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Скорость м/с
Рис. 4. Зависимость максимальной температуры в модуле от скорости потока воздуха
В результате расчета были получены следующие значения температур для трех вариантов распределения источников мощности в объеме.
Случай А Б В
Максимальная температура в модуле 98,5 101,8 109,5
Среднеповерхностная температура кожуха 97,5 96,9 97,2
Таблица 1. Результаты трехмерного моделирования при естественной конвекции и коэффициенте черноты поверхности 0,9 °С.
Результаты расчета для случая В приведены на рис. 4.
Заключение
Самым худшим с точки зрения теплового режима является случай В, когда вся мощность выделяется на одной микросхеме. Так как это превышает максимальную допустимую температуру на кристалле (105 °С), необходимо принять меры для обеспечения нормального теплового режима. В результате расчета было показано, что даже слабый поток воздуха (0,1 м/с) снижает температуру модуля до допустимых значений.
Также необходимо увеличить площадь металлизации коммутирующих слоев, ввести фальш-ножки или так называемые слепые выводы для лучшего отвода тепла от кристаллов.
Помимо этого, следует принять во внимание возможность применения новых методов конструирования блоков с использованием высокотеплопроводных материалов на основе углепластиков или карбидкремниевых структур.
Программирование блока должно быть организовано таким образом, чтобы исключить постоянную работу одного кристалла или только одного этажа и тем самым обеспечить квазистационарный тепловой режим работы модуля.
Но самым основным, пожалуй, окажется увеличение плотности упаковки внутри самого модуля и тем самым ликвидация излишних «тепловых пробок» или зон низкой теплопроводности.
Литература
1. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. -М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.
2. Патанкар С. Численное моделирование задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 312 с
3. Бирюлин Г.В. Егоров В.И. Применение ЭВМ для решения задач теплопроводности. Учебное пособие. - СПб: СПб ГУ ИТМО, 2006. - 79 с.
4. Дульнев Г.Н. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. - М.: Энергия, 1968. -359 с.
