Возможности проведения расчета теплового режима печатных плат в системе имитационного моделирования Ansys Icepack Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Космическое электронное приборостроение

УДК 519.873

В. М. Карабан, И. О. Суслов Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Россия, Томск

ВОЗМОЖНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В СИСТЕМЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ANSYS ICEPACK

В связи с увеличением степени интеграции радиоэлектронной аппаратуры все более актуальной становится задача создания таких моделей печатных плат, которые обеспечили бы высокую точность расчета, при низких временных затратах. Одним из лидирующих программных продуктов применимых для решения подобных задач, является Ansys Icepack (Ansys.inc)[1]. Но отсутствие какой-либо информации на русском языке, до настоящего времени, препятствовало его внедрению в проектирование высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры.

В Icepack [1], для теплового моделирования печатных узлов используется 4 вида моделей, различных по своей структуре и применимости:

Пустотелая модель - простейшая модель печатной платы. В качестве параметров задается теплопроводность нижней и верхней грани платы, а также высота элементов.

Компактная модель - модель печатная платы, фактически являющаяся блоком с ортотропной теплопроводностью (см. рисунок).

Детализированная модель - модель позволяющая проводить расчет для многослойных печатных плат. В качестве входных данных задается толщина и материал подложки, общая рассеиваемая мощность, а также мощность, рассеиваемая с каждой поверхности. Для проводящих слоев задается толщина, материал и площадь покрытия.

Топологическая модель - с помощью встроенных инструментов Icepak осуществляется импорт проводников (из файлов программных продуктов Cadence, Synopsys, Zuken и Mentor), которые привязываются к поверхности платы. Далее Icepack вычисляет локальные значения теплопроводности по топологии проводников на основе виртуальной сетки. Значение теплопроводности, в свою очередь, привязывается к сетке решателя Icepack.

Анизотропный материал РЯ4 (К=0.3 Вт\м*К)

К (в плоскости) = 27 Вт\м*К К (по нормали) = 0.34 Вт\м*К

ияои меди

Компактная модель Детализированная модель

Слои меди учитываются в Слои меди моделируются

итоговой теплопроводности отдельно

платы

Иллюстрация компактной и детализированной модели

Также при проведении расчетов теплового режима печатных узлов Icepack позволяет учитывать нагрев проводников за счет протекающего тока (Закон Джо-уля-Ленца):

Q = I2 R, (1)

где Q - количество теплоты, выделяемое проводником; I - ток, протекающий по проводнику; R - сопротивление проводника.

Использование данной опции особенно полезно при проектировании сильноточных устройств, в которых основной нагрев идет как раз за счет тепловыделения проводников [2]. В качестве входных данных указывается удельное сопротивление проводника, его длина и значение протекающего тока.

Рассмотрим принцип работы Icepack при создании компактной модели на основе примера. Входные данные:

количество внутренних слоев меди = 6;

площадь покрытия каждого слоя медью = 40 %;

толщина верхнего, нижнего и внутренних слоев меди = 35 мкм;

толщина подложки из FR4 = 145 мкм;

теплопроводность меди = 388 Вт/м-К;

теплопроводность FR4 = 0.35 Вт/м-К.

Теплопроводность в плоскости:

Кп = (8 ■ 35 ■ 10-6 ■ 388 ■ 0.4 + 7 ■ 145 ■ 10-6 ■ 0,35) / / (8 ■ 35 ■ 10-6 + 7 ■ 145 ■ 10-6) = 33,06 Вт/м-К.

Теплопроводность по нормали:

Кн = 1,29 ■ 10-3/((8 ■ 35 ■ 10-6/388) + + (7 ■ 145 ■ 10--6/35)) = 0,44 Вт/м-К.

Из вышеприведенных расчетов видно, что при использовании компактной модели, наибольшее влияние на итоговую теплопроводность модели оказывает теплопроводность в плоскости, нежели по нормали. В свою очередь на теплопроводность в плоскости, большее влияние оказывают слои меди, в то время как на теплопроводность по нормали влияет слой диэлектрика.

Использование возможностей Ansys Icepack при проведении расчетов тепловых режимов печатных

Решетневские чтения

узлов высоконадежной бортовой РЭА, позволило значительно сократить временные и вычислительные затраты. Также по результатам работы было про-ведено сравнение точности вычислений, проведенных в Icepack и Ansys Workbench, которое показало, что применение специальных инструментов позволяет достичь десятипроцентного увеличения точности расчета.

Библиографические ссылки

1. ANSYS Costumer Portal // ANSYS : сайт. URL: http://www1.ansys.com/customer/content/documentation/ 127/adv_pcb.pdf (дата обращения: 1.09.2012)/

2. Дульнев Г. Н., Тарновский Н. Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Л. : Энергия, 1971.

V. M. Karaban, I. O. Suslov Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia

THERMAL MODELING CAPABILITIES OF PCB'S IN ANSYS ICEPACK

Due to the increasing integration of CEA, become a pressing task modeling of the thermal regime is not only block as a whole, but also of individual printed circuit assemblies. One of the leading software products applicable for such tasks is Ansys Icepack (Ansys.inc). But the absence of any information in Russian, so far, prevented its application to the design of highly reliable CEA.

© Карабан В. М., Суслов И. О., 2012

УДК 629.7.058.82, 62-716

В. В. Климаков

Рязанский государственный радиотехнический университет, Россия, Рязань

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ЭЛЕМЕНТОВ СЕРВИСНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ БЕСПЛАТФОРМЕННЫХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ КОНВЕКЦИОННЫХ ПЛАТ И ТЕПЛОВЫХ ТРУБ *

Проведены исследования возможности эффективного отвода тепла от наиболее теплонагруженных элементов БИНС. Разработаны экспериментальные макеты плоских конвекционных плат и теплопередающих панелей на основе тепловых труб, обеспечивающие отвод тепла при минимальном перепаде 0,6 °С.

Отвод тепла от элементов, расположенных внутри современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), главным образом осуществляется за счет естественной конвекции. Однако ис-

пользование пассивного конвективного теплообмена в качестве основного механизма при отводе тепла от элементов плат сервисной электроники БИНС недостаточно для надежного функционирования системы.

Рис. 1. Плоская конвекционная плата (1) и теплопередающая панель на основе сборки тепловых труб (2)

Рис. 2. Исследование режима работы конвекционных

плат и тепловых панелей: 1 - конвекционная плата; 2 - теплорассеивающие ребра; 3 - нагреватель; 4 - термодатчики

*Работа выполнена при поддержке «Союза ИТЦ России».