WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Карабан Вадим Михайлович ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2009 2

Работа выполнена на кафедрах прикладной информатики и математики, конструирования и производства радиоаппаратуры Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Тимченко Сергей Викторович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент Крайнов Алексей Юрьевич кандидат физико-математических наук, ст.н.с. Казаков Вениамин Юрьевич

Ведущая организация: ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», г. Железногорск.

Защита состоится « 04 » декабря 2009 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 34а.

Автореферат разослан « 03 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.267.13 Ю. Ф. Христенко доктор технических наук 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В своей работе радиоэлектронная аппаратура (РЭА) специального назначения подвергается воздействию самых разнообразных факторов, в том числе и – температуры среды, которая в значительной степени влияет на параметры, как отдельных элементов, так и устройств в целом.

Микроэлектронная элементная база III и IV поколений, выполненная с помощью методов интегрально-групповой технологии, позволяет достигнуть высокой стабильности параметров работы РЭА, однако в ряде случаев требования к стабильности таковы, что для обеспечения заданной надежности и режима функционирования необходимо применять специальные методы термостабилизации, одним из которых является микротермостатирование.

Развитие микроэлектроники предоставляет возможность более широкого и эффективного использования микротермостатирования, обусловленную тем, что термостабилизируемые элементы РЭА и само устройство микротермостатирования – микротермостат (МТ) может выполняться за единый технологический цикл, в едином корпусе.

Обоснованное и рациональное использование микротермостатирования, как перспективного метода термостабилизации, позволяет улучшить параметры РЭА. Однако в настоящее время не нашли в полной мере обоснования и отражения вопросы:

определения влияния дестабилизирующих факторов на основные параметры системы микротермостатирования;

определения влияния конструктивно-технологических факторов МТ на точностные параметры системы микротермостатирования;

определения области оптимальных значений конструктивнотехнологических факторов МТ.

Количественной оценке этих вопросов предшествует анализ температурных состояний МТ. В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений такого анализа является математическое моделирование, под которым понимают замену существующего или создаваемого объекта адекватной ему математической моделью и последующее ее количественное исследование путем вычислительного эксперимента с привлечением средств современной вычислительной техники.

Целью диссертационной работы является численное моделирование теплофизических процессов в гибридно-пленочных микротермостатах, обеспечивающих повышенную и заранее прогнозируемую температурную стабильность РЭА.

Для достижения обозначенной цели проводится:

1. Численное моделирование температурных полей в термостабильных подложках гибридно-интегральных схем, с учетом тепловой обратной связи и реальных режимов работы микротермостата.

2. Анализ влияния внешних и конструктивно-технологических факторов термостабильной подложки на точностные параметры регулирования температуры.

3. Оптимизация конструктивно-технологических решений подложек гибридно-пленочных МТ на основании полученных результатов численного моделирования теплофизических процессов.

Научная новизна работы.

Получено численное решение двух- и трехмерной задач теплопереноса в гибридно-пленочном микротермостате, учитывающих тепловую обратную связь. Получены нестационарные пространственные распределения температур в термостабильной подложке гибридно-интегральных схем, согласующиеся с результатами экспериментальных исследований.

При помощи математического моделирования теплофизических процессов исследовано влияние внешних и конструктивно-технологических факторов и параметров работы микротермостатов.

Впервые проведена топологическая термокомпенсация с учетом уравнения температурной погрешности и картины пространственного распределения статической ошибки регулирования температуры.

Практическая значимость работы.

Разработана методика расчета температурных полей в термостабильных подложках гибридно-интегральных схем, которая может быть использована при проектировании радиоэлектронной аппаратуры специального назначения.

По результатам работы приведены рекомендации по выбору оптимальных конструктивно-технологических решений. По результатам работы получены два патента Российской Федерации.

Защищаемые положения.

На защиту выносятся:

1. Неодномерные нестационарные нелинейные модели теплопереноса с учетом тепловой обратной связи.

2. Результаты численного моделирования температурных полей термостабильной подложки гибридно-интегральных схем.

3. Результаты проведения топологической термокомпенсации на основании данных о пространственном распределении статической ошибки регулирования температуры.

Достоверность полученных результатов основана на исследовании используемых методов на сеточную сходимость на последовательности вложенных пространственно-временных сеток, сравнении результатов численного моделирования с экспериментальными данными, сравнении с численными решениями, полученными при помощи пакета ANSYS.

Личный вклад автора.

Состоит в постановке задачи, разработке метода и алгоритма ее решения, проведении численного анализа исследованных процессов, обработке и обобщении результатов теоретических исследований, анализе и обобщении полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры Конструирования и производства радиоаппаратуры Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники при подготовке инженеров по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» в качестве двух учебных пособий:

«Математическое моделирование процессов термоустойчивости в конструкциях РЭС» – Томск: ТУСУР, 2007. – 140 с.;

«Метод электротепловой аналогии в моделировании тепловых режимов РЭС» – Томск: ТУСУР, 2007. – 93 с.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР-2006» (Томск, 2006); IV международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития» (Томск, 2007); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР-2008» (Томск, 2008), Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР-2009» (Томск, 2009).

Публикации.

Основные результаты диссертации представлены в журналах: «Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники», «Известия Томского политехнического университета», «Russian Journal of Engineering Thermophysics», «Известия вузов.

Радиоэлектроника». Также опубликованы материалы трех Всероссийских и одной международной конференций.

Всего опубликовано 13 работ, 7 из которых в журналах входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 137 листах, включает 98 рисунков, 6 таблиц. Список цитируемой литературы составлен из источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулирована цель и основные задачи диссертации.

В первой главе проводится аналитический обзор состояния обеспечения температурной устойчивости радиоэлектронной аппаратуры на современном этапе, в ходе которого выясняется, что вопросы выбора схемы регулятора в научно-технической литературе по термостатированию преобладают над вопросами выбора оптимальных конструктивных параметров. Около 80% всех публикаций в этой области посвящено разработке и исследованию схем регулирования с высокой точностью и только в части работ указывается на тесную связь конструктивных и схемных параметров МТ.

Количественной оценке указанных параметров предшествует анализ температурных состояний конструкции МТ. В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений такого анализа является математическое моделирование, под которым понимают замену существующего или создаваемого объекта адекватной ему математической моделью и последующее ее количественное исследование путем вычислительного эксперимента с привлечением средств современной вычислительной техники.

Большими возможностями решения краевых задач теплопроводности обладают численные методы, которые основаны на замене непрерывной математической модели процесса приближенной дискретной моделью.

Проводимый информационный анализ моделирования тепловых режимов элементов РЭА первого уровня иерархии, к которым относится МТ:

интегральные микросхемы, микросборки и дискретные ЭРЭ, являющиеся элементной базой РЭА, показывает их сводимость к расчету пространственных температурных полей в телах или системе тел канонической формы с помощью конечно-разностного метода.

Во второй главе реализуется математическая модель термостатирования и приводится численный метод ее решения. В качестве объекта исследования рассматривается гибридно-пленочный микротермостат, содержащий термостабильную подложку, то есть подложку, на которой совместно с термостатируемой схемой в едином технологическом цикле выполнена и схема регулирования температуры (рис. 1). Температура такой подложки поддерживается постоянно в Рис. 1. Физическая модель гибриднозаданном диапазоне изменения пленочного микротермостата:

температуры внешней среды с 1) термостатируемая схема; 2) схема погрешностью, определяемой как регулирования температуры;

выбранным законом регулирования 3) корпус; 4) теплоизоляция;

температуры, так и конструкционно5) выводы; 6) подложка технологическими особенностями микротермостата.

Численное исследование проводится с учетом следующего комплекса теплофизических процессов: кондуктивного теплопереноса между элементами конструкции термостабильной подложки, лучистого теплообмена с внешней средой.

Так как все элементы термостабильной подложки геометрически представляют собой параллелепипеды, с размерами по осям x, y превосходящими размер по оси z, задача регулирования температуры такой конструкции рассматривается в двумерной постановке (рис. 2).

При реализации двухмерной задачи используются следующие допущения:

1. Тепловыделениями термостатируемых элементов на подложке по сравнению с мощностью нагревателя можно пренебречь;

2. Подложка представляет собой однородное изотропное тело, теплофизические характеристики которого (ТФХ) не зависят от координат и Рис. 2. Геометрия температуры;

области решения (вид 3. Тепловой контакт на границах между сверху): 1 – нагреватель;

телами (областями) считается идеальным.

2 – датчик температуры;

Снижение теплового сопротивления между 3 – подложка ГИС элементами термостабильной подложки достигается за счет применения серебросодержащего припоя;

4. Сток тепла с верхней и нижней поверхности термостабильной подложки во внешнюю среду за счет радиационного теплообмена учитывается в уравнении теплопроводности дополнительными источниками тепловыделения. Сток тепла во внешнюю среду за счет механизмов конвекции отсутствует, это допущение обусловлено расстоянием до поверхности корпуса МТ не более 5 мм;

5. Теплообмен с боковых граней, учитывается в уравнении теплопроводности за счет увеличения (пропорционально отношению площадей боковых и верхней грани) мощности дополнительных источников тепло- выделения (см. допущение 4).

В рассмотренной постановке задача сводилась к решению двумерного нелинейного нестационарного уравнения теплопроводности термостабильной подложки совместно с уравнением пропорционального регулятора Рис. 3. Модель пропорционального температуры, модель работы которого регулятора температуры представлена на рис. 3.

4 () T 2T 2T C = + PH x, y,TД k x, y ПР - TВН T + - ( ) t x2 y2 SHh h PH TД = PH.MAKC, при TД TCT ( ) P TД = PH.MAKC - PH.MAKC TД - TCT, при TCT < TД < TCT.MAKC (1) ( ) () H TСТ.З.

P TД = 0, при TД TCT.MAKC ( ) H P x, y = PH TД, при x, y SH ( ) [ ] ( ) H PH x, y = 0, при x, y SH ( ) [ ] где х, у – пространственные координаты (в декартовой системе координат); С,, – удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности TВН TД материала подложки, соответственно; T,, – температура подложки, TCT внешней среды и датчика температуры;, TCT.MAKC, TCT.З. – температура статирования, максимальная температура статирования и заданный диапазон SН температуры статирования; t – текущее время расчета; – площадь подложки, ПР занимаемая нагревателем; h – толщина подложки;, – постоянная Стефана-Больцмана и приведенный коэффициент черноты поверхности и РH.МАKC – текущая и максимальная окружающей среды; k – коэффициент; РH, Lx Ly мощность нагревателя;, – размеры подложки по осям x и y.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»