Оптимизация тепловых режимов при проектировании печатных узлов радиоэлектронных устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Занг Ван Тхань

• Занг Ван Тхань
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Занг Ван Тхань

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1 Показатели надежности радиоэлектронных устройств

1.2 Особенности тепловых режимов работы радиоэлектронных устройств

1.3 Обзор программного обеспечения для теплового моделирования радиоэлектронных устройств

1.4 Постановка задачи исследования

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2. МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПЕЧАТНОГО УЗЛА РАДИОЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

2.1 Традиционная методика автоматизированного проектирования печатных узлов РЭУ

2.2 Требования к методу оптимизации тепловых режимов при проектировании печатного узла РЭУ

2.3 Метод оптимизации тепловых режимов печатного узла РЭУ

2.3.1 Алгоритм начального равномерного размещения элементов в задаче оптимизации тепловых режимов ПУ

2.3.2 Генетический алгоритм поиска наилучшего варианта размещения элементов при оптимизации тепловых режимов ПУ

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕ-ЧЕНИЕ МЕТОДА ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПЕЧАТНОГО УЗЛА

3.1 Требования к программному комплексу метода оптимизации тепловых режимов ПУ

3.2 Алгоритм функционирования программного обеспечения

3.3 Архитектура программного комплекса метода оптимизации тепловых режимов ПУ

3.4 Инженерная методика метода оптимизации тепловых режимов ПУ

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДА И СРЕДСТВ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПЕЧАТНОГО УЗЛА РЭУ

4.1 Программа численных и физических экспериментальных исследований разработанных метода и средств

4.1.1 Создание тепловой модели печатного узла РЭУ

4.1.2 Моделирование тепловых режимов печатного узла и формирование начального варианта размещения элементов

4.1.3 Оптимизация тепловых режимов ПУ посредством рационального размещения элементов

4.2 Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов на примере печатного узла РЭУ

4.3 Выводы по главе

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АС - автоматизированная система

БД - база данных

ВТ - вычислительная техника

ГА - генетический алгоритм

ИМС - интегральная микросхема

МКЭ - метод конечных разностей

ПО - программное обеспечение

ПП - печатная плата

ПУ - печатный узел

РЭУ - радиоэлектронное устройство

САПР - система автоматизированного проектирования

ТЗ - техническое задание

ТР - температурный режим

ТЭЗ - типовой элемент замены

ТЭК - типовой элемент конструкции

УМЗЧ - усилитель мощности звуковой частоты

ЭРЭ - электрорадиоэлемент

ЯВУ - языки высокого уровня

API - Application Programming Interface

BPMN - Business process management notation

САЕ - Computer-aided engineering

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация тепловых режимов при проектировании печатных узлов радиоэлектронных устройств»

Актуальность темы исследования

Для любого радиоэлектронного устройства (РЭУ) показатели надежности являются основным характеристиками, обеспечение которых гарантирует выполнение всех остальных требований технического задания, и прежде всего, требований назначения. Поэтому вопросам обеспечения показателей надежности уделяется особое внимание на всех этапах жизненного цикла РЭУ.

Известно, что надежность устройства закладывается на этапах его проектирования, обеспечивается при производстве и должна поддерживаться при эксплуатации по назначению.

Одним из ключевых факторов, оказывающих прямое влияние на надежность радиоэлектронного устройства, является температура. Установлено, что, чем выше температура комплектующих электрорадиоэлементов (ЭРЭ), тем ниже надежность. Так, с повышением температуры элементов всего на 10 градусов по Цельсию, интенсивность отказов возрастает в 2 раза. Нетрудно оценить, во сколько раз возрастет частота отказов при повышении температуры от 20 до 100 градусов.

Несмотря на то, что в технических условиях на ЭРЭ заданы максимально допустимые значения температур, при которых поставщиком гарантировано выполнение требований по безотказности, на практике, разработчики стараются сделать все, чтобы снизить температуры элементов насколько это возможно.

Это, в свою очередь, ведет к аппаратной избыточности, а следовательно - к неоптимальным массогабаритным характеристикам и удорожанию РЭУ. Обычно, коэффициент температурного режима (ТР) работы ЭРЭ выбирают на уровне 0,6-0,8.

Для обеспечения таких режимов в арсенале у конструкторов имеется

достаточно много инженерных решений. Например, установка теплоотводов

5

или использование принудительного охлаждения со всеми вытекающими затратами и соответствующими недостатками.

Однако, в ряде случаев, ситуация с обеспечением температурных режимов ЭРЭ бывает не столь критична, и не требует применения таких «тяжелых» и дорогих конструктивных решений. Поэтому определение оптимальных по ТР решений, с применением современных технологий компьютерного моделирования, является актуальной научно-практической задачей.

Степень разработанности темы

Задачам обеспечения надежности и соблюдения рабочих режимов элементов при автоматизированном проектировании электронных средств посвящены работы Норенкова И.П., Вермишева Ю.Х., Кофанова Ю.Н., Сарафанова А.В., Шалумова А.С., Желтова Р.Л., Воловикова В.В., Засыпкина С.Н., Галиулина В.М., Тумковского С.Р., Увайсова С.У. и др.

Большой вклад в разработку математической теории надежности внесли Колмогоров А.Н., Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д., Седякин Н.М., Карташев Г.Д., Перроте А.И., Смагин В.А., Цветаев К.Н., Каштанов В.А., Жаднов В.В., Полесский С.Н. и многие другие ученые.

Физике тепловых процессов в электронной аппаратуре посвящены труды Дульнева Г.Н., Ярышева Н.А., Кондратьева Г.М., Платунова Е.С., Семяшкина Э.М., Тихонова С.В., Битюкова В.К., Парфенова В.Г., Сигалова А.В., Мартыненко О.Г., Соковишина Ю.А. и других отечественных и зарубежных авторов.

Из зарубежных ученых можно отметить К. Беннета, Дж. Майера, В. Кейса, Р. Зигеля, Дж. Хауэлла и др.

На сегодняшний день создано большое число программ компьютерного моделирования тепловых процессов. В их основе лежат, в том числе, работы Пасконова В.М., Полежаева В.И. и Чудова Л.А., посвященные численному исследованию процессов тепло-массообмена.

Таким образом, на основе анализа степени разработанности проблемы можно сделать вывод о необходимости продолжения работ в области тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭУ и возможности постановки и решения научной задачи разработки и исследования метода оптимизации температурных режимов ЭРЭ на печатном узле РЭУ.

Объект исследования: процесс автоматизированного схемотехнического и конструкторско-технологического проектирования радиоэлектронных устройств.

Предмет исследования: метод, модели, алгоритмы и программно-методические средства для оптимизации температурных режимов ЭРЭ проектируемого устройства.

Цель работы: повышение надежности (показателя безотказности) радиоэлектронного устройства путем рационального размещения комплектующих элементов на печатном узле, обеспечивающего наилучшие тепловые режимы элементов при заданных граничных условиях.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие

задачи:

1. Обзор и анализ состояния проблемы обеспечения температурных режимов в РЭУ и постановка задачи исследования;

2. Анализ влияния вариантов размещения комплектующих элементов на их температурные режимы;

3. Разработка требований к методу рационального размещения элементов на ПУ РЭУ;

4. Разработка метода и алгоритмов рационального размещения ЭРЭ на печатных узлах радиоэлектронных устройств;

5. Создание программно-методических средств для поиска рациональных вариантов размещения ЭРЭ в процессе проектирования;

6. Апробация, экспериментальная проверка и внедрение результатов исследования.

Методы исследования. Работа основана на теории надежности, теории тепло-массообмена, методах математического моделирования физических процессов, методах дискретной оптимизации и теории генетических алгоритмов.

Научная новизна полученных результатов исследования состоит следующем:

1. Предложен метод оптимизации тепловых режимов электрорадиоэлементов, который, в отличие от известных, исключает необходимость использования дополнительных теплоотводов (радиаторов) и средств принудительного охлаждения;

2. Разработан алгоритм рационального размещения ЭРЭ на печатных узлах РЭУ, отличающийся от известных комплексированием алгоритма начальной равномерной группировки элементов по блокам и генетического алгоритма поиска наилучшего варианта;

3. Разработано программное обеспечение, которое отличается от известных архитектурой (составом и структурой) ПО и кругом решаемых задач проектирования РЭУ;

4. Предложена инженерная методика, которая, в отличие от известных, предполагает решение задачи рационального размещения ЭРЭ на ПУ РЭУ до выполнения процедуры трассировки.

Соответствие паспорту специальности. Результаты, полученные в диссертационной работе, соответствуют областям исследований специальности 2.2.13 - Радиотехника, в т.ч., системы и устройства телевидения.

Степень достоверности результатов исследований подтверждается корректным применением методов и средств математического моделирования электронных средств, согласованностью полученных данных с фундаментальными трудами ведущих отечественных и зарубежных ученых по анализу температурных режимов и расчету показателей надежности электронных средств.

Теоретическая значимость исследования состоит в развитии теории и практики автоматизированного проектирования современных электронных средств, разработке оригинального метода и средств рационального размещения ЭРЭ и оптимизации тепловых режимов РЭУ.

Практическая полезность работы заключается в том, что разработанные метод, алгоритмы, программное и методическое обеспечение позволяют при автоматизированном проектировании конструкций радиоэлектронных устройств оптимизировать тепловые режимы работы элементов РЭУ.

Реализация и внедрение результатов работы: Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс РТУ МИРЭА и на предприятии электронной отрасли.

Апробация результатов работы: результаты диссертационного исследования в процессе выполнения докладывались и обсуждались на:

1. Международной научно-практической конференции «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (Сочи, 2019-2021);

2. Международной научно-практической конференции «Information Innovative Technogies» (Praha, ChR, 2019 - 2021);

3. Международной научно-практической конференции «РАДИОНФОКОМ-2019, 2021» (Москва, 2019, 2021);

4. Международном научно-практическом симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2019);

5. Всероссийской научно-практической конференции «ПРИРОДА. ОБЩЕСТВО. ЧЕЛОВЕК» (Дубна, 2019, 2020);

6. VI Международной Российско-Китайской онлайн-конференции по машиностроению и автоматике (ICMEAS 2020).

Публикации: результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 3 работы в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения с актами внедрения результатов исследования. Рукопись диссертации содержит 131 страницу текста, 54 иллюстрации, 10 таблиц. Список цитируемых источников насчитывает 74 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенный в работе метод позволяет повысить надежность РЭУ за счет оптимального по тепловым режимам варианта размещения ЭРЭ на ПУ без применения теплоотводов и дополнительных средств принудительного охлаждения;

2. Разработанные алгоритмы позволяют на этапах проектирования получить вариант размещения комплектующих элементов печатного узла, при котором достигается наибольшее значение вероятности безотказности РЭУ;

3. Созданное программное обеспечение позволяет автоматизировать процесс поиска оптимального варианта размещения ЭРЭ на ПУ РЭУ с максимальным использованием существующего на предприятиях электронной отрасли ПО;

4. Разработанная инженерная методика позволяет еще до процедуры трассировки печатных узлов найти такой вариант размещения ЭРЭ, при котором будут достигнуты оптимальные тепловые режимы элементов и наибольшее значение показателя надежности РЭУ.

Краткое содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы. Обоснована актуальность темы диссертации, обозначены проблема и научная задача, сформулированы объект, предмет, цель и задачи исследования, его значимость для теории и практики, перечислены новые научные результаты и положения, выносимые на защиту, приведены сведения по апробации и внедрению результатов диссертации.

В первой главе дан анализ предметной области и поставлена задача исследования. Изучены особенности конструктивного исполнения современных электронных средств и показано место и роль печатных узлов в них.

Значительное внимание уделено вопросам обеспечения надежности РЭУ. Показано влияние температурных режимов работы комплектующих элементов на показатель безотказности радиоэлектронного устройства.

Проанализированы виды теплообмена и особенности протекания тепловых процессов в конструкциях устройств. Отмечены типовые инженерные приемы обеспечения допустимых тепловых режимов.

Дан сравнительный анализ программных средств компьютерного моделирования тепловых процессов в конструкциях радиоэлектронных устройств.

Вторая глава посвящена методу размещения ЭРЭ на печатном узле

РЭУ.

Проведен анализ традиционной методики автоматизированного проектирования ПУ электронных средств. Показано, что выполнение процедуры трассировки печатного узла без исследования всех возможных вариантов размещения элементов на ПУ не позволяет спроектировать РЭУ с максимально возможной надежностью на тех же ЭРЭ и при той же электрической принципиальной схеме.

Представлен метод рационального размещения элементов с точки зрения оптимального теплового режима печатного узла, при котором достигается наилучшее значение показателя безотказности РЭУ.

Разработаны алгоритм начального равномерного распределения электрорадиоэлементов на поверхности печатного узла и генетический алгоритм оптимизации размещения ЭРЭ по критерию минимума разности температур между наиболее нагретым элементом и элементом, имеющим наименьшее значение.

В третьей главе сформулированы требования и разработано программно-методическое обеспечение для автоматизации процесса поиска наилучшего варианта размещения ЭРЭ на печатных узлах РЭУ.

Разработан алгоритм функционирования программного обеспечения и предложена его архитектура. Определен состав и разработана структура ПО.

Предложена инженерная методика для практического применения разработанных метода, алгоритмов и программного обеспечения при конструировании печатных узлов радиоэлектронных устройств с таким вариантом размещения, при котором достигается оптимальный тепловой режим РЭУ и, как следствие, наилучшее значение показателя его безотказности.

Экспериментальной проверке разработанных метода и средств посвящена четвертая глава. Для этого в ней разработана программа численных и натурных исследований.

В соответствии с программой и инженерной методикой исследования проведены на примере печатного узла усилителя мощности звуковой частоты.

Результаты исследований подтвердили применимость на практике, полученных в диссертации результатов.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

В приложении представлены акты внедрения в промышленность и в учебный процесс вуза.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1 Показатели надежности радиоэлектронных устройств

Надежность - один из основных технических показателей качества радиоэлектронных устройств (РЭУ). Определение надежности электронного устройства часто ассоциируется с понятием его работоспособности -свойства РЭУ выполнять свои функции при сохранении эксплуатационных показателей в заданных пределах и режимах работы, установленных нормативно-технической документацией (ГОСТ 27.002-89). Другими словами, работоспособность является оценкой пригодности устройства для его использования по назначению. Режимы работы устройства определяются различными условиями эксплуатации: климатическими, механическими, электрическими и др., а также временем, в течение которого оно функционирует.

Надежность РЭУ, как правило, связывают с показателями долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности, безотказности электронного устройства. Акцент на этих показателях сделан не случайно -именно они дают информацию об объемах финансовых и ресурсных затрат, которые потребуются при дальнейшей технологической подготовке производства, поэтому оценка надёжностных показателей является обязательной процедурой в течение всего жизненного цикла РЭУ. Эта задача была и остается актуальной на протяжении всех этапов развития теории и практики проектирования электронных устройств.

Надежность рассматриваемого класса элементов в течение определенного времени (?) характеризуется вероятностью их безотказной работы (Р), интенсивностью отказов (%) и др. Математически между этими

характеристиками присутствуют определенные взаимосвязи, зная которые, можно найти остальные.

Основные показатели надежности РЭУ приведены на рисунке 1.1 и в таблице 1.1.

Рисунок 1.1 - Перечень показателей надежности электронных устройств Таблица 1.1. Определение основных показателей надежности РЭУ.

№ п/п Обозначение показателя надежности РЭУ Определение показателя надежности РЭУ

Показатели безотказности

1 P(ts) Вероятность безотказной работы за заданное (интересующее) время t3

2 ч(ь) Вероятность отказа за заданное время t3

3 Тср Средняя наработка до отказа. Если наработка выражается временем, то показатель называют средним временем безотказной работы

4 Ту Гамма-процентная наработка до отказа (обычно у > 90 %)

5 X(t) Интенсивность отказов, в общем случае является функцией времени. Используется в качестве основной справочной характеристики безотказности элементов, причём принимается ^(t) = = const при наработке, равной ^ (указывается

конкретное значение tн в часах)

6 To Средняя наработка на отказ (краткое название - наработка на отказ). Имеет физический смысл только для восстанавливаемых РЭУ

Показатели ремонтопригодности

7 Тв Среднее время восстановления РЭУ. Представляет математическое ожидание времени восстановления

8 v(T3) Вероятность восстановления РЭУ за заданное время тз

9 Ту Гамма-процентное время восстановления (обычно у > 90 %)

10 Gb Средние затраты на восстановление РЭУ. Показывает, сколько в среднем потребуется денежных средств на восстановление работоспособности РЭУ

Показатели долговечности

11 , (рес) 'ср Средний ресурс изделия. Представляет собой математическое ожидание ресурса изделий рассматриваемого типа

12 , (рес) 'Y Гамма-процентный ресурс (обычно f > 90 %)

13 'min Минимальная наработка. Характеризует ресурсные возможности изделия, считают, что 'min соответствует значению '/рес) при f = 99,99 %

14 , (ср.сл) 'ср Средний срок службы изделия. Представляет собой математическое ожидание срока службы изделий рассматриваемого типа

15 t (сР сл) Гамма-процентный срок службы (обычно f > 90 %)

16 , (ср.сл) 'min Минимальный срок службы. Считают, что imin^'^ соответствует гамма-процентному сроку службы ^(ср'сл) при Y = 99,99 %

Показатели сохраняемости

17 , (сохр) 'ср Средний срок сохраняемости изделия. Представляет собой математическое ожидание срока сохраняемости изделий рассматриваемого типа

18 , (сохр) 'Y Гамма-процентный срок сохраняемости (обычно у > 90 %)

19 , (сохр) 'min Минимальный срок сохраняемости. Считают, что ^т(сохр) соответствует значению ty(сохр) при у = 99,99 %

20 i (хР) 'ср Средний срок хранения изделия. Представляет собой математическое ожидание срока хранения изделий рассматриваемого типа

21 i (хР) f Гамма-процентный срок хранения (обычно у > 90 %)

22 i . (хР) 'min Минимальный срок хранения. Считают, что /шт(хр) соответствует гамма-процентному сроку хранения ty(хр) при у = 99,99 %

Чаще всего в инженерных расчетах надежности оценивают показатели вероятности безотказной работы, интенсивности отказов, среднего времени безотказной работы.

Вероятность безотказной работы Р(^з) определяется, как способность изделия работать без отказа в заданном интервале времени tз. Это основной

показатель, характеризующий в целом надежность устройства. Нормированный показатель принимает значения в интервале 0<Р(£з)<1, Конкретные значения показателя Р^з) определяются по результатам серии испытаний изделий.

В случае, когда известна функция плотности вероятности распределения времени до отказа w(t), вероятность безотказной работы устройства за время и выражается формулой:

(1.1)

Графическая интерпретация приведена на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 - График распределения вероятностей Р^З) и д(^)

В случае экспоненциального распределения времени и учетом выражения (1.1) можно записать экспоненциальный закон надёжности:

где X - параметр экспоненциального распределения для рассматриваемого устройства.

Интенсивность отказов для интервала времени Ati_ - это значение условной плотности распределения времени до отказа при условии, что к началу рассматриваемого момента времени Ati отказов не было. По результатам испытаний интенсивность отказов численно можно выразить формулой:

/.. =-£—

' -А/

: (1.3)

где и(Л^) - количество элементов, отказавших в ^м временном интервале;

- среднее количество элементов, безотказно работавших в ^м временном интервале;

Ли -длительность i-го временного интервала.

Среднее время безотказной работы представляет собой математическое ожидание (среднее значение) случайной величины -наработки до отказа. Этот показатель сформировался из предположения, что надёжность однотипных устройств с точки зрения продолжительности их работы до первого отказа характеризуется средним временем безотказной работы. Он может применяться для оценки как восстанавливаемых, так и невосстанавливаемых устройств.

1.2 Особенности тепловых режимов работы радиоэлектронных устройств

Энергия, передаваемая РЭУ полезной нагрузке в процессе своего функционирования, составляет десятые или сотые доли электроэнергии, потребляемой от источника питания. Оставшаяся энергия, преобразуясь в тепловую, выделяется внутри устройства. Затем происходит передача тепла в окружающее пространство. Чем больше разность температур устройства и окружающей среды, тем интенсивнее идёт этот процесс.

Надёжность РЭУ в значительной степени зависит от температурного режима. Результаты экспериментальных исследований показали, что для РЭУ с воздушным охлаждением при увеличении температуры элементов от +40° до +70°С интенсивность их отказов увеличивается в 2 ^ 6 раз.

Температура окружающей среды может изменяться в широких диапазонах, что становится причиной различных отказов РЭУ (постепенных и внезапных).

Постепенные отказы, являющиеся причинами параметрических отказов РЭУ, характеризуются изменением коэффициентов передачи транзисторов; возрастанием токов утечки; снижением электроизоляционных свойств материалов; изменением сопротивления резисторов, увеличением тепловых шумов в пассивных и активных элементах; изменением параметров ферромагнитных сердечников; снижением величины пробивного напряжения; изменением ёмкости конденсаторов, их электрической прочности, тангенса угла диэлектрических потерь.

Внезапные отказы возникают вследствие отслаивания печатных проводников или расслаивания многослойных печатных плат, нарушения целостности элементов конструкции (обрыв проводников, отслаивание и растрескивание подложек), из-за разницы коэффициентов линейного расширения материалов, из-за замерзания влаги и расширения микротрещин в подложках, конденсации влаги и появления электрохимической коррозии, ухудшения качества герметизации и амортизации.

Одна из основных задач проектирования электронного устройства заключается в обеспечении правильного теплового режима всех элементов конструкции. Для каждого из них в технических условиях указывается предельная температура, при превышении которой этот элемент эксплуатироваться не должен.

Тепловые расчёты при проектировании РЭУ осуществляются на основе рассмотрения процессов теплообмена, теплопередачи и теплового излучения. Количественно тепловое состояние исследуемого узла характеризуется его температурным полем - совокупностью значений температур в различных точках в данный момент времени. Тепловой режим РЭУ определяется способами переноса тепловой энергии, которые, как правило, существуют одновременно.

Суммарная тепловая мощность, рассеиваемая нагретым элементом, определяется как сумма трех составляющих: тепловые мощности при теплопередаче, конвекции и тепловом излучении.

Современный этап развития РЭУ при всем многообразии их типов и областей применения характеризуется тенденцией к снижению массогабаритных параметров, повышению энергетических характеристик, повышению надежности работы, как отдельных узлов, так и устройства в целом. Выдвигаемые при проектировании РЭУ требования противоречивы по своей сути и требуют от разработчика понимания последствий принятого решения. Так, уменьшение массы и линейных размеров элементов ухудшает процессы охлаждения РЭУ при прочих равных условиях, что приводит к снижению надежностных и эксплуатационных показателей. К снижению надежности также приводит повышение показателей полезного энерговыделения при неизменных массогабаритных характеристиках РЭУ. Наоборот, стабилизация показателей надежности на некотором заданном уровне приводит к увеличению размеров и массы устройства [2].

Современный уровень развития вычислительной техники (ВТ), систем автоматизированного проектирования РЭУ (САПР), программного обеспечения математических расчетов и др. позволяет совершенствовать аналитический аппарат теории надежности, находить новые подходы к оценке и прогнозированию эксплуатационных показателей РЭУ, применять методы математического моделирования, вычислительного эксперимента, многокритериальной оптимизации.

Традиционно, методы расчета показателей надежности РЭУ основываются на оценке факторов, оказывающих существенное влияние на эксплуатационные характеристики устройства. К ним относятся температура, влажность, давление, механические воздействия и др. [2].

Из многолетнего опыта конструирования и производства электронных устройств известно, что даже небольшое повышение температуры в интервале (+40...+60)°С может приводить к возрастанию токов утечки,

19

увеличению обратных токов полупроводниковых переходов, снижению коэффициента усиления полупроводниковых транзисторов и другим негативным проявлениям, оказывающим непосредственное влияние на надежность устройства. Также известно, что дефекты кристалла и корпуса микросхем, возникающие ввиду температурной неоднородности и напряжения, дают резкое увеличения количества отказов интегральных микросхем [2].

Исследовательские инструменты, применяющиеся в современной теории надежности, позволяют сместить акцент в сторону математического моделирования температурных полей в узлах и блоках РЭУ и их детального анализа и систематизации.

Тепловой режим РЭУ характеризуется двумя основными факторами: электрическим режимом работы и условиями эксплуатации. Значения рассеиваемой мощности на отдельных элементах узла характеризует распределение внутренних тепловых воздействий в пространстве, что необходимо для учета взаимного влияния элементов при определении температурного поля РЭУ.

В полной мере тепловой режим элемента характеризуется его температурным полем в критических зонах (зоны, температура которых определяет надежность элемента). Элемент может иметь одну или несколько критических зон. Дискретные элементы, как правило, имеют одну критическую зону. У полупроводниковых приборов это зона р-п- перехода, у резисторов - наиболее нагретая часть активного слоя, у дросселей и трансформаторов - наиболее нагретая часть внутри обмотки и т.д.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Занг Ван Тхань, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

I. Шлома С.В. Теплофизические основы математического моделирования показателей надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры: дисс. канд. физ.-мат. наук, Томск, 2003г. 151 с.

3. Надёжность электрорадиоизделий, 2002: справочник / С.Ф. Прытков [и др.]. - М.: ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ», 2004. - 574 с.

4. Надёжность электрорадиоизделий, 2006: справочник / С.Ф. Прытков [и др.]. - М.: ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ», 2008. - 641 с.

6. Занг Ван Тхань, Дао Ань Куан, Фам Лэ Куок Хань, Нгуен Вьет Данг, Нгуен Ван Туан, Черноверская В.В. Размещение элементов на печатном узле при надёжностном проектировании электронных средств // Сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии». Сочи, 2020. стр. 431 - 433.

7. CAM [Электронный ресурс]. Режим доступа: https: //ru.wikipedia. org/wiki/CAM

8. Computer-aided engineering [Электронный ресурс]. Режим доступа: https: //ru. wikipedia. org/wiki/Computer-aided engineering

9. Цыбов Н.Н. Исследование и анализ возможностей программной среды Altium Designer, Partsim, Geda, Qucs, Easyeda, для разработки учебных виртуальных электронных лабораторий / Н.Н. Цыбов - Текст: непосредственный // Вестник кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова. 2015. № 4. С. 7585.

10. Костюков А.С., Башкиров А.В., Гостев М.Ю., Демихова А.С., Пирогова Ю.А. Сравнительный анализ программных комплексов для определения механических характеристик РЭС // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 16 №4. 2020. Стр. 117-126.

II. Долматов А.В., Увайсов С.У., Увайсов Р.И. Метод учета погрешностей измерения в электронной диагностической модели.

Надёжность икачество: Труды Междунар. Симпозиума. - Пенза: Информационноиздательский центр ПГУ, 2004.

12. Жаднов В.В., Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В. и др. Автоматизация проектных исследований надёжности электронной аппаратуры: научное издание / М.: Радио и связь, 2003. 156 с.

13. Иванцов В.В, Спиридонов Б.Г. Проектирование печатных плат в системе P-CAD для Windows: методическое пособие по курсовому проектированию. Таганрог: ТРТУ, 2004

14. Пирогова, Е.В. Проектирование и технология печатных плат/ Е.В.Пирогова. М.: Изд-во: Форум, Инфра-М, 2005. 560 с.

15. Суходольский, В. Ю. Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах в САПР Altium Designer: учебное пособие. С-Петербург: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2008.

16. Сарафанов, А.В. Основы проектирования электронных средств: Техническое задание. Формирование и анализ: учеб. пособие / А.В. Сарафанов, С.И. Трегубов. - Красноярск: Изд-во Краснояр. гос. техн. унта, 2005. - 140 с.

17. Кофанов, Ю.Н. Автоматизация проектирования РЭС. Топологическое проектирование печатных плат: учеб. пособие / Ю.Н. Кофанов, А.В. Сарафанов, С.И. Трегубов. - 2 изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2001. - 220 с.

18. Занг Ван Тхань, С.У.Увайсов, В.В.Черноверская, Разработка метода оптимального размещения элементов на коммутационном поле печатного узла с целью обеспечения заданных тепловых режимов РЭС// Вестник Международного университета природы, общества и человека «Дубна» Серия «Естественные и инженерные науки» № 1 (46),2020.Стр.37-47.

19. Занг В. Т., Дао А. К, Фам Л. К. Х., Оптимизация размещения

элементов печатного узла по температуре, Сборник научных статей по

120

материалам IV Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («Радиоинфоком-2019»), г. Москва, РТУ МИРЭА: сборник научных статей. - М.: МИРЭА - Российский технологический университет, 2019. Стр. 310-313.

20. Меркухин Е. Н. Априорный критерий оценки эффективности оптимизации теплового режима путем рационального размещения электронных элементов//Современные наукоемкие технологии. - 2018. - № 10. - с. 77-81. URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37198 (дата обращения: 06.01.2020).

21. Кольтюков Н. А., Белоусов О. А. Проектирование несущих конструкций радиоэлектронных средств. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2009.

22. Горячев, Н. В. Подсистема расчета средств охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. А. Рыжов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 4. - С. 24-29.

23. Баранов В.М., Карасевич А.М., Сарычев Г.А. Испытания и контроль качества материалов и конструкций/ Учеб. Пособие - М.: Высш. Школа, 2004. - 360 с.: ил.

24. Меркухин Е.Н. Синтез тепловой модели на основе принципа суперпозиции температурных полей для платы микроблока электронной аппаратуры // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2016. - № 10-4. - С. 534-538;URL: https://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=10384.

25. Меркухин, Е.Н. Метод расчета теплового режима плат микроблоков электронной аппаратуры [Текст]/ Е.Н. Меркухин // Вестник Дагестанского государственного технического университета. - Махачкала: ДГТУ, 2011г. - № 21.- С. 32-36.

26. Выбор оптимального варианта построения электронных средств / И. И. Кочегаров, Н. В. Горячев, А. К. Гришко // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 2 (10). - C. 153-159.

27. Воловиков В.В. Разработка методов повышения надёжности электронной аппаратуры, основанных на непрерывном комплексном моделировании физических процессов // Надёжность: науч.-техн. журн. - М.: ООО «Издательский дом «Технологии», 2008. № 1(24).

28. Меркухин Е.Н. Использование графовых моделей пространства допустимых решений в задаче размещения электронных элементов // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 5. С. 56—61.

29. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. М.: ДМК-Пресс, 2010.

30. Lombard M. SolidWorks 2013 Bible. John Wiley & Sons Inc., 2013.

31. Занг Ван Тхань, Куан Дао Ань, Хань Фам Лэ Куок, Увайсов Р.М. Алгоритм размещения элементов на печатном узле электронного средства // Вестник Международного университета природы, общества и человека «Дубна» Серия «Естественные и инженерные науки» № 4(49),2020.Стр. 3038.

32. Бушмелев К.И, Димитриева Е.А, Занг Ван Тхань, Дао Ань Куан, Автоматизированная система оптимизации компоновки элементо в электронных средствах // Сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии», 1 - 10 октября 2020 года, Россия, г. Сочи, стр. 378 - 383.

33. Лыков A.B. Теория теплопроводности. Высш. шк., 1967. 328 с.

34. Земских, Л. В. Применение генетических алгоритмов в системах Автономного Адаптивного Управления : автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук : 05.13.11 . Земских Леонид Вячеславович. - Москва, 2014. - 24с.

35. Степанов, К. А. Причины модификаций генетических алгоритмов и хронология их появления / К. А. Степанов // Фундаментальные проблемы науки. - 2015. - №2. - С.15-20.

36. Фишер, Р. Генетическая теория естественного отбора / Р. Фишер; под. ред. Н. Глотов. - Инжевск: Институт компьютерных исследований, 2011. - 294 с.

37. Использование генетических алгоритмов для генерации конечных автомтов (Электронная библиотека) [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://seluk.ru/informatika/ispolzovanie-geneticheskih-а^огйтоу^р

38. Иванов, Б. Н. Дикретная математика. Алгоритм и программы: учебные пособие / Б. Н. Иванов. - Москва : Лаборатория Базовых Знаний, 2014 - 288 с.

39. Поляхов, Н. Д. Оптимизация распределения потоков мощности в энергосистеме с помощью генетических алгоритмов [Электронный ресурс] / Н. Д. Поляхов, И. А. Прихолько, И. А. Рубцов, И. В. Швыров // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 3. - Режим доступа: https://www. science-education.ru.

40. Рутковская, Д. Нейронные сети, генетический алгоритм и нечеткие системы / Д. Рутковская, М. Пилиньский, Л. Рутковский ; пер. с польск. И. Д. Рудинского. - Москва : Горячая линия - Телеком, 2016. -452 с.

41. Лышов С.М., Иванов И.А., Увайсов С У. Средства компьютерного моделирования механических процессов в электронной аппаратуре //Надежность и качество - 2013: труды Междунар. симпозиума. Т. 2. Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. С. 393-398.

42. А.О. Афанасьев, С.А. Кузнецова. ОгСДБ 7.0...9.0. Проектирование электронной аппаратуры и печатных плат. Наука и Техника, 2001. 448 с.

43. Ю.В. Петров, В.А. Рогожин, С.Н. Аникин. Моделирование радиоэлектронных и телекоммуникационных устройств в САПР OrCAD. Ч. 2. Программа моделирования OrCAD PSpice: практ. пособие Балт. гос. техн. ун-т. - СПб., 2009. - 66 с.

44. Ю.В. Петров, Д.В. Боголепов, К.Л. Хохлов. Система автоматизированного проектирования электронных устройств OrCAD. Ч. 1. Редактор принципиальных схем OrCAD Capture: практическое пособие Балт. гос. техн. ун-т. - СПб., 2006. - 94 с.

45. Меркухин Е.Н. Априорный критерий оценки эффективности оптимизации теплового режима путем рационального размещения электронных элементов // Современные наукоемкие технологии. 2018. № 10. С. 77-81. URL: http://toptechnologies.ru/ru/article/view?id=37198 (дата обращения: 06.01.2020).

46. Кольтюков Н.А., Белоусов О.А. Проектирование несущих конструкций радиоэлектронных средств. Тамбов: Изд-во ТГТУ. 2009.

47. Горячев Н.В., Граб И.Д., Рыжов А.А. Подсистема расчета средств охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники // Известия вузов. Поволжский регион. Сер. Технические науки. 2010. Т. 4. С. 24-29.

48. Кочегаров И.И., Горячев Н.В., Гришко А.К. Выбор оптимального варианта построения электронных средств // Вестник Пензенского государственного университета. 2015. Т. 2 (10). C. 153-159.

49. Увайсов С.У., Черноверская В.В., Занг Ван Тхань, Дао Ань Куан, Калмыков М.А. Рациональное размещение элементов печатного узла устройства плавного пуска // Наукоемкие технологии. 2021. Т. 22. № 7. С. 5-14. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j19998465-202107-01

50. Отладка программы [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Отладка программы (дата обращения 12.06.2020)

51. Документация по SolidWorks API [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://help.solidworks.com/

52. C Sharp [Электронный ресурс]. Режим доступа: https: //ru.wikipedia. org/wiki/C Sharp

53. NX (система автоматизированного проектирования). [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/NX (система автоматизированного проектирова ния).

54. SolidWorks Simulation [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.solidworks.com/ru/product/solidworks-simulation

55. Документация по SolidWorks API [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://help.solidworks.com/

56. SQL [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/SQL

57. Visual Studio [Электронный ресурс]. Режим доступа: https: //visualstudio. micro soft. com/ru/

58. Документация по библиотеке Npgsql [Электронный ресурс]. Режим доступа: https: //www. npgsql. org/doc/index.html

59. Долматов А.В. Разработка метода автоматизированного контроля температур электрорадиоэлементов печатных узлов радиоэлектронных средств /Дисс. канд. техн. наук. - М.: МИЭМ, 2000. - 170 с.

60. Радиоэлектронная аппаратура и основы ее конструкторского проектирования.// Н.И. Каленкович//Учебно-методическое пособие для студентов спец. «Моделирование и компьютерное проектирование». - 2008 -С.124-125.

61. S.M. Lyshov, I.A. Ivanov, S.U. Uvaysov, V/V/Chernoverskaya.Vibration control of electronic means technical condition based on analysis of resonant frequencies//International Seminar on Electron

Devices Design and Production (SED), Prague, Czech Republic, 2019, pp. 1-4. http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp DOI: 10.1109/SED.2019.8798407

62. Нгуен Ван Туан, Занг Ван Тхань, Дао Ань Куан, Фам Лэ Куок Хань, Нгуен Вьет Данг, Увайсова А.С. Особенность применения технологии jtag в диагностике печатных узлов. Сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии», 1 - 10 октября 2020 года, Россия, г. Сочи, стр. 427 - 430.

63. Giang Van Thanh, Dao Anh Quan, Pham Le Quoc Khanh, V.V.Chernoverskaya, Development of an algorithm for optimum placement of elements on the switching field of a printed unit according to temperature indicators using a self-organizing genetic algorithm (soga), International Scientific - Practical Conference «INFORMATION INNOVATIVE TECHNOLOGIES», 20-24 April 2020, Prague, p. 192-197.

64. Увайсов С.У., Иванов И.А., Увайсов Р.И. Взаимосвязь показателей контролепригодности и безотказности аппаратуры // Информационные технологии в образовании, науке и производстве: сб. трудов 1-й Всероссийской науч.-практич. конференции / под ред. Ю.А. Романенко, Е.В. Лоцманова. - Серпухов, 2007. С. 583- 585.

65. Черноверская В.В. Увайсов С.У. Флорова И.А. Куан Д.А. Тхань З.В. Алгоритм оптимизации размещения элементов печатного узла с учетом тепловых режимов работы устройства. Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2021;9(4). Доступно по: https://moitvivt.ru/ru7iournal/pdf?id=1079 DOI: 10.26102/23106018/2021.35.4.032

66. Занг Ван Тхань, Дао Ань Куан, Фам Лэ Куок Хань, Нгуен Вьет Данг, Нгуен Ван Туан, Черноверская В.В. Размещение элементов на печатном узле при надёжностном проектировании электронных средств // Сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции

«Инновационные, информационные и коммуникационные технологии». Сочи, 2020. стр. 431 - 433.

67. CAM [Электронный ресурс]. Режим доступа: https: //ru.wikipedia. org/wiki/CAM

68. Computer-aided engineering [Электронный ресурс]. Режим доступа: https: //ru. wikipedia. org/wiki/Computer-aided engineering

69. Цыбов Н.Н. Исследование и анализ возможностей программной среды Altium Designer, Partsim, Geda, Qucs, Easyeda, для разработки учебных виртуальных электронных лабораторий / Н.Н. Цыбов - Текст: непосредственный // Вестник кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова. — 2015. — № 4. — С. 75-85.

70. Костюков А.С., Башкиров А.В., Гостев М.Ю., Демихова А.С., Пирогова Ю.А. Сравнительный анализ программных комплексов для определения механических характеристик РЭС // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 16 №4. 2020. Стр. 117-126.

71. Долматов А.В., Увайсов С.У., Увайсов Р.И. Метод учета погрешностей измерения в электронной диагностической модели. Надёжность икачество: Труды Междунар. Симпозиума. - Пенза: Информационноиздательский центр ПГУ, 2004.

72. Жаднов В.В., Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В. и др. Автоматизация проектных исследований надёжности электронной аппаратуры: научное издание / М.: Радио и связь, 2003. 156 с.

73. ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1990.

74. Надёжность изделий электронной техники для устройств народнохозяйственного назначения: справочник / Разработан в соответствии с руководящим документом РД 50-670-88. - М.: ВНИИ «Электронстандарт», 1990. - 188 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

C <)\(. T\ CO PUAN S-CARF.

Address ■ l.ö 17-CL03. Khu tfti djnh cu Trin I äm. phufrng ' ran I äm. thanh pho Thai Birth Tel : »84 88^ 816 665 Frruil binhlO.Sainall.ru Website : www.s-carc.vn

C0NÜ HÖA XA HQI CHÜ NGHlA VII ! \,\\1 Dyc läp-Tir du llanh phüc

Hä \(>i. Ngäy OS thäng Ol näm 2022

CilÄY CHl'NG MI w

\ c \ ¡SC ting <iynu ket qua luan iin tien si cua nghttn cirii sinh Giang V im Thanh l»c lol uu höa hf »hong nhiyl trong lliict ket bann mach in cua ihict hj vo

tuyen di('n iir

Yän ban näy chirng nhän äp dyng ket qua nghien cuu cua nghien cuu sinh Giang Vän Thanh c6 de täi nghien cuu "Toi uu höa h? thong nhict trong thidt kc bang mach in cua ihict bj vö tuyen di<?n tu". De täi dä dua ra m<?l huöng tiep c(in möri cho phuong phap töi iru höa h? thöng nhi<;t trong qua trinh säp \ep cäc linh ki^n di?n tutren bang mach in. ap dyng cäc thuät toan säp xep dua tren cäc chuong trinh phan mdm thi^t ke vä mö phong hien dai de näng cao cliät lurmg vä dp tin cäy cua cäc thi^t bi diC*n tu vä cö huöng une dung cao trong nghien cuu vä trong thyc tien.

Cäc ket qua nghien cuu cua de täi bao göm: thu^t toän. phän mem ung dyng vä phuong phäp töi uu höa vi tri cäc linh ki<?n di?n tu tren bang m$ch in theo tieu chi nhiet dö duoc äp dyng väo nghien cuu ihict ke. sua chua vä \ ¿n hänh cäc thict bj dien tu, ma> möc phyc v u san xuat tai Cöng ty cö phan S-Carc

TÖNCi (.IAM IHK

VU THANH TRI \(.

¡и

щ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «МИРЭА - РОССИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ДИПЛОМ

3 МЕСТО й

за научный доклад «Оптимизация размещения элементов печатного узла по температуре», представляющий теоретический вклад по номинации V

«Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

НАГРАЖДАЕТСЯ

Занг Ван Тхань V

Ректор РТУ МИРЭА ^^^ С.А. Кудж