Системы теплового анализа

Отдельной задачей проектирования печатных плат является тепловой анализ. Наиболее мощным решением в этой области является программа BETAsoft-Board компании Dynamic Soft Analysis. Здесь также имеются интерфейсы импорта проектов из всех выше перечисленных продуктов, богатые библиотеки моделей и материалов. Программа больше подойдет для разработчиков монолитных многомодульных устройств. В процессе расчета могут быть получены температуры отдельных компонентов, карты прогрева плат, градиент температур (рис. 5). Отметим, что программа BETASoft-Board поставляется как штатное средство теплового моделирования для продуктов Mentor Graphics.

Рис. 5. Тепловой анализ платы в пакете BETASoft-Board.

Другая программа теплового анализа Sauna компании Thermal Solutions позволяет моделировать поведение не только плат, но и блоков и шкафов. Здесь присутствуют обширные библиотеки компонентов и материалов. Имеется специальный графический редактор, позволяющий прорисовывать конфигурацию оборудования. Система дает возможность назначать специальные рабочие циклы с учетом включения и выключения внешних источников питания.

Английская фирма Flomerics предлагает пользователям свой пакет Flotherm, главной особенностью которого является интерфейс, построенный на базе современных интернет-технологий на основе обычного браузера. Программа позволяет моделировать отвод тепла от микросхем, упакованных в современные корпуса PBGA и TBGA, а также позволяет учитывать технологию поверхностного монтажа перевернутых кристаллов (flip-chip). Например, компания National Semiconductor включила в состав своего программного комплекса Webench специальный модуль Webtherm, позволяющий получать цветную карту градиента температур для платы, построенный на базе вычислительного ядра Flomerics.

Из российских программ следует отметить, пожалуй, единственный коммерческий пакет теплового моделирования ТРИАНА (АСОНИКА-Т), разработанный специалистами Сибирского Федерального института (СФУ) и Московского Государственного Института Электроники и Математики (МИЭМ). Пакет предназначен для моделирования стационарных и нестационарных тепловых процессов, протекающих в конструкциях радиоэлектронных средств (РЭС), таких как стоечные конструкции, блоки с регулярной и нерегулярной структурами, печатные узлы, функциональные ячейки, микросборки. В состав пакета входит редактор, позволяющий формировать геометрическую модель исследуемой печатной платы или гибридной интегральной схемы, а также специализированный модуль подготовки тепловых моделей. Имеет ряд функций, недоступных ни в одной западной САПР. Прежде всего, это специальная база данных, содержащая тепловые модели компонентов для различного конструктивного исполнения и способа монтажа. Имеется возможность задания внешних граничных условий. Отдельный модуль позволяет готовить тепловые модели произвольных систем, определенных на уровне графов. Программа имеет интерфейс с современными системами проектирования печатных плат P-CAD 200Х (OrCAD), Protel DXP, Allegro, SPECCTRA, а также старыми, но все еще распространенными в России, версиями P-CAD 4.5-8.7. Кроме того, пакет может обмениваться данными с тепловизионным диагностическим комплексом ТЭРМИД РЭС.

Тепловой анализ конструкции позволяет снизить габариты устройства за счет правильного размещения теплоотводов оптимального размера и избежать перегрева и разрушения участков платы. С помощью анализа методом конечных элементов (FI) можно выявить части, склонные к разрушению из-за разности коэффициентов теплового расширения используемых материалов. Сейчас применяется зачастую порочная практика приближенной оценки объема корпуса устройства и площади поверхности радиаторов исходя из рассеиваемой элементами мощности, что иногда приводит к неоправданному завышению габаритов и веса конструкции. Следует отметить, что полученные с помощью теплового анализа температура отдельных элементов, а также динамика ее изменения в течение рабочего цикла могут быть переданы в специализированные системы анализа механических нагрузок.