Оптимизация теплонапряженной конструкции функционального узла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Коротков, Алексей Александрович

• Коротков, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коротков, Алексей Александрович

Введение.

ГЛАВА 1 Оценка технических решений при проектировании функционального узла.

1.1 Этапы развития радиоэлектронных средств.

1.1.1 Особенности конструирования цифровых функциональных узлов и блоков на печатных платах.

1.1.2 Особенности конструирования функциональных узлов и • блоков на бескорпусных микросборках.

1.2 Перспективные направления конструирования современных радиоэлектронных средств.

1.2.1 Тенденции развития СБИС.

1.2.2 Тенденции развития печатных плат.

1.3 Системы охлаждения конструкций радиоэлектронных средств

1.4 Система и методика оценки технологичности конструкции ^ функционального узла, недостатки методики.

Задачи диссертации.

ГЛАВА 2. Схема и критерии оценки технических решений.

2.1 Схема оценки технического решения.

2.2 Базы данных для проектирования функционального узла.

2.2.1 База данных СБИС.

2.2.2 База данных коммутационных плат.

2.2.3 База данных клев и припоев.

2.2.4 База данных несущей конструкции.

2.2.5 База данных по системам охлаждения.

2.3 Связь характеристик качества с конструкцией, критерии оценки ютруктивного варианта теплонапряженного функционального узла.

2.3.1 Связь характеристик качества с теплонапряженной ютрукцией функционального узла.

2.3.2 Критерии оценки конструктивного варианта функционального узла.

Выводы к Главе 2.

ГЛАВА 3. Оценка технических решений единым экономическим ^ показателем.

3.1 Критерии оценки затрат на изготовление и эксплуатацию ^ функционального узла.

3.2 Оценка характеристик качества. Перевод характеристик качества ^ в денежные единицы.

3.3 Суммарная оценка технических решений.

Выводы к Главе 3.

ГЛАВА 4. Оптимизация конструкции функционального узла.

4.1 Методика оптимизации функционального узла и микросборки в составе функционального узла.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация теплонапряженной конструкции функционального узла»

Уровень качества вновь создаваемых и модифицируемых РЭС, который определяет их конкурентоспособность на внешнем и внутреннем рынке, в значительной степени зависит от эффективности и качества их проектирования [1]. В первую очередь это относится к современным бортовым радиоэлектронным средствам (БРЭС) военного назначения, имеющим сложные алгоритмы функционирования, обладающим повышенной надежностью, высокими удельными показателями, помехозащищенностью и стойкостью к широкому спектру внешних воздействующих факторов [2]. Кроме того, наряду с постоянным усложнением БРЭС и ростом предъявляемых к ним требований, сокращаются и сроки их проектирования. Однако реальные сроки проектирования БРЭС на отечественных предприятиях составляют 5-7 лет. Освоение серийного производства в первые годы эксплуатации сопровождается многочисленными доработками, целью которых является не повышение качества БРЭС, а устранение различного рода недостатков, дефектов и отказов. Причины такого положения обусловлены рядом недостатков существующей (традиционной) технологии проектирования, в первую очередь, явно недостаточным уровнем использования методов 'математического моделирования, интегрирующихся с современными информационными технологиями, обеспечивающими непрерывную информационную поддержку (ИПИ (САЬ8)-технологии) [3,4].

Объективные трудности использования методов математического моделирования в технологии проектирования БРЭС объясняются небольшим выбором инструментальных средств (CAE, CAD-систем), имеющих к тому же ограниченные возможности и практически не интегрирующихся с CALS-технологиями [4,5].

Проблема осложняется ещё и тем, что на российских предприятиях-разработчиках БРЭС, наряду с отечественными ЭРИ, широко применяются ЭРИ зарубежного производства [6]. Естественно, это вызывает необходимость использования соответствующих данных при оценке характеристик качества БРЭС, создаваемых как по российским заказам, так и по зарубежным, доля которых, по мере интеграции России в мировое сообщество и выхода на международные рынки, постоянно возрастает.

Объектом диссертационного исследования . является процесс проектирования конструкции теплонапряженного ФУ, основанный на выборе технических решений по бальным показателям.

Таким образом, на момент рассмотрения, в объекте существовали недостатки:

- оценка решений, принимаемых при проектировании ФУ производилась без учета взаимозависимости показателей затрат на изготовление, эксплуатацию и характеристик качества ФУ от принимаемых конструктивных решений;

- методика оценки решений, принимаемых при проектировании, позволяла оценить решения как степень достижения результата и не позволяла получить результат в абсолютных единицах;

- поскольку не было связи затрат и качества с конструкцией ФУ, то не применялась методика оптимизации;

- показатели затрат измерялись в денежных единицах, а показатели качества в физических, что не позволяло сравнивать эти показатели между собой.

Предметом диссертационного исследования является методика оценки технических решений, принимаемых конструктором на этапе проектирования и оптимизации теплонапряженной конструкции ФУ ЭА.

Для решения проблемы, существующей в объекте исследования, в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана методика оценки конструктивных решений, обеспечивающая получение результата на основе учета взаимосвязи показателей затрат на изготовление, эксплуатацию и характеристик качества, производимых вследствие реализации принимаемого решения.

2. Созданы базы данных, обеспечивающие выбор решения по каждому из направлений проектирования ФУ теплонапряженной конструкции.

3. Определены характеристики качества ФУ теплонапряженной конструкции и их зависимость от конструктивных параметров изделия.

4. Определены затраты на изготовление и эксплуатацию изделия и их связи с параметрами конструкции теплонапряженного ФУ.

5. Предложены варианты безразмерных показателей качества. Оценено качество ФУ теплонапряженной конструкции единым безразмерным показателем.

6. Доказана правомерность и создана методика перевода безразмерных показателей качества в денежные единицы.

7. Разработана методика оптимизации ФУ теплонапряженной конструкции по единому экономическому показателю от реализации выбранных конструктивных решений.

8. В качестве инструмента по оценке технологичности теплонапряженной конструкции МСБ и ФУ рекомендовать программу компьютерного обучения.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Создана методика оптимизации теплонапряженного ФУ, основанная на учете затрат на изготовление, эксплуатацию и качество в зависимости от параметров конструкции. Оптимальной считается конструкция, дающая максимальную суммарную экономию относительно изделия аналога.

2. Созданы базы данных по всем направлениям проектирования, содержащие данные о компонентах, материалах и методах, необходимых для выбора решения.

3. Определены формулы затрат на изготовление и эксплуатацию в зависимости от параметров, характеризующих конструкцию теплонапряженного ФУ.

4. Создана методика перевода показателей качества в денежные единицы, основанная на исключении погрешности отношений безразмерного показателя качества разрабатываемого варианта и аналога.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований:

- реализуется экономический эффект при проектировании ФУ теплонапряженной конструкции;

- снижается трудоемкость работы конструктора;

- создаются условия для накопления и систематизации данных о компонентах, материалах, методах, принимаемых при проектировании и изготовление ФУ;

Разработанная в диссертации методика внедрена и используются в области проектирования и производства изделий военного и космического назначения на предприятии - ФГУП НИИ «Субмикрон» (г. Зеленоград).

Методики исследований базируются на теоретических физико-химических основах материаловедения полупроводниковых приборов, математическом и физическом моделировании, знании производственных процессов.

Достоверность результатов работы подтверждается:

- адекватностью программы, применяемой при расчетах, подтверждающую связь характеристик качества с конструкцией;

- совпадением результатов оценки технических решений с практическими результатами;

- корректным применением формул (температуры перегрева, плотности монтажа, температурных напряжений, термомеханической усталости).

На защиту выносятся:

1. Базы данных по всем направлениям проектирования, содержащие данные о компонентах, материалах и методах, необходимых для выбора решения.

2. Методика перевода характеристик качества в денежные единицы, основанная на исключении погрешности отношения разрабатываемого варианта и аналога.

3. Методика оптимизации конструкции ФУ РЭС по единому критерию экономии ресурсов изготовления, эксплуатации и показателей качества отнесенных к аналогу.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:

- XXXIV Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе 1Т + 8&ЕЛ07». Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая, 2007 г.

- Научно-технический совет ФГУП НИИ «Субмикрон» 28.02.07.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в 6 статьях, 1 тезисе доклада на международной научно-технической конференции.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Коротков, Алексей Александрович

ВЫВОДЫ ПО ОПТИМИЗАЦИИ МСБ

1. Для СВЧ аппаратуры, при естественном воздушном охлаждении, необходимо выбирать подложку с высокой теплопроводностью.

2. Наименьшею температуру перегрева имеет KB МСБ с СБИС на ленточном носителе при одинаковых подложках.

3. Суммарный экономический эффект зависит от выбранных критериев качества и целей проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная электронная аппаратура характеризуется высокой интеграцией и технологичностью, малой массой и повышенной надежностью. Качество создаваемых РЭС, в значительной степени зависит от эффективности и качества проектирования. Проблеме обеспечения качества на ранних этапах проектирования по сей день уделяется недостаточно внимания и для создания РЭС с высокими показателями технического уровня актуальной является проблема разработки технологии надежно-ориентированного проектирования, как в математическом, так и в методологическом аспекте, а так же последующая их интеграция с САЬ8-технологиями.

На основе комплекса исследований в рамках данной диссертации вышеотмеченные проблемы нашли свое решение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коротков, Алексей Александрович, 2008 год

1. ГОСТ Р ИСО 9000-2003. Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь.

2. ГОСТ РВ 20.39.301-98. Комплексная система общих требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам. ДСП.

3. Голъдин, В.В. Информационная поддержка жизненного цикла электронных средств: Монография / В.В. Гольдин, В.Г. Журавлевский, Ю.Н. Кофанов, A.B.Сарафанов. М.: Радио и связь, 2002.

4. Исследование тепловых характеристик РЭС методами математического моделирования: Монография / В.В. Голъдин, В.Г. Журавлевский, В.И. Коваленко и др. М.: Радио и связь, 2003.

5. Хрусталев Д. Об особенностях применения импортных компонентов в военной и специальной технике. Интервью с начальником 22 ЦНИИИ МО РФ контр-адмиралом Ю.И. Степановым / Д. Хрусталев // Компоненты и технологии 2001. №7.

6. Преснухин Л.Н., Шахнов В.А. Проектирование электронных вычислительных машин и систем. М.: Высшая школа, 1986.

7. Высоцкий Б.Ф., Назаров A.C. Радиоэлектронная аппаратура//Энциклопедия «Электроника». М.: Советская энциклопедия, 1991.

8. Коледов Л.А., Заводян A.B., Королъкевич В.А. Поверхностный монтаж компонентов новое направление в конструировании и производстве МЭА//Зарубежная электронная техника. 1988. Вып. 3 (322), 4 (323).

9. Грачев А., Малиновский Н. Поверхностный монтаж электронных компонентов // Электронные компоненты и системы № 1,2002. С. 28 -47.

10. Технология поверхностного монтажа: Учебное пособие/ Кундас С. П., Достан-ко А. П., Ануфриев Л. П. и др. Минск: «Армито-Маркетинг, Менеджмент», 2000.-350 с.

11. Конструирование аппаратуры на БИС и СБИС/В.Ф. Борисов, Ю.И. Боченков, Б.Ф. Высоцкий и др.; Под ред. Б.Ф. Высоцкого и В.Н. Сретенского. М.: Радио и связь, 1989.

12. Романов В. Корпуса ИС, поверхностный монтаж // Электронные компоненты и системы №2,1998. С. 22 - 24.

13. Грачев А., Малиновский Н. Поверхностный монтаж и демонтаж микросхем в корпусах BGA и CSP // Электронные компоненты и системы 2002. -С. 38-42.

14. Ермолович А. Корпуса микросхем и поверхностный монтаж. Корпуса микросхем и некоторые особенности их монтажа // Электронные компоненты и системы №4,1998. С. 33 - 41.

15. IMRAD. Импортные электронные компоненты. Каталог. 2007.

16. VD MAIS. Электронные компоненты и системы. Каталог продукции. 2007.18. http://www.ats.net

17. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. М.: Радио и связь. 1987. - 375 с.

18. Негляд Ю. К., Федоров В. Н. Материалы для подложек толстопленочных микросборок. //Техника средств связи. Серия ТПО. 1977, № 2. - С.

19. Конструирование и технология печатных плат. Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. М.:Высшая школа 1973.-216 с.

20. Платы печатные. Требования к конструированию. Инструкция РД 50708-91.

21. Платы печатные. Общие технические условия. ГОСТ 23752-79.

22. Публикация МЭК 326-3. Платы печатные. Часть 3. Конструирование и применение печатных плат.

23. Панов Л. И., Матвеенко А. А. Выбор оптимального варианта функциональных узлов РЭС на печатных платах. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, № 1, 2000.-С. 6-11.

24. Жигалов JI. Т., Котов Е. П., Шихаев К. И., Хохлов Б. А. Н Конструирование и технология печатных плат. М.: Высшая школа. -1973.-216 с.i27 .Дулънев Г.Н., Тарновский H.H. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1971.

25. Дулънев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984.

26. Глущицкий И.В. Охлаждение бортовой аппаратуры авиационной техники. М.: Машиностроение, 1987.

27. Резников Г.В. Расчет и конструирование систем охлаждения ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988.

28. И. П. Бушминский, О.Т Дау то в, А.П. Достанко и др. «Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры». М. «Радио и связь», 1989, 624с.

29. Н.К. Моисеева, Ю.П. Анискин. «Конкурентоспособность, маркетинг, обновление». Том 1. «Внешторгиздат», 1993.

30. Н.К. Моисеева, Ю.П. Анискин. «Конкурентоспособность, маркетинг, обновление». Том 2. «Внешторгиздат», 1993.

31. И.Ю. Боченков. «Методические указания к выполнению технологической части дипломного проекта по радиотехническим специальностям». МАИ, М. 1991.35 .А.И. Гаврилов. «Основы технологии приборостроения». Учебник для ВТУЗов. М. «Высшая школа», 1976, 328с.

32. H.H. Ушаков. «Технология элементов вычислительных машин». Учебник для ВТУЗов, М. «Высшая школа», 1976.

33. И.Ю. Боченков. «Методические указания к выполнению технологической части дипломного проекта по радиотехническим специальностям». МАИ, М. 1991.

34. А.И. Гаврылов. «Основы технологии приборостроения». Учебник для ВТУЗов. М. «Высшая школа», 1976, 328с.

35. Г .Я. Гуськов, Г.А. Блинов, A.A. Газаров. «Монтаж микроэлектронной аппаратуры». М. «Радио и связь», 1986.

36. ОСТ 107 15 2010-86. Отраслевая система обеспечения технологичности изделий. Основные положения. 1987г.

37. Отраслевая система обеспечения технологичности изделий (ОСОТИ), Номенклатура и нормативные значения показателей технологичности радиоэлектронных средств общей техники и их составных частей. ОСТ 107 152011 -91.

38. Григорьев В.П, Парфенов Е.М., Усачев А.Н. Основы конструирования радиоэлектронной вычислительной аппаратуры. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию по курсам «Конструирование ЭВМ» и «Конструирование РЭА» М.: Изд-во МГТУ, 1980. - 80 с.

39. Воженин И. Е., Блинов ГА, Коледов JI.A. Микроэлектронная аппаратура на бескорпусных интегральных микросхемах /Под ред. H.H. Воженина. М.: Радио и связь, 1985.

40. Власов В.Е., Захаров В.П, Коробов А.И. Системы технологического обеспечения качества компонентов микроэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1987. - 160 с.

41. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры / П.И. Овсищер, НИ. Лившиц, А.К. Орчинский и др.; Под ред. Б.Ф. Высоцкого, В.Б. Пестрякова и O.A. Пятлина. М.: Радио и связь, 1982.

42. Коробов А.И., Султанмагомедов Н.С. Методика оценки технологичности и оптимизации топологического чертежа интегральных схем //Электронная техника. Сер, 3, Микроэлектроника. 1997. Вып. 1.

43. Коробов А.И., Юсупов З.А. Методика выбора коммутационной платы и процесса ее совершенствования //Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника- 1997. Выи, 1.

44. Коробов А.И., Плеханов А.Е., Тверской Е.М. Выбор конструктивно -технологического варианта ГИС //Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 1999, -Вып.2-3.

45. Passive Components for Surface Mounting. Siemens Matsushita Components. Short Form Catalog. 1998.

46. Платан. Электронные компоненты. Каталог. 2000.

47. Справочник "Микросхемы интегральные. Габаритные чертежи". Дейтон 2002.

48. Флоренцев С.И. Тенденции развития силовой электроники начала тысячелетия.// Электроника 2003 №6.

49. Лоренц Л. Состояние и направление дальнейшего развития в сфере разработки, производства и применения полупроводниковых приборов.// Электроника 2002 №3.

50. Бершадская М.Д., Аветиков В.Г., и д.р. Нитрид алюминия новый высокотеплопроводный диэлектрик.// Электронная техника Сер.6. материалы.1984. Вып.6(191).

51. В. И. Костенко, В. С. Серегин, Л. А. Грошкова, А.И. Василевич. Перспективы использования высокотеплопроводной керамики из нитрида алюминия в космическом приборостроение. Современные информационные и конструкторские технологии. 2003.

52. Кузнецов O.A., Погалов А.И., Сергеев B.C. Прочность элементов микроэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1990.

53. ОСТ 4Г 0.029.204-86. Клеи. Выбор, свойства, область применения.

54. Паяльное оборудование и материалы ERSA. Каталог-справочник, Киев, 2001. -С. 8-56.

55. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры/77.И. Овсищер, Ю.В. Голованов, В.П. Ковешников и др.; Под ред. П.И. Овсищера М.: Радио и связь, 1988.

56. Б.Н. Арзамасов, В.А. Бромстер, H.A. Буше. Конструкционные материалы: Справочник. М.: Машиностроение ,1990.61. http://mosstal.ru/62. http://metalpro.ru/

57. Погалов А. И. Таран А. И. « Моделирование и инженерный анализ корпусированных многовыводных кристаллов интегральных схем» Оборонный комплекс научно-технический прогресс России №2. 2004.

58. Карпушин В.Б. Виброшумырадиоаппаратуры. М.: Сов. радио, 1977.

59. Токарев М.Ф., Галгщкий E.H., Фролов В.А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1984.

60. Коробов А.И. Короткое A.A. Методика оценки принимаемых при проектировании технических решений и оптимизация теплонапряженной конструкции ФУ ЭС.

61. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Экспертные оценки. М.: Наука, 1973. 246 с.

62. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Экспертные оценки в принятии плановых решений. М.: Экономика, 1976. 287 с.

63. Доброе Г.М., Ершов Ю.В., Левин Е.И., Смирнов Л.П. Экспертные оценки в научно-техническом прогнозировании.Киев:Наукова думка, 1974.263 с.

64. Евланов Л.Г., Кутузов В.А. Экспертные оценки в управлении. М.: Экономика, 1978. 133 с.

65. Бешелев С Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика, 1980. 263 с.

66. А.И.Коробов, В.В. Краснянский. Оценка экономическими показателями технических решений, принимаемых при проектировании электронногосредства. Электронная техника Сер.3.Микро- и наноэлектроника. Вып.(2) 158,2005.

67. Питти, Адаме, Карелл, Джордж, Велек «Слагаемые надежности полупроводниковых приборов». ТИИЭР.-1974. Т. 62, вып.2 С.6

68. Справочник «Надежность электрорадиоизделий» 2002 год.

69. Понагушин В.П. «Экономика предприятия ИВАКО». Аналитик 1999.

70. Шахнович И. микропроцессоры: кто обгонит intel// Электроника, наука, технология, бизнес 2001 -вып.З.

71. Попов Е.В. , Крючкова О.Н. Классификация методов ценообразования. Маркетинг в России и за рубежом №4 / 2002.

72. В.М. Пролейко, В.А. Абрамов, В.Н. Брюнин «Системы управления качеством изделий микроэлектроники». М. «Советское радио» 1976.

73. Алямовский A.A. Solid Works/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов.DMK. Москава,2004.