Инженеры Московского института электроники и математики НИУ ВШЭ разработали инновационную систему автоматизированного расчёта тепловых режимов электроники.
Новая методика ускоряет прогнозирование перегрева компонентов в пять-десять раз по сравнению с прежними методами, позволяя заранее выявлять слабые места конструкции ещё на этапе проектирования.
При работе электродвигателей, промышленных установок или любого оборудования с мощной электроникой неизбежно выделяется тепло. Транзисторы, особенно силовые транзисторы типа MOSFET, нагреваются при прохождении тока, а резкие перепады температуры при включении и выключении устройства вызывают изменения параметров компонентов.
Со временем это приводит к деградации материалов и выходу техники из строя. Чтобы продлить срок службы электроники, инженеры должны заранее рассчитать, как именно будут нагреваться компоненты в реальных условиях, и спроектировать подходящую систему охлаждения.
Традиционно для таких расчётов применялись два подхода. Первый – детальное трёхмерное моделирование в пакетах вроде ANSYS, FloTHERM или Comsol. Такой метод даёт высокую точность, но требует значительных вычислительных ресурсов и времени: формирование модели печатной платы с учётом всех тепловых связей могло занимать несколько дней. Второй подход – расчёты в SPICE-симуляторах с упрощёнными тепловыми моделями. Он выполняется быстрее, но часто не учитывает реальные особенности конструкции платы и работы системы охлаждения, что снижает достоверность прогноза.
Синтез скорости и точности
Учёные МИЭМ ВШЭ предложили объединить преимущества обоих методов в единую многоуровневую систему. В её основе лежит автоматизированная передача данных между этими программными модулями.
Пакет Comsol используется для детального моделирования полупроводниковых приборов вместе с корпусами и уточнения тепловых характеристик компонентов. Затем эти данные передаются в SPICE-симулятор для анализа электрической схемы с учётом как электрических, так и тепловых параметров. На финальном этапе система «АСОНИКА-ТМ» рассчитывает нагрев всей печатной платы и распределение температур по компонентам.
Ключевым элементом разработки стали программные инструменты, автоматизирующие расчёт мощностей рассеивания и передачу температурных данных между модулями. Раньше инженеру приходилось вручную экспортировать результаты из одного пакета в другой – процесс, отнимающий часы работы, а иногда и порождающий ошибки. Теперь система выполняет эти операции автоматически.
Проверка на практике
Для проверки методики исследователи протестировали систему на реальной печатной плате драйвера шагового двигателя – устройства, управляющего вращением мотора с заданной скоростью. На плате установлены мощные MOSFET -транзисторы, которые при работе сильно нагреваются. Результаты компьютерного моделирования сравнили с данными тепловизионных измерений реальной платы под нагрузкой. Расхождение оказалось минимальным – а значит, методика подтвердила свою достоверность.
Раньше подобные расчёты требовали длительной ручной настройки. Теперь инженеры могут примерно в пять-десять раз быстрее прогнозировать момент перегрева платы, оперативно корректировать конструкцию и условия охлаждения. Всё это снижает стоимость разработки.
Значение для промышленности
Новая методика особенно важна для отраслей, где отказ электроники может привести к серьёзным последствиям: энергетика, промышленное оборудование, силовая электроника, транспортные системы. Быстрое выявление тепловых «бутылочных горлышек» на этапе проектирования позволяет избежать дорогостоящих переделок после изготовления опытных образцов. Это означает сокращение цикла разработки электронных модулей и повышение их надёжности без увеличения затрат на зарубежные программные пакеты.
Исследование выполнено в рамках проекта НИУ ВШЭ «Цифровая трансформация: технологии, эффекты, эффективность» программы «Приоритет-2030», а результаты работы опубликованы в журнале «Russian Microelectronics».
Повышение технологического суверенитета в электронике начинается не только с производства компонентов, но и с создания отечественных инструментов для их проектирования.
Игорь Харитонов - профессор МИЭМ ВШЭМы убедились на практике, что наши расчеты близки к реальным тепловизионным измерениям. Это значит, что методика работает корректно и может применяться в реальных инженерных задачах