Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ПОДСИСТЕМА АНАЛИЗА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ К МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ «ASRUS-М»

Авторы:
Город:
Москва
ВУЗ:
Дата:
16 октября 2017г.

Интегральные микросхемы (ИМС) в составе электронных приборов космических, авиационных и других подвижных объектов подвергаются интенсивным механическиv воздействиям. Из-за этого резко снижается их надёжность и возникает опасность отказа объекта (ракеты, самолета и др.), который управляется с помощью электронных схем. Нужно прогнозировать надёжность с учетом механических воздействий до изготовления интегральных микросхем и электронных приборов [1, 2].

Для прогнозирования и предотвращения отказов интегральных микросхем из-за механических воздействий разработана автоматизированная подсистема анализа и обеспечения стойкости интегральных микросхем к механическим воздействиям «ASRUS-М».

Подсистема обеспечивает выполнение следующих функций:

-       расчёт механических характеристик произвольных конструкций ИМС при воздействии гармонической вибрации;

-   расчёт механических характеристик произвольных конструкций ИМС при воздействии случайной вибрации;

- расчёт механических характеристик произвольных конструкций ИМС при воздействии одиночных ударов;

-       расчёт  механических  характеристик  произвольных  конструкций  ИМС  при  воздействии многократных ударов;

-   расчёт механических характеристик произвольных конструкций ИМС при воздействии линейных ускорений.

Благодаря возможностям подсистемы можно получить: на выходе поля выходных величин (перемещений, ускорений, напряжений), графики амплитудно-частотных и амплитудно-временных характеристик, абсолютные и относительные значения, значения выходных величин в узлах конечно- элементной сетки, процентное превышение напряжений над допустимыми значениями, деформированное состояние конструкций с учетом фактора усиления и анимацию отклика конструкции ИМС на механические воздействия.

Для анализа ИМС на механические воздействия используется метод конечных элементов. Математическое моделирование механических процессов методом конечных элементов включает следующие этапы:

- получение конечно-элементной (КЭ) модели;

- задание свойств материалов;

- задание нагрузок и креплений;

- проведение расчёта;

- просмотр и анализ результатов.

КЭ ИМС может быть получена на основе твердотельной модели (Solid model), построенной конструктором в одной из CAD-систем (SOLID Works, Pro Engineer и т.п.). В процессе КЭ разбиения возникает ряд сложностей:

1.     Необходимо обеспечить связность твердотельной модели, импортированной в КЭ среду. Связность понимается как определение формы геометрического контакта между различными частями, из которых состоит микросхема (подложка, шариковые выводы). Чтобы процесс связывания завершился успешно, исходная твердотельная модель не должна иметь пересекающихся частей.

2.     КЭ сетка должна быть оптимального размера: не слишком крупной, чтобы  погрешность вычислений не оказалась слишком большой, и не слишком мелкой, чтобы избежать растраты ресурсов компьютера.

Процессы связывания и разбиения поддаются автоматизации. Для этих целей был разработан программный интерфейс в подсистеме ASRUS-M, благодаря которому экспортирование, связывание и КЭ разбиение моделей осуществляются автоматически с минимальными усилиями со стороны пользователя. Работа программного интерфейса основана на автоматической генерации макрокоманд. Макрокоманда представляет собой последовательность команд, записанных в файл для многократного использования.

Геометрическая сложность ИМС на шариковых выводах также существенно осложняет процесс её КЭ моделирования. Эта сложность выражается, прежде всего, в наличии множества мелких элементов (например, части шариковых выводов), тонких слоёв (медный слой на поверхности платы). Число конечных элементов, требуемых для охвата вышеназванных геометрических нелинейностей, может оказаться чрезмерно большим. Как правило, моделирование всегда предполагает некоторое упрощение конструкции. Упрощение конструкции ИМС основывается на следующих соображениях:

– модель ИМС симметрична (две плоскости симметрии), поэтому достаточно смоделировать не всю микросхему, а лишь её четвёртую часть. При этом важно правильно задать закрепления, ограничив степени свободы в плоскостях симметрии;

–     слоистая структура подложки ИМС, а также печатной платы может быть смоделирована одним материалом с усреднёнными физическими свойствами. Это не должно существенно повлиять на точность результатов, поскольку основными концентраторами напряжений, а также наиболее уязвимыми частями с точки зрения усталостного разрушения являются шариковые выводы;

–    сами же выводы на КЭ модели должны сохранить свою геометрию, и проводить упрощения здесь нецелесообразно.

Задание свойств материалов. Модель платы с микросхемой на шариковых выводах состоит из различных частей (шариковый вывод, кремниевый чип, подложка микросхемы, плата и др.) с различными физическими параметрами. Отдельные части (например, подложка) могут иметь ортотропные свойства. Подсистема ASRUS-M позволяет всё это учесть, в ней присутствует база данных со значениями свойств для различных материалов. Для всей конструкции и/или для отдельных деталей задаются параметры материала, необходимые для механического расчёта (плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона, коэффициент механических потерь (КМП). Если требуется провести нелинейный анализ (учитывающий зависимость коэффициента механических потерь от напряжения), требуется задать также «коэффициент зависимости КМП от напряжения». Нелинейный расчёт будет выполняться при условии, если по крайней мере для одной детали указан «коэффициент зависимости КМП от напряжения». Для расчёта времени до усталостного разрушения при механических воздействиях необходимо также задать усталостные параметры материалов.

Задание нагрузок и креплений. Гармоническая вибрация и ударное воздействие задаются как инерционные нагрузки. Например, гармоническая вибрация задаётся как зависимость ускорения от частоты задающего воздействия. Для каждого значения частоты и ускорения проводится гармонический анализ. Затем результаты для всех частот комбинируются в постпроцессоре. Важно, чтобы частотный спектр гармонической вибрации был достаточно широким, чтобы не пропустить резонансные частоты конструкции.

Ударная нагрузка моделируется аналогичным образом, с тем отличием, что вместо частотной зависимости используется временная.

Проведение расчёта. Проведение расчёта также автоматизируется средствами макропрограммирования. При этом важно правильно выбрать тип расчёта и его параметры. Анализ на случайную вибрацию позволяет получить среднеквадратические отклонения перемещений, ускорений, деформаций и напряжений во всех узлах КЭ сетки. Постпроцессор позволяет также рассчитать спектральную плотность выходных величин (перемещений, ускорений, деформаций и напряжений). Фрагменты интерфейса подсистемы ASRUS-M представлены на рис.1 и рис.2.


Фрагменты постпроцессора подсистемы ASRUS-M представлены на рис.3-5.



Список литературы

 

 

1. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадёжных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Том 1/ Под ред. Ю.Н. Кофанова, Н.В. Малютина, А.С. Шалумова. М.: Энергоатомиздат, 2007. 368 с.

2.      Автоматизированная  система  АСОНИКА  для  моделирования  физических  процессов  в

радиоэлектронных средствах с учётом внешних воздействий / Под ред. А.С. Шалумова. – М.: Радиотехника, 2013. 424 с.