ГОСТ Р 71131-2023 Системы автоматизированного проектирования электроники. Подсистема виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия

        ГОСТ Р 71131-2023

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Системы автоматизированного проектирования электроники

ПОДСИСТЕМА ВИРТУАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ НА СТАЦИОНАРНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Electronics automated design systems. Subsystem of virtual testing of electronic component base for stationary thermal effects

ОКС 31.020

29.100.01

Дата введения 2024-01-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА" (ООО "НИИ "АСОНИКА") и Федеральным государственным бюджетным учреждением "Российский институт стандартизации" (ФГБУ "Институт стандартизации")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 165 "Системы автоматизированного проектирования электроники"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 ноября 2023 г. N 1505-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

Введение

Разработка настоящего стандарта вызвана необходимостью автоматизированного анализа стойкости электронной компонентной базы (ЭКБ) к стационарным тепловым воздействиям на ранних этапах проектирования ЭКБ на основе математического моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия для снижения затрат на разработку, производство и обслуживание за счет повышения качества разработок.

Настоящий стандарт распространяется на показатели стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям. Целью стандарта является автоматизация анализа показателей стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям с применением математического моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия, снижение затрат на разработку, производство и обслуживание за счет повышения качества разработок.

Применение математического моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца позволит избежать отказов ЭКБ или значительно сократить их на этапе испытаний опытного образца, сокращая тем самым количество испытаний опытного образца, возможные итерации по доработке схем и конструкций, затраты на разработку ЭКБ при одновременном повышении качества и надежности, в том числе в критических режимах работы, делая ЭКБ конкурентоспособной на отечественном и международном рынках [1]-[4].

Использование при анализе стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям натурных испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия невозможно, так как анализ проводится еще до изготовления опытного образца. Виртуализация испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия при анализе стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям является безальтернативной. Без применения математического моделирования нельзя определить показатели стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям. Такой подход является информативным, так как благодаря ему на этапе проектирования отслеживается большинство возможных отказов ЭКБ по тепловым характеристикам, и эффективным, так как из-за недоработок проектирования ЭКБ, вскрытых уже путем натурных испытаний, возможно множество итераций: доработка проекта - испытания опытного образца - доработка проекта и т.д., что значительно увеличивает сроки и стоимость разработки.

Настоящий стандарт определяет требования к подсистеме виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия.

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт предназначен для применения предприятиями промышленности и организациями при использовании цифровых двойников электроники и CALS-технологий на ранних этапах проектирования, изготовления и испытаний электронной компонентной базы (ЭКБ), а также на всех последующих этапах жизненного цикла ЭКБ.

1.1.1 Подсистему виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия применяют на ранних этапах проектирования ЭКБ следующего назначения: промышленная, для энергетики, оборонно-промышленного комплекса, аэрокосмической отрасли, судостроения, медицинская, автомобильная, для навигации и радиолокации, потребительская, для фискального и торгового оборудования, связи (телекоммуникации), вычислительной техники, для автоматизации и интеллектуального управления, систем безопасности, светотехники, автоматизированного транспорта и движущейся робототехники.

1.1.2 ЭКБ включает в себя микросхемы, транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т.д.

1.1.3 На ЭКБ оказывают влияние стационарные тепловые воздействия. Стационарные тепловые воздействия могут приводить к несоответствиям ЭКБ требованиям к их стойкости (прочности и устойчивости) к стационарным тепловым воздействиям. Настоящий стандарт устанавливает основные положения те хнологии, позволяющей проводить анализ показателей стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям с применением математического моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия при проектировании.

1.2 Анализ показателей стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям необходимо осуществлять на ранних этапах проектирования ЭКБ посредством проведения математического моделирования и виртуализации испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия при проектировании.

1.3 Для анализа показателей стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям методом математического моделирования (виртуализации испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия) следует применять аттестованные программные средства, а при необходимости - аттестованные программно-аппаратные средства. Требования к программно-аппаратным средствам устанавливаются по согласованию с заказчиками.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 16962 Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические воздействия. Требования и методы испытаний

ГОСТ 16962.1 Изделия электротехнические. Методы испытаний на устойчивость к климатическим внешним воздействующим факторам

ГОСТ 21964 Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики

ГОСТ 30630.0.0 Методы испытаний на стойкость к внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Общие требования

ГОСТ 30630.2.1 Методы испытаний на стойкость к климатическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на устойчивость к воздействию температуры

ГОСТ Р 70201 Системы автоматизированного проектирования электроники. Оптимальное сочетание натурных и виртуальных испытаний электроники на надежность и внешние воздействующие факторы. Требования и порядок проведения при выполнении технического задания на НИОКР

ГОСТ Р 70608 Системы автоматизированного проектирования электроники. Состав и структура системы автоматизированного проектирования электронной компонентной базы

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Общие положения

3.1 Настоящий стандарт устанавливает требования к автоматизированному анализу показателей стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям на основе математического моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия.

Для достижения поставленной цели в стандарте установлены следующие единые требования:

- к технологии автоматизированного анализа показателей стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям;

- подсистеме виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия.

3.2 ЭКБ в общем случае является тепловыделяющей.

3.3 Основные виды теплообмена - кондукция, излучение, естественная и вынужденная конвекции.

3.4 Организация работ по применению технологии автоматизированного анализа показателей стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям на основе математического моделирования и виртуализации испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия при проектировании устроена согласно ГОСТ 21964, ГОСТ 30630.2.1.

3.4.1 Технология предназначена для использования подразделениями предприятий, на которые возложены соответствующие задачи.

3.4.2 Автоматизированный анализ показателей стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям допускается проводить на основе методов математического моделирования и виртуализации испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия с использованием специализированного программного обеспечения [5].

4 Технология автоматизированного анализа показателей стойкости электронной компонентной базы к стационарным тепловым воздействиям

4.1 Конечной целью автоматизированного анализа является определение пригодности ЭКБ к эксплуатации или хранению при воздействии постоянной температуры и постоянной мощности согласно ГОСТ 16962, ГОСТ 30630.0.0, ГОСТ 16962.1.

Также рассматривают математическое моделирование и виртуализацию испытаний ЭКБ на стационарные тепловые воздействия с повышенной температурой окружающей среды (в критических режимах, в том числе невоспроизводимых при натурных испытаниях).

Объектами виртуальных испытаний являются:

- произвольные конструкции ЭКБ, 3D-модели которых отсутствуют;

- произвольные конструкции ЭКБ, 3D-модели которых созданы в CAD-системах в формате STEP.

4.2 Оцениваемыми характеристиками являются постоянные температуры в узлах моделей ЭКБ.

4.3 Условия проведения виртуальных испытаний

4.3.1 Наличие российского программного обеспечения, предназначенного для моделирования ЭКБ на стационарные тепловые воздействия, внедренного на ведущих предприятиях Российской Федерации, которое является составной частью системы автоматизированного проектирования (САПР) ЭКБ в соответствии с ГОСТ Р 70608.

4.3.2 Наличие корректной 3D-модели ЭКБ в формате STEP, отвечающей требованиям по устранению ошибок, упрощению и сохранению модели [5].

4.3.2.1 Требования по устранению ошибок:

- не должно быть пересечений деталей. Они должны касаться друг друга;

- одна деталь должна касаться другой по некой поверхности с какой-либо площадью. Не допускаются варианты, когда одна деталь касается другой по линии или в точке (поверхностью касания двух деталей является линия или точка);

- не должно быть свободно висящих деталей. Они должны иметь соединения с другими деталями.

4.3.2.2 Требования по упрощению модели:

- следует убрать все крепежные детали, все винты;

- поверхности сложной формы - мелкие оребрения крупных поверхностей необходимо сделать гладкими;

- если в модели есть шестигранники (в сечении детали шестигранник), следует скруглить грани шестигранника радиусом скругления 1 мм;

- следует удалить все отверстия всех деталей, кроме крепежных отверстий;

- следует выбрать "твердые тела" при сохранении в формате STEP модели в CAD-системе, в которой создавалась данная модель.

4.3.3 Наличие следующих теплофизических параметров материалов ЭКБ:

- коэффициент теплопроводности материала;

- коэффициент смазки;

- степень черноты материала.

Данные параметры могут быть получены путем идентификации.

4.4 Режимы виртуальных испытаний

Параметры стационарного теплового воздействия:

- источник постоянной мощности;

- источник постоянной температуры;

- давление окружающего воздуха.

Для вынужденной конвекции задают также:

- скорость воздушного потока;

- скорость охлаждающей жидкости в канале.

4.5 Порядок проведения испытаний

4.5.1 Проводят поиск (идентификацию) теплофизических параметров материалов ЭКБ, указанных в 4.3.3.

4.5.2 Найденные параметры материалов ЭКБ заносят в базу данных для использования в процессе моделирования.

4.5.3 Осуществляют идеализацияю (упрощение) процессов теплопередачи в конструкциях ЭКБ, для которых отсутствуют 3D-модели. При исследовании температурных полей ЭА в таких случаях наиболее распространенным является метод электротепловой аналогии [5].

4.5.4 Проводят подготовку 3D-моделей в формате STEP конструкций ЭКБ в CAD-системах, отвечающих требованиям по устранению ошибок, упрощению и сохранению модели, приведенным в 4.3.2.

4.5.5 Проводят импорт моделей в формате STEP конструкций в подсистеме виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия.

4.5.6 Проводят виртуальные испытания ЭКБ на стационарные тепловые воздействия с применением моделирования тепловых процессов в ЭКБ на стационарные тепловые воздействия. Определяют температуры во всех узлах модели тепловых процессов, по которым рассчитывают возможные тепловые перегрузки, то есть превышения расчетных температур над максимально допустимыми, заданными в технических условиях на элементы конструкции ЭКБ.

4.5.7 По результатам виртуальных испытаний составляют отчет, в котором приводят информацию об оцениваемых характеристиках.

4.5.8 Место проведения испытаний

Испытания могут проводить:

- сами предприятия при наличии подсистемы виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия;

- Центр компетенций в области моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ и ЭА на внешние воздействия по заказу предприятия при отсутствии у него подсистемы виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия.

4.6 Обработка, анализ и оценка результатов испытаний

4.6.1 Используют малый объем выборки.

4.6.2 Используют методы статистической обработки результатов испытаний.

Вычисление выборочных числовых характеристик осуществляют при малом объеме выборки. Вычисляют:

- выборочное среднее значение характеристики тепловых свойств;

- выборочную дисперсию характеристики тепловых свойств;

- выборочное среднеквадратическое отклонение.

4.6.3 Оцениваемые характеристики определяют с учетом разброса температур. Для каждой характеристики определяют среднее значение и среднеквадратическое отклонение.

4.7 Материально-техническое обеспечение испытаний

4.7.1 На рабочих станциях пользователей должно быть установлено следующее прикладное программное обеспечение, отвечающее требованиям 4.3.1:

- для виртуальных испытаний конструкций ЭКБ, 3D-модели которых отсутствуют, на стационарные тепловые воздействия;

- для виртуальных испытаний конструкций ЭКБ, 3D-модели которых созданы в CAD-системах в формате STEP, на стационарные тепловые воздействия.

4.7.2 Необходим перечень моделей, используемых для испытаний:

- топологические модели тепловых процессов ЭКБ в виде узлов и ветвей, когда 3D-модель отсутствует;

- 3D-модели конструкций ЭКБ в формате STEP.

4.7.3 Необходимо наличие руководств пользователей и обучающих звуковых видеороликов к прикладному программному обеспечению, указанному в 4.7.1.

4.7.4 Должна быть обеспечена необходимая квалификация персонала, специалистов и привлекаемых сил, проводящих испытания, подтвержденная аккредитацией пользователя прикладного программного обеспечения, указанного в 4.7.1, в Центре компетенций в области моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ и ЭА на внешние воздействия.

4.7.5 Порядок подготовки и использования материально-технических средств в процессе испытаний:

- приобретение и настройка рабочих станций;

- приобретение и установка на рабочих станциях программного обеспечения, отвечающего требованиям 4.3.1 и описанного в 4.7.1.

4.8 Протокол испытаний должен содержать следующую информацию:

- описание топологических и 3D-модели моделей тепловых процессов ЭКБ;

- описание тепловых граничных условий;

- описание источников постоянных температур;

- описание источников постоянных мощностей;

- оцениваемые характеристики: температуры в узлах модели ЭКБ, которые не должны превышать максимально допустимые значения, заданные в нормативных документах и технической документации;

- выводы по результатам испытаний.

5 Требования к подсистеме виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия

5.1 Подсистема виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия должна отвечать требованиям 1.3 и ГОСТ Р 70201, является составной частью САПР ЭКБ в соответствии с ГОСТ Р 70608.

5.2 Необходимо наличие базы данных материалов по теплофизическим параметрам.

5.3 Порядок проведения виртуальных испытаний

5.3.1 Проводят идентификацию теплофизических параметров материалов ЭКБ при их отсутствии в базе данных. Идентифицируют коэффициент теплопроводности материала, коэффициент смазки, степень черноты материала. Заносят идентифицированные значения параметров в базу данных.

5.3.2 Если объектами виртуальных испытаний являются конструкции ЭКБ, 3D-модели которых отсутствуют, создают топологические модели тепловых процессов в виде узлов и ветвей.

5.3.3 Если объектами виртуальных испытаний являются конструкции ЭКБ, 3D-модели которых созданы в CAD-системах в формате STEP, проверяют выполнение требований по устранению ошибок, упрощению и сохранению модели.

5.3.4 Проводят импорт 3D-модели.

5.3.5 Вводят материалы деталей из базы данных или теплофизические параметры материалов вручную при отсутствии материалов в базе данных.

5.3.6 Проводят автоматическое разбиение 3D-модели конструкции на конечные элементы.

5.3.7 Вводят тепловые граничные условия.

5.3.8 Задают источники постоянных температур.

5.3.9 Задают источники постоянных мощностей.

5.3.10 Проводят расчет конструкции ЭКБ на стационарные тепловые воздействия.

5.3.11 В результате расчета получают температуры в узлах модели ЭКБ.

5.3.12 Для оценки показателей стойкости ЭКБ к стационарным тепловым воздействиям сравнивают рассчитанные температуры в узлах модели ЭКБ с допустимыми значениями, заданными в нормативных документах и технической документации.

В приложении А приведен пример подсистемы виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия и результатов ее работы.

Приложение А

(справочное)

Пример подсистемы виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия и результатов ее работы

Примером подсистемы виртуальных испытаний электронной компонентной базы на стационарные тепловые воздействия является совокупность подсистем российской САПР электроники в части виртуальных испытаний - автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА) (https://asonika-online.ru/), предназначенной для анализа и обеспечения стойкости ЭКБ к комплексным тепловым, механическим, электромагнитным воздействиям, усталостной прочности к тепломеханическим воздействиям, для создания карт рабочих режимов ЭКБ, анализа показателей надежности ЭКБ и создания цифровых двойников ЭКБ.

АСОНИКА - это замена натурных испытаний опытных образцов ЭКБ виртуальными испытаниями на внешние механические, тепловые, электромагнитные и другие воздействия еще до их изготовления. Это значительная экономия денежных средств и сокращение сроков создания ЭКБ при одновременном повышении качества и надежности за счет сокращения количества натурных испытаний.

На этапе эскизного проектирования электроники (до создания электрических схем, чертежей и 3D-моделей) используют подсистему АСОНИКА-Т анализа и обеспечения тепловых характеристик произвольных конструкций ЭКБ D-модель которых еще не создана, с возможностью ускоренного создания модели в специализированном интерфейсе).

На этапе технического проектирования (после создания электрических схем, чертежей и 3D-моделей) используют подсистему АСОНИКА-М-3D анализа и обеспечения стойкости произвольных объемных конструкций ЭКБ к механическим и тепловым воздействиям с возможностью импорта геометрии из различных CAD-систем.

На всех этапах проектирования электроники используют следующие подсистемы:

АСОНИКА-ИД: подсистема идентификации физико-механических и теплофизических параметров моделей ЭКБ;

АСОНИКА-БД: подсистема управления базами данных ЭКБ и материалов по геометрическим, физико-механическим, усталостным, теплофизическим, электрическим и надежностным параметрам.

Результаты работы подсистем АСОНИКА-Т и АСОНИКА-М-3D представлены на рисунках А.1-А.9.

Рисунок А.1 - Конструкция ЭКБ, импортированная из CAD-системы в подсистему АСОНИКА-М-3D

Рисунок А.2 - Автоматическое разбиение на конечные элементы

Рисунок А.3 - Диалоговое окно для выбора материала из базы данных

Рисунок А.4 - Диалоговое окно для задания параметров материала

Рисунок А.5 - Задание тепловых граничных условий

Рисунок А.6 - Задание источника постоянной мощности

Рисунок А.7 - Температуры во всех точках конструкции блока ЭКБ

Рисунок А.8 - Модель тепловых процессов ЭКБ

Рисунок А.9 - Температуры в узлах модели тепловых процессов ЭКБ

Библиография