Исследование и разработка устройств на основе термоэлектрических преобразователей и их оптимизация эвристическими методами

Омельченко, Александр Евгеньевич

Исследование и разработка устройств на основе термоэлектрических преобразователей и их оптимизация эвристическими методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Омельченко, Александр Евгеньевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Махачкала МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование и разработка устройств на основе термоэлектрических преобразователей и их оптимизация эвристическими методами»

Автореферат диссертации на тему "Исследование и разработка устройств на основе термоэлектрических преобразователей и их оптимизация эвристическими методами"

^ На правах рукописи

-л,

Омельченко Александр Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ИХ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭВРИСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность: 01.04.04 - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Махачкала 1998

Работа выполнена в Дагестанском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Исмаилов Т.А.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Зеленин И.Л.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Сафаралиев Г.К.

заседании диссертационного совета К 063.61.06 при Дагестанском государственном университете по адресу: 367025, Республика Дагестан, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43 а, зал конференций.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Даггосуниверситета.

Автореферат разослан" д " ОКТЯ£РД 1998 г.

доктор технических наук, профессор Тагилаев А.Р.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный электро-технический университет

Защита состоится

часов на

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор ЧШ.А. Гайдаров

Настоящая работа посвящена исследованию физических процессов в полупроводниковых термоэлектрических интенсификаторах теплопередачи, разработке и эвристической оптимизации прикладных устройств на основе эффекта Пельтье для термостабилизации микроэлектронных приборов.

Актуальность темы. В современных электронных устройствах (СБИС специального и бытового назначения) проблема обеспечения теплового режима становится все более ощутимой и нерешаемой имеющимися методами. Поэтому решение задачи температурной стабилизации микроэлектронной аппаратуры (МЭА) может быть получено применением в качестве основы систем обеспечения тепловых режимов (СОТР) полупроводниковых термоэлектрических интенсификаторов теплопередачи (ТЭИТ), выгодно отличающихся от других и оптимально сочетающихся с МЭА по важнейшим энергетическим и массогабаритным показателям. Их преимуществом является возможность получать искусственный холод на основе эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента.

Однако, несмотря на значительный прогресс в теории термоэлектричества, электронные процессы в ТЭИТ применительно к функциям отвода тепла от сверхплотных микроэлектронных устройств мало изучены. Наблюдается отставание в практической реализации миниатюрных термоэлектрических устройств (ТЭУ) для МЭА.

С другой стороны, качественная разработка ТЭИТ и СОТР на их основе невозможна без широкого применения средств автоматизированного расчета, что требует развития соответствующих моделей и методов. В арсенале разработчика имеются в основном аналитические методы анализа, синтеза и оптимизации (без возможности учета недетерминированности физических параметров), требующие от разработчика глубоких знаний в области термоэлектричества, что не всегда выполнимо. Поэтому также актуальна разработка методик и математических моделей эвристического характера, образующих в совокупности автоматизированную экспертную систему (ЭС). Ее применение позволит физику или разработчику аккумулировать и использовать практический опыт в области термоэлектричества при принятии решений в выборе параметров энергетического режима ТЭИТ.

Таким образом, применение полупроводниковых ТЭУ для

термостабилизации МЭА требует реализации новых варианте] устройств и соответствующих методов автоматизации их расчетов.

Целью работы является разработка и экспериментальное исследованш новых вариантов устройств ТЭИТ с различными тепловыми схемами дл? термостабилизации МЭА, их эвристических моделей и методик оптимизации теплофизических параметров.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Разработка новых вариантов устройств, тепловых схем и математических моделей полупроводниковых ТЭИТ:

■ контактного типа с объектом теплового рассеивания в виде замкнутого объема или электронного компонента;

■ контактного типа для интенсификации теплопередачи и термостабилизации жидких хладоагентов (диффузантов).

2. Проведение экспериментальной проверки и сравнение эффективности методов термоэлектрического и естественного охлаждения на модели микроэлектронного гибридного интегрального функционального узла (ГИФУ). Цель сравнения в проверке адекватности математических моделей и эффективности разработанных устройств ТЭИТ.

3. Синтез математических моделей данных и знаний, полученных от квалифицированного эксперта в предметной области термоэлектричества и объединение их в автоматизированную ЭС с целью интеллектуальной поддержки физика-исследователя или разработчика.

4. Внедрение результатов исследований и разработок в учебные процессы кафедр, в научно-исследовательскую деятельность физических лабораторий вузов, на предприятиях электронной промышленности Республики Дагестан и Российской федерации.

Методы исследований. Научной базой проведенных исследований являются: физическая теория термоэлектрических явлений в полупроводниках, анизотропные тепловые модели навесных активных компонентов в интегральных схемах, математические модели данных и знаний из области искусственного интеллекта, теория множеств и графов, теория конечных автоматов, нечеткие модели для ЭС.

Научная новизна работы: 1. Впервые разработаны ТЭУ для термостабилизации широкого спектра

вариантов гибридных узлов микроэлектроники. Разработаны теплофизические модели полупроводниковых ТЭИТ:

■ контактного типа с объектом теплового рассеивания в виде замкнутого объема или отдельного электронного компонента;

■ контактного типа для эффективной термостабилизации жидких хладоагентов (диффузантов).

2. Разработанные устройства отличаются от существующих на сегодняшний день аналогов более высокой эффективностью при миниатюрной реализации физических компонентов, что важно для МЭА высокой степени интеграции с мощными локальными тепловыми потоками.

3. Проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана адекватность разработанных математических моделей устройствам ТЭИТ в заданном диапазоне значений рассеиваемой мощности. Решена задача установления закономерности изменения массы и площади теплообменника на горячем спае ТЭУ соответственно при термоэлектрическом и естественном способах охлаждения МЭА. Решение позволяет учесть приближенность значений физических параметров. Получены количественные показатели эффективности разработанных устройств ТЭИТ, параметров их энергетических режимов в диапазоне исследованных значений рассеиваемых тепловых мощностей.

4. Предложенная эвристическая модель, интегрирующая расчетные параметры ТЭИТ и знания специалистов в области термоэлектричества предназначена для интеллектуальной поддержки физика-исследователя. Новизна модели, по отношению к алгоритмическим моделям, состоит в учете нечеткости и непредопределенности действий физика в выборе расчетных параметров при разработке отдельных устройств ТЭИТ. Это способствует снижению вероятности принятия физиком ошибочных решений, ведущих к отказам.

Практическая ценность работы :

1. Проведенные исследования и разработанные новые устройства ТЭИТ позволяют получать более устойчивые к дестабилизирующему влиянию тепла устройства микроэлектроники.

информационное обеспечение экспертной системы, что создает возможность ее эксплуатации на отраслевых предприятиях.

3. Предложенные эвристические модели и методики экспертного анализа интеллектуально поддерживают физика и позволяют получать оценку эффективности практических разработок ТЭИТ для термостабилизации МЭА.

4. Учет недетерминированности теплофизических параметров и их экспертная оценка в разработанных моделях и методиках позволяет повысить точность расчетов до 30 процентов.

5. Разработанные методики интеллектуальной поддержки универсальны и могут быть применены в иных предметных областях, где решение логически выводится из систем правил-продукций, при условии их настройки на соответствующую информационную среду.

На защиту выносятся следующие основные тезисы и положения диссертации:

1. Разработанные новые варианты устройств и математические модели полупроводниковых ТЭИТ с тепловыми схемами:

■ контактного типа с объектом теплового рассеивания в виде замкнутого объема или электронного компонента;

2. Методика экспериментального сравнительного анализа эффективности естественного и термоэлектрического способов отвода тепла в МЭА.

3. Математическая модель формализации и аккумуляции знаний квалифицированных экспертов в предметной области термоэлектричества. Методика оценки эффективности применения, и на этой основе, выбора (логического вывода) способа термостабилизации микроэлектронного узла.

4. Математическая модель процесса принятия решения при автоматизированном выборе варианта энергетического режима ТЭИТ и его физических параметров.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Межреспубликанская НТК по методам и средствам управления технологическими процессами, Саранск, 1989 г.; VI научно-технический

семинар "Математическое обеспечение систем с машинной

графикой", Махачкала, 1989 г.; Всесоюзная НТК по автоматизированным системам обеспечения надежности РЭА, Львов, 1990 г.; Российская НТК по системному анализу и принятию решений в задачах автоматизированного обеспечения качества и надежности изделий приборостроения и радиоэлектроники, Махачкала, 1991 г.; НТК профессорско-преподавательского состава и студентов Дагестанского государственного технического университета 1989-98гг.

Публикации по теме диссертации. Материалы, содержащие основные научные результаты, опубликованы в 9 печатных работах .

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения; текст изложен на 200 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 13 таблиц, список литературы, включающий 133 наименования, приложения и актов внедрения.

В введении представлена общая характеристика диссертации, содержащая обоснование актуальности темы, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы, а также указаны методы, применяемые при решении задач, описаны структура и основные положения диссертационной работы.

В Главе 1 дан краткий обзор развития термоэлектрической техники к настоящему времени. Показано, что несмотря на значительный прогресс в теории термоэлектричества, количество практических реализаций устройств крайне мало, поэтому требуется создание новых вариантов ТЭИТ, физически совместимых с современными твердотельными микроэлектронными узлами.

Проведены анализ и классификация ТЭУ для охлаждения и нагрева объектов в различных энергетических режимах.

Размещение термоэлектрической батареи (ТЭБ) в потоке теплоты естественного направления (от больших температур к меньшим) определяет ее функционирование в режиме интенсификатора теплопередачи при подводе электроэнергии к ТЭБ от внешнего источника.

Практическая задача исследования и разработки ТЭИТ, оптимизация его энергетических параметров требует учета сложной взаимосвязи тепловых и электрических процессов как в отдельно взятом ТЭИТ, так и во всем охлаждаемом узле. Эта задача многовариантна, грудноформализуема, и не

решаема четкими полиномиальными детерминированными алгоритмами, дающими на ЭВМ решение за приемлемое время. Сокращение затрат времени на расчеты достигается сужением множества возможных решений на основе эвристического подхода, моделирующего нечеткость расчетных данных и позволяющего учесть формализованные знания эксперта-специалиста (методами искусственного интеллекта) в предметной области прикладной физической электроники.

Разработана форма машинного представления данных и знаний для автоматизированных расчетов в ЭС. Анализ современных отечественных и зарубежных систем автоматизации научных исследований в области физической электроники показал недостаток в них средств экспертного анализа, интеллектуально поддерживающих разработчика.

В итоге главы поставлены задачи исследования в работе.

В Главе 2 описаны разработанные новые варианты устройств ТЭИТ контактного типа для термостабилизации гибридных интегральных узлов МЭА с теплообменником в виде оребрения (рис.1-а) и в виде контактирующей с горячими спаями ТЭИТ несущей конструкции приборного отсека (кожуха) МЭА (рис. 1-6). В расположенных на микроплате навесных элементах создается необходимый тепловой режим, контролируемый размещенным в полости датчиком температуры, соединенным с входом терморегулятора, чей выход связан с термоэлектрическим модулем. Тепловая энергия от элементов 5 рассеивается на микроплате 4 и через днище корпуса 1 переходит на холодный спай ТЭИТ 2. С горячего спая тепло отводится на внешний теплообменник 3. С помощью регулятора температуры, подключенного к термоэлектрическому модулю 2, задается и в дальнейшем поддерживается с помощью датчика температуры необходимый тепловой режим в полости ГИФУ. В зависимости от требуемого теплового режима терморегулятор подает на выводы ТЭИТ необходимой величины и полярности напряжение, в зависимости от которого ток, проходящий по модулю, нагревает или охлаждает его соответствующие спаи, а следовательно, и размещенные в полости ГИФУ навесные элементы на микроплате. Применение устройства на рис. 1-6 позволяет более эффективно использовать рабочий объем приборного отсека.

Разработан ТЭИТ контактного типа для термостабилизации жидких диффузантов, применяемых в технологических процессах тонкопленочной

а)

б)

Рис. 1 Конструкции ТЭИТ ГИФУ контактного типа;

а) теплообменник в виде радиатора;

б) теплообменник в виде несущей конструкции МЭА. 1-корпус; 2-ТЭИТ; 3-теплообменник; 4-микроплата; 5-навесные элементы; 6- прослойка-диэлектрик.

микроэлектроники. Это устройство также может использоваться для охлаждения жидкого хладоагента, циркулирующего по трубопроводу в условиях сложной конфигурации внутреннего пространства МЭА между размещенными в разных отсеках локальных источников тепла.

Испытания устройств показали, что для вариантов на рис. 1-а и 1-6 обеспечивается возможность поддержания заданного теплового режима

навесных электронных компонентов с точностью (^±0,1 °с). Установлено, что

для выхода на режим термостабилизации с температурой + 14 °С при температуре окружающей среды +35 ° С требуется около 8 мин., а при

температурах окружающей среды меньших + 14 °С - около 1,2 мин.

Для устройств ТЭИТ разработаны соответствующие тепловые схемы (рис. 2 а,б) и математические модели (формулы (1) и (2)). В случае термостабилизации замкнутого объема (рис. 2-а) в нем обеспечивается температура Х\ ПРИ температуре среды, омывающей внешние спаи ТЭБ, Тг ■ Тепловая нагрузка на ТЭБ определяется суммой внутренних тепловыделений И7' и теплопритоков (теплопотерь) Q■¡■ со стороны среды, омывающей объем статирования Т22 ■ В общем случае температура среды, омывающей объем

статирования, может быть не равна температуре среды, омывающей внешние спаи ТЭБ. Спаи батареи могут, в частном случае, иметь оребрение. Коэффициенты теплопередачи по внутренней и наружной стороне задаются соответственно как а\ и аг-

В результате работы ТЭБ через нее передается в объем или наружу тепловой поток д^. В случае наличия объема статирования теплостоков (например, испарение жидкости), соответствующая мощность внутренних источников Ш' вводится со знаком минус. Отличие тепловой схемы режима термостабилизации компонента рис.2-б заключается в том, что под температурой статирования понимается температура корпуса элемента, находящегося в тепловом контакте со спаями батареи. Величина тепловой нагрузки IV' на ТЭБ определяется с учетом возможного рассеивания части выделяемой (поглощаемой) объектом мощности в окружающую среду.

а) б)

Рис. 2 Тепловые схемы режимов статирования объектов

а) замкнутого объема;

б) отдельного электронного компонента.

Тогда выражение для холодопроизводительности имеет вид:

е,

- 0,5 е

БьКг аК2) а К2

1 + 0,5е-

Л + - Я

, $ЬКХ *КХ)\ ' БьКг «Кг) а2КхКг

Выражение для теплопроизводительности:

бг-

$ 1-0,5 е

I X

БьКх "К,) « К\

1 + 0,5 е

где

й = 0,55

- / Л 1 - 0,5 е ——- +

БьКг *Кг) а2К, К

л2

(2)

б =0,55

-Т2 2я /_,/

51 о-

где £ - площадь ТЭБ по полупроводниковому веществу, е - коэффициент термо-э.д.с. вещества, Я - коэффициент теплопроводности вещества, с/ -высота ветви, ^ - площадь сечения ветви, К\ и К2 ~ коэффициенты теплопередачи соответственно на охлаждающей и нагревающей сторонах, 7] и 7"2 - соответственно температуры охлаждаемой и нагреваемой сред, I - сила тока питания.

Основные результаты экспериментов по сравнительному анализу эффективности термоэлектрического и естественного охлаждения ГИФУ для модельного узла ГИФУ представлены на рис. 3-6. Рис. 3 и 4 характеризуют массу, а рис. 5 и 6 площадь основания радиатора соответственно для крайних величин температурного градиента на холодном и горячем спае ТЭИТ:

Т хол. Тсреда

. В случае малого напора Тхоя ~ Т

среда

= 10К, показатели массы

и габаритов меньше во всем спектре значений градиентов Тгор ~ ТСре^а 5 •

При увеличении градиента Тхол ~ Тсре()й нарастает проигрыш (увеличиваются

масса и размеры) термоэлектрического охлаждения естественному. Это может быть компенсировано как повышением напора Тго? ~ Тсреда> так и

каскадированием элементов в батарею их этажным расположением. В общем случае, для интенсификации теплопередачи необходимо создавать больший тепловой напор от горячих спаев Тгор ~ Тсреда'

В Главе 3 рассмотрены модели и методики учета знаний эксперта для принятия решений при параметрической оптимизации ТЭИТ.

М, кг,

5 4,5 4

3,5 3 2,5 2

■л

\ 1 ' ! <

Т| ор -Т ре |Я N

20с / X >>

* | ✓ | А IX л

№ У 45с

У 5с -

6 10 15 20 26 30 35 40 45 50

Р, Вт

Рис. 3. Зависимость массы теплообменника от рассеиваемой мощности

при (Т^Т^ь)

М, кг; 5'

4.5 4

3.6 3

2,5 2 1,5 1 0,6 О

г4\

т ГО| .-Т ср( да

\ ЬШ к

60 V к $ \

^ .Л] Г-1 V

1 - 1 7( с

70(

5 10 15 20 25 30 35 40 46 50

Р, Вт

Рис. 4. Зависимость массы теплообменника от рассеиваемой мощности ПРИ (Т^-Г^ =3X2"

5 10 15 20 25 30 36 40 45 $0

Р, Вт

Бор, кв.см ж 160

140 120 100 90

ео

40 20 о

Ггс Р-- Гс )ед а

\ 5 зс

■ 1

6! С. юс

"Л1 <

с юс

5 10 15 20 25 30 35 40 46 60

Р, Вт

Рис. 5. Зависимость площади

теплообменника от рассеиваемой мощности

при (7^.7^) =10С

Рис. 6. Зависимость площади

теплообменника от рассеиваемой мощности

ПРИ (Тж-Тсрей) =35СГ

(охлаждение:-

естественное,— термоэлектрическое)

Разработана эвристическая методика выбора способа

стабилизации теплового режима микроэлектронных узлов в зависимости от параметров, влияющих на физику теплообмена. В качестве базовых параметров рассматриваются: 1-плотность теплового потока через днише корпуса ГИФУ (q); 2-коэффициент заполнения объема блока, где расположен ГИФУ (к); 3-внешний наведенный перегрев (Q ); 4-максимально допустимый

перегрев наиболее термочувствительного элемента (Д Тс)\ 5-тепловое сопротивление корпус-среда {RKC ); 6-коэффициент черноты корпуса ). В

качестве базовых способов обеспечения теплового режима ГИФУ установим: ¿-применение ТЭИТ; 2-оребренне корпуса ГИФУ; 3-перскомпоновка микроплаты с разносом теплорассеивающих элементов. Пусть в итоге опроса эксперта в базе знаний имеются два правила, относящиеся к действиям в данной ситуации:

Если((<1 есть 500 Вт/м>И<2 приблизительно 0.7>И<5 есть

средний>)ИЛИ(<1 около 250 Вт/м>И<2 есть 0.5>И<5 есть низкий>)),ТО (1.0/7,0.7/2, 0.4/5)

Еслн((<1 есть 250 Вт/м>И<4 есть высокий>И<5 есть средний>)ИЛИ(<1 есть 500 Вт/м>И<4 есть низкий>И<6 есть низкий>}),ТО (0.9П, 1.012, 0.513). Правила представим системой нечетких высказываний вида:

Здесь Гу е[0, 1], ¡ = 1,п, ]=1,т- степень соответствия ]-го варианта СОТР; п и ш -число базовых значений лингвистической переменной (ЛП) В„, и В,

' IV ' I

(входных и выходных параметров); £,к, к = 1 ; -логическое высказывание конъюнктивной формы:£,к: (а, И А2 И... И Ас), гдеЛ/>=^/?^,£ есть З-х1^'

Высказывание АР имеет степень истинности и , и связывается со значением

л к

%у в слоте ¿их1Лх)/Ар . Из алгоритмических методик расчета

теплофизических параметров, получаем их номинальные значения и, сопоставляя их с нечеткими высказываниями в отношении термов, входящих в состав продукций (3) ЛП 1-6, рассчитываем функцию принадлежности (для

(3)

примера см. табл.1). Семантическая сеть Петри адекватно выражает дискретно-событийную сущность расчета, позволяя моделировать параллельную обработку и синхронизацию информации.

Функция принадлежности для базовых термов Таблица 1.

Высказывание Из расчета ФП

1 есть 500 Вт/м ь г 1 около 250 Вт/м q=470 Вт/м 2 /¿и(470) = 0.9 /^(470) = 0.5

2 приблизительно 0.7 2 есть 0.5 К=0.65 /^(0.65) = 0.95 ¿¡22( 0.65) = 0.73

3 не задан — —

4 есть высокий 4 есть низкий Д7С=40Л: //41(40) = 0.7. ^42(40) = 0.2

5 есть средний Rkc=9QK/Bt /¿5(90) = 0.8

6 есть низкий е = 0.8 ^(0.83 = 0.5

Высказывание А р представим элементарным сегментом сети Петри:

Л и Р2

есть а*к ) & ^К =»

До тех пор, пока какой-либо из термов ЯП не получил в процессе интерактивного диалога или в итоге чтения из базы знаний (БЗ) значения нечеткой переменной входное место сети р! не получает начальной

разметки, а переход И не срабатывает. Как только ЛП определяется со

степенью истинности и. , то р 1 помечается фишкой с весом а •, а переход хк лк

11 нечетко срабатывает со степенью ; , из р1 в р2 нечетко переносится фишка с весом /Л ■ Входное место (предусловие) обозначает возможность

реализации некоторого события в системе (срабатывание перехода), а выходное место (постусловие) - результат реализации. Направленные дуги между предусловиями и постусловиями показывают причинно-следственную связь между расчетными процедурами.

Обобщенная сетевая модель процесса выбора варианта теплоотвода показана на рис. 7. Места для заданных предусловий помечены фишками с соответствующим весом. Переходы, имеющие помеченными все входные места, могут сработать. Переходы и 4416 и 117-119 соответствуют правой части правил (3), а переходы 19д10 и 111,112 попарно представляют условия срабатывания в каждом из правил, и все их входные места имеют разметку. Наличие общих входных мест дает возможность одновременного срабатывания этих переходов, что моделирует конфликт между правилами (т.е. между альтернативными вариантами СОТР). Для разрешения конфликта правил взвешивается степень истинности каждого из них и выбирается наиболее истинное правило в текущей ситуации:

1. Учитывая базовые значения ЛП1-ЛП6 получаем степень истинности условной части правил:

^£1(^) = (//П(470)&^2](0.б5)&//4](40))у(//|2(470)&^22(0.б5)&//б(0.8)) = = (0.9&0.95&0.7) V (0.5&0.73&0.5) = 0.7 V 0.5 = 0.7

//£2(^) = (/^]2(470)&ití4J(40)&;«5(90))v(/aI](470)&/^42(40)&/^6(0.8)) = = (0.5&0.75&0.8) V(0.9&0.2&0.5) = 0.5 V 0.2 = 0.5

2. Строим матрицу весовых коэффициентов правых частей правил:

1 0.7 0.4 0.9 I 0.5

и находим значения = 3 = 1,т, к = 1,ш, ]ф к

В.11= П 2 V г, з = 0.7 V 0.4 = 0.7; $ } = г22чг23= 1 V 0.5 = 1;

3. Находим степень истинности для каждого варианта термостабилизации:

Рис. 7 Модель на сегменте сети Петри выбора способа термостабилизации микроэлектронного узла.

^ = 0.5 = 03 /^ = 0.3

Отсюда следует, что более предпочтителен выбор первого варианта "применение ТЭИТ", т.к. истинность для него максимальна (0,5). Далее срабатывает переход Г14 со степенью 0,5 и место р 19 помечается фишкой с

весом 0,5. Соотношение эффективности методов 1_-3

количественно оценивается отношением jU.J/J.yittJ ■ В связи с громоздкостью

аналитического расчета существующими методами разработана эвристическая методика расчетной оптимизации энергетического режима ТЭИТ. Выделяется три экстремальных режима: максимальной холодопронзводитслыюсти, максимальной энергетической эффективности, минимального тока. При работе по первому режиму требуемая холодопроизводительность обеспечивается большей потребляемой мощностью, но меньшим числом термоэлементов, т.е. меньшими габаритами термобатареи. Во втором случае заданная холодопроизводительность обеспечивается меньшей потребляемой мощностью, но при больших габаритах. В связи с высокой стоимостью полупроводникового материала представляет интерес оптимизация ТЭИТ как по энергетической эффективности, так и по массогабаритным ограничениям. Третий режим имеет практическое значение для слаботочных термоэлектробатарей, применяемых для микроэлектронных элементов. Режим характеризуется минимально возможным значением рабочего тока, при котором обеспечивается заданный перепад температур и холодопроизводительность.

Выбор приемлемого варианта режима происходит на основе сопоставления знаний эксперта о действиях в подобных условиях с самими условиями (сравнение с "образцом"), т.е. с заданными теплофизическими, электрическими и массогабаритными требованиями с учетом их нечеткого характера. Результатами экспертной оценки являются подбор величины коэффициента близости рекомендуемого энергетического режима по отношению к экстремальным и подбор полупроводникового материала для ТЭБ. Существенными факторами, влияющими на выбор являются: мощность (Р-^ ), рассеиваемая ГИФУ; площадь холодных спаев ТЭБ {Soc„ критерий

массы термобатареи (М); критерий капитальных затрат ($). Сначала оценивается предпочтительный температурный градиент на спаях ТЭБ AT , а

затем коэффициент : при максимальной холодопроизводительности кэ=\, при максимальной энергетической эффективности Кэ=®' а в Режиме минимального тока выбирается промежуточное значение 0< к э <1.

где Aj

Коэффициент f(3 позволяет задать холодопроизводительность, ток питания и холодильный коэффициент как долю от максимальных значений: 2тах*Кэ> 'тах^Э' Кх*Кэ- ПРИ Учете критерия затрат $, градиента AT и мощности /»£ выбирается эффективность

полупроводникового материала Z. Во всех случаях моделью логического вывода экспертной оценки является система вида:

¿^:(Если А}, то Вг);

Если А2, то §2); ф

Если Äm, то Вт),

и Bj высказывания вида [ßw есть a^jj и (ßv есть ауу). W -множество влияющих факторов, V - множество оцениваемых параметров.

Логический вывод экспертной оценки происходит на основе алгоритма поиска подмножества v с , при котором Hmp(v) достигает минимума:

^тр = Ц1'!1 - ¿Vi ^ + ^iH'""!1 - "WmW + • (6)

Подмножество vc {Kj и является моделью рекомендуемой экспертной оценки энергетического режима ТЭИТ.

В Главе 4 описана организация программного и информационного обеспечения экспертной системы автоматизированной параметрической оптимизации узла ТЭИТ. Сформулированы принципы взаимодействия программных средств экспертного анализа термоэлектрических параметров на нечетком логическом выводе непроцедурного типа с алгоритмически определенными численными методами. Разработаны объектно-ориентрованные фреймы представления понятий термоэлектричества, их программирования на алгоритмическом языке высокого уровня С++.

В Приложении к диссертации приведены параметры отечественных серийных модулей типа MTB, использованных в эксперименте и в расчетах; таблица с результатами измерений в сравнительном анализе естественного и термоэлектрического охлаждения.

- 19-

Основные_результаты работы:

1.Для современных узлов МЭА требуются новые совместимые с ними миниатюрные устройства ТЭИТ, а для их автоматизированного расчета необходимы математические модели, учитывающие нечеткость и разброс теплофизических параметров. В настоящее время неизвестны методики комплексного моделирования ТЭИТ в физических автоматизированных системах научных исследований.

2. Разработаны новые варианты устройств полупроводниковых ТЭИТ контактного типа с различными тепловыми схемами для замкнутых объемов и отдельных компонентов. Они обеспечивают относительную простоту их применения для широкого класса узлов микроэлектроники. Синтезированы соответствующие тепловые схемы и математические модели с двумя вариантами теплообменника на горячих спаях: в виде оребрения и контактирующей несущей конструкции приборного отсека (кожуха). Разработан ТЭИТ контактного типа для термостабилизации жидких хладоагентов.

3. На основе анализа результатов, проведенных экспериментально исследований, показано, что использование ТЭИТ снижает массогабаритные характеристики СОТР, увеличивает надежность работы тепловыделяющих объектов, что особенно эффективно при небольших температурных градиентах между тепловыделяющим объектом и средой. При этом удается сократить вдвое размеры и вес охлаждающих радиаторов, либо, сохраняя габариты, отводить двойную тепловую мощность, не опасаясь перегрева микроэлектронного узла.

4. Впервые предпринята попытка разработки экспертной системы для комплексной оптимизации параметров ТЭИТ. ЭС позволяет аккумулировать знания квалифицированных специалистов в области термоэлектричества, использует эвристические методы в оценке теплофизических параметров и служит средством интеллектуальной поддержки физика-исследователя. На основе результатов физических и расчетных экспериментов сформировано информационное обеспечение базы знаний экспертной системы.

5. Разработаны эвристические методики с учетом нечеткости теплофизических параметров: выбора способа стабилизации теплового режима узла МЭА

среди альтернативных (ТЭИТ, оребрение, перекомпоновка) и выбора энергетического режима ТЭИТ между его экстремальными режимами.

Устройства и методики используютсл в учебно-исследовательских процессах кафедр физики, теоретической и общей электротехники и

радиоэлектронных устройств и систем Дагестанского государственного

технического университета (для студентов специальностей: 2303-"Проектирование и сервис бытовых машин и приборов", 2302-"Сервис бытовой РЭА", 2008-"Радиотехника"), на предприятиях электронной промышленности Республики Дагестан и Российской Федерации, что подтверждается прилагаемыми актами внедрения.

Совокупность результатов исследований в дальнейшем позволяет использовать их в качестве научно-практической основы при разработке новых устройств ТЭИТ и соответствующих средств автоматизации их расчетов. Необходимость продолжения работ в этом, направлении подтверждается включением их в Российские и республиканские государственные научно-технические программы. !

Результаты работы изложены в следующих публикациях:

1.Зеленин И.Л., Омельченко А.Е. Некоторые принципы реализации искусственного интеллекта в задачах оптимизации термоэлектрических устройств. //Материалы межреспубликанской НТК, Саранск, 1989.

2. Зеленин И.Л., Омельченко А.Е. Расчет устройств на эффекте Пельтье в интегрированных интеллектуальных САПР. //Материалы VI НТ семинара "Матобеспечение систем с машинной графикой", Махачкала, ДПТ'И, 1989.

3. Зеленин И.Л., Омельченко А.Е. Компьютерная ."томография" состояния термоэлектрических устройств. // Материалы Всесоюзной НТК по автоматизированным системам обеспечения надежности РЭА, Политехнический институт, Львов, 1990.

4. Зеленин И.Л., Омельченко А.Е. Анализ теплового режима термоэлектрических модулей на ЭВМ, ДГУ, Межвузовский тематический сборник, Махачкала, 1990, с.53.

5. Зеленин И.Л., Омельченко А.Е., Яшувов В.К. Методы отображения графической информации о тепловых режимах микроэлектронных устройств.// Российская НТК "Системный анализ и принятие решений", Махачкала, ДПТИ, 1991.

6. Зеленин И.Л., Омельченко А.Е. Автоматизированная экспертная оценка теплового сопротивления корпус-среда микроблока СВЧ. // Сборник научных трудов "Актуальные проблемы информатики, управления и радиоэлектроники", Махачкала, ДПТИ, 1995.

7. Омельченко А.Е. Методика подбора аналогов проектируемых изделий МЭА посредством удаленных запросов в базы данных и знаний. //Махачкала, ДГУ, 1996.

8. Исмаилов Т.А., Зеленин И.Л., Омельченко А.Е. Методика расчета термоэлектрического охладителя гибридного интегрального функционального узла. //Сб. Научн. Трудов, Махачкала, ДГТУ, 1996.

9. Омельченко А.Е. Моделирование принятия решений при интерактивном теплофизическом проектировании МЭА. // Сб. Научн. Трудов, Махачкала, ДГТУ, 1996.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Омельченко, Александр Евгеньевич, Махачкала

/ / У .

ДАГЕСТАНСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ОМЕЛЬЧЕНКО Александр Евгеньевич

Специальность: 01.04.04 "Физическая электроника"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: /

д.т.н., проф. Т.А.^1смаилов Научный консультант:

к.т.н., доц. И.Л. Зеленин

Махачкала -1998

ВВЕДЕНИЕ

стр. 6

1 .ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ

ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ......... 14

1.1 Краткий обзор развития термоэлектрической техники.................... 14

1.2 Перспективы применения и классификация термоэлектрических устройств............................................................ 16

1.3 Анализ взаимодействия субъектов процесса автоматизированной оптимизации параметров интенсификаторов теплопередачи........... 24

1.4 Анализ развития средств автоматизации расчета термоэлектрических устройств............................................................. 28

1.5 Постановка задач исследования.......................................................... 32

2. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ КОНТАКТНОГО ТИПА И ОЦЕНКА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ............................................................. 35

2.1 Полупроводниковые устройства для интенсификации теплопередачи и термостабилизации замкнутых объемов

в микроэлектронных устройствах....................................................... 35

2.2 Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для термостабилизации жидких диффузантов.......................................... 41

2.3 Теплофизические модели термоэлектрических интенсификаторов контактного типа для термостабилизации замкнутых объемов и жидких диффузантов..................................... 45

2.4 Экспериментальный анализ эффективности термоэлектрического

охлаждения микроэлектронного узла.................................................. 51

Основные результаты и выводы........................................................... 58

3. РАЗРАБОТКА НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДИК УЧЕТА

ЗНАНИЙ ЭКСПЕРТА ДЛЯ ПРИНЯТИЯ ОБОСНОВАННЫХ

РЕШЕНИЙ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИНТЕНСИФИКАТОРА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ...... 59

3.1 Математические модели представления данных и знаний в

предметной области термоэлектричества.............................................. 60

3.2 Эвристическая методика выбора способа стабилизации теплового режима микроэлектронных узлов..................................... 69

3.3 Модель эвристической экспертной оценки эффективности энергетического режима интенсификатора и его параметров......... 79

3.4 Моделирование логического вывода величин физических параметров интенсификатора в автоматизированной интерактивной оптимизации................................................................................... 95

3.5 Параметрическая оптимизация целевой функции полупроводниковых термостабилизаторов на моделе нечетких гиперграфов....... 106

3.6 Методика модификации знаний в области теплофизики в системе правил-продукций................................................................................ 114

3.7 Разработка методики экспертной оценки вероятности достижимости заданного значения параметра энергетического режима охладителя................................................................................. 118

3.8 Физическое моделирование интенсификатора теплопередачи

в сценарном интерактивном режиме.................................................. 125

3.9 Аналитическое представление сценария физического моделирования ТЭИТ............................................................................................ 133

3.10 Методика экспертной оценки величины теплового сопротивле-

ния корпус-среда микроэлектронного узла............................................................................140

3.11 Методика моделирования эффективности теплообменника на

горячем спае термоэлектрической батареи............................................................................143

Основные результаты и выводы............................................................................................147

4. ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ПОДДЕРЖКИ

ФИЗИКА ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ

ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ...................................................................................... 149

4.1 Разработка объектно-ориентированных моделей в предметной области физики термоэлектричества................................................. 149

4.2 Методика подбора прототипов устройств интенсификаторов теплопередачи по запросам в физические базы знаний................... 156

4.3 Разработка структуры программного обеспечения экспертной системы................................................................................................... 164

4.4 Реализация объектно-ориентированных физических моделей

в базовых компонентах экспертной системы........................................................................170

4.5 Программный аспект поиска прототипов полупроводниковых

интенсификаторов теплопередачи в физических базах знаний............177

Основные результаты и выводы....................................................................................................................180

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..................................................................................................182

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................................................................197

АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ................................................................................................................................................................................203

СПИСОК УПОТРЕБЛЕННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АСНИ - автоматизированная система научных исследований; БЗ - база знаний;

ГИФУ - гибридный интегральный функциональный узел;

ИИ - искусственный интеллект;

ЛВС - локальная вычислительная сеть;

ЛП - лингвистическая переменная;

МЭА - микроэлектронная аппаратура;

МЭОП - модель экспертной оценки параметров;

НП - нечеткая переменная;

ООП - объектно-ориентированное программирование;

ПР - принятие решения;

ПС - проектная ситуация;

ПО - программное обеспечение;

ППР - процесс проектирования;

САПР - система автоматизированного проектирования;

СОТР - система обеспечения теплового режима;

ТС - текущая ситуация;

ТЭБ - термоэлектрическая батарея;

ТЭИТ - термоэлектрический интенсификатор теплопередачи;

ТЭМ - термоэлектрический модуль;

ТЭН - термоэлектрический нагреватель;

ТЭУ - термоэлектрическое устройство;

ТФМ - теплофизическое моделирование;

ТХМ - термоэлектрическая холодильная машина;

ФР - фрейм-реализация;

ФС - фрейм-структура;

ФУ - функциональный узел;

ФП - функция принадлежности;

ЧТЗ - частное техническое задание;

ЭС - экспертная система.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Современные устройства твердотельной микроэлектроники характеризуются высокими локальными рассеяниями тепла, что вызывает дестабилизацию их работы и снижает надежность. Применение систем обеспечения тепловых режимов (СОТР) на основе водяного охлаждения или тепловых труб часто невозможно из-за эксплуатационных и массогабаритных ограничений. Поэтому решение задачи температурной стабилизации микроэлектронной аппаратуры (МЭА) может быть получено применением в качестве СОТР полупроводниковых термоэлектрических интенсификаторов теплопередачи (ТЭИТ), оптимально сочетающихся с МЭА по важнейшим энергетическим и массогабаритным показателям. К числу преимуществ следует отнести:

■ возможность получить искусственный холод на основе эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента;

■ универсальность, т.е. возможность перевода термоэлектрического устройства (ТЭУ) из режима охлаждения в режим нагревания путем реверса постоянного тока;

■ простота устройства, компактность и взаимозаменяемость, возможность применения разнообразных компоновочных схем;

Однако, несмотря на значительный прогресс в теории термоэлектричества, наблюдается значительное отставание в практической разработке и применении устройств ТЭИТ для МЭА. С другой стороны, качественная разработка ТЭИТ и СОТР на их основе невозможна без широкого применения средств автоматизации их расчета, что требует развития соответствующих моделей и методов. В арсенале разработчика здесь имеются в основном аналитические методы анализа, синтеза и оптимизации (без возможности учета недетерминированности параметров), требующие от разработчика глубоких знаний в области термоэлектричества,

что не всегда выполнимо. Поэтому актуальна разработка

автоматизированных методик и математических моделей эвристического характера. Это позволит физику-исследователю или разработчику аккумулировать и использовать практический опыт в области термоэлектричества при принятии решений в выборе энергетического режима как самого охлаждаемого узла МЭА, так и СОТР на основе ТЭИТ.

Наиболее важными проблемами применения ТЭИТ, разработки СОТР и соответствующих им методов автоматизации расчетов являются:

■ оценка возможностей ТЭИТ, обоснованность их выбора для различных объектов МЭА и сравнительный анализ с другими способами отвода теплоты и термостатирования;

■ синтез тепловых схем и математических моделей ТЭИТ с учетом нечеткости и неопределенности теплофизических параметров, затрудняющих использование аналитических методов расчета;

■ сложность разработки математических моделей, учитывающих эвристический опыт эксперта при принятии решений в вопросах термостабилизации МЭА.

Таким образом, применение полупроводниковых ТЭИТ для термостабилизации МЭА требует реализации новых вариантов устройств и соответствующих методов автоматизации их расчетов.

Настоящая диссертация посвящена: разработке и исследованию практических устройств ТЭИТ для термостабилизации МЭА, эвристических методов расчета и оптимизации теплофизических параметров их энергетического режима.

Целью работы является разработка и экспериментальное исследование новых устройств ТЭИТ с различными тепловыми схемами для термостабилизации МЭА, их эвристических моделей, методик оптимизации теплофизических параметров.

Достижение указанной цели требует решения следующих основных

задач:

1. Разработки новых вариантов устройств, тепловых схем и математических моделей полупроводниковых ТЭИТ:

■ контактного типа с объектом теплового рассеивания в виде замкнутого объема или элемента;

■ контактного типа для интенсификации теплопередачи и термостабилизации жидких диффузантов (хладоагентов).

2. Проведения экспериментальной проверки и сравнения эффективности методов термоэлектрического и естественного охлаждения на модели микроэлектронного гибридного интегрального функционального узла (ГИФУ). Цель сравнения в получении подтверждения теоретических исследований, адекватности математических моделей и эффективности разработанных устройств ТЭИТ.

3. Синтеза математических моделей данных и знаний, полученных от квалифицированного эксперта в предметной области термоэлектричества, предназначенных для комплексной разработки СОТР на основе ТЭИТ в автоматизированной экспертной системе (ЭС) с целью интеллектуальной поддержки физика-исследователя или разработчика.

4. Внедрения результатов исследований и разработок в учебные процессы кафедр, в научно-исследовательскую деятельность физических лабораторий вузов, на предприятиях электронной промышленности Республики Дагестан и Российской федерации.

Научная новизна работы:

1. Впервые разработаны ТЭУ для термостабилизации широкого спектра вариантов гибридных узлов микроэлектроники. Разработаны теплофизические модели полупроводниковых ТЭИТ:

■ контактного типа для эффективной термостабилизации жидких хладоагентов (диффузантов).

2. Разработанные устройства отличаются от существующих на сегодняшний день аналогов более высокой эффективностью теплоотвода при миниатюрной реализации физических компонентов, что важно для МЭА высокой степени интеграции с мощными локальными тепловыми потоками.

Практическая ценность работы.

1. Проведенные исследования и разработанные новые устройства ТЭИТ позволяют получать более устойчивые к дестабилизирующему влиянию

- 10-

тепла устройства микроэлектроники.

2. Полученные экспериментально результаты по сравнительному анализу эффективности методов принудительного (термоэлектрического) и естественного (конвективного) охлаждения узлов МЭА использованы как информационное обеспечение экспертной системы, что создает возможность ее эксплуатации на отраслевых предприятиях.

4. Учет свойства неопределенности теплофизических параметров и их экспертная оценка в разработанных моделях и методиках позволяет повысить точность расчетов до 30 процентов.

На защиту выносятся следующие основные тезисы и положения

диссертации:

■ контактного типа с объектом теплового рассеивания в виде замкнутого объема или электронного компонента;

4. Математическая модель процесса принятия решения при автоматизированном выборе варианта энергетического режима ТЭИТ и

его физических параметров.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработки и

исследования по теме диссертации проводились в соответствии с важнейшими госбюджетными и хоздоговорными научно-исследовательскими работами, проводимыми в Дагестанском государственном техническом университете кафедрами "Теоретической и общей электротехники" (ТиОЭ) и "Радиоэлектронных устройств и систем" (РЭУиС)в 1988-98 гг.

Результаты диссертационной работы внедрены на промышленных предприятиях ЗАО "Эльтав" (г. Махачкала), АО "НИИ Сапфир" (г. Махачкала) в 1990-97 гг.

Кроме того, результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедрах ТиОЭ и РЭУиС Дагестанского государственного технического университета для студентов специальностей: 2303-"Проектирование и сервис бытовых машин и приборов", 2302-"Сервис бытовой РЭА" и 2008-"Радиотехника".

Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Межреспубликанской НТК по методам и средствам управления технологическими процессами, Саранск, 1989 г.

2. VI научно-техническом семинаре "Математическое обеспечение систем с машинной графикой", Махачкала, 1989 г.

3. Всесоюзной НТК по автоматизированным системам обеспечения надеж�