Wärmemanagement Komplexe Elektronikaufgaben ohne Einschränkungen simulieren

Autor / Redakteur: Tom Gregory und Tobias Best * / Kristin Rinortner

Thermische Simulationen helfen dem Ingenieur bei der Optimierung von Elektroniksystemen. V9 der Simulationssoftware 6SigmaET bietet neben einem neuen Solver eine vollautomatische Vernetzung.

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Thermische Simulation: Ein besseres Verständnis des Wärmeflusses durch ein System versetzt Ingenieure in die Lage, Hotspots zu minimieren und energieeffizientere Bauteile zu entwerfen.
Thermische Simulation: Ein besseres Verständnis des Wärmeflusses durch ein System versetzt Ingenieure in die Lage, Hotspots zu minimieren und energieeffizientere Bauteile zu entwerfen.
(Bild: FutureFacilities)

Obwohl die Energieeffizienz in heutigen Elektroniksystemen beständig steigt, wächst mit der steigenden Packungsdichte die Herausforderung, die Wärme sinnvoll abzuleiten. Simulationen bieten einen professionellen Weg, um das Entstehen von Wärme und die Wärmewege akkurat vorherzusagen. Herkömmliche Simulationswerkzeuge boten dem Ingenieur nicht immer genügend Möglichkeiten, die Komplexität seiner Aufgabe realitätsgetreu wiederzugeben. Der bisher einzige Weg über eine teilweise starke Vereinfachung der Aufgabe führte meist zu relativ großen Toleranzen in den Temperatur-, Druck- oder Geschwindigkeitsvorhersagen.

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Mit der Markteinführung der Software 6SigmaET (FutureFacilities) hat der Elektronikentwickler eine neue Technologie zur Hand, komplexe CAD- Daten sowie detailreiche Leiterplattendaten in seinem virtuellen Simulationsmodell einzubauen und auf einem heute üblichen PC für Konstruktionsaufgaben in einer sinnvollen Zeit zu berechnen. Mit dem Release 9 sind weitere Schritte unternommen worden, durch einen neuen Solver die Berechnungsgeschwindigkeit zu beschleunigen. Kombiniert mit einer grundlegenden Überarbeitung der Benutzeroberfläche (nun im Windows Office Style) und zusätzlichen Funktionen und Importfiltern ist 6SigmaET nach Herstellermeinung allen bestehenden Branchenlösungen technisch weit überlegen.

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6SigmaET auf den Punkt gebracht

6sigmaET ist eine branchenspezifische CFD-Software für den praxisorientierten Einsatz in der Elektronikentwicklung. Durch die kombinierte Betrachtung von Wärmeleitung, Konvektion und Energieaustausch durch Wärmestrahlung wird der jeweilige Ist-Zustand realistisch ermittelt und graphisch dargestellt.

Die Software basiert auf robusten und stabilen Algorithmen, die mit wenig Speicher und Rechenzeitbedarf auskommen. Mithilfe der mitgelieferten objektorientierten Modellierungen kann der Benutzer sofort mit Konzeptstudien beginnen. Die implementierten Konstruktionsmöglichkeiten reichen aus, um Gehäuse, Boards, Bauteile, Lüfter, Lochbleche und Kühlkörper mit ihren physikalischen Eigenschaften zu erzeugen. Zusätzlich lassen sich CAD-Komponenten 1:1 in das Rechenmodell importieren.

Bei vielen Elektroniksystemen gibt die Thermik den Weg vor. Beim Mobiltelefon zum Beispiel konzentriert sich der Entwickler auf die Aufgabenstellung, die starken thermischen Zyklen z.B. eines Prozessors, welcher in kürzester Zeitspanne aufgrund von Kalkulationsabläufen einen Temperaturzuwachs bis zu 30°C erhält und im nächsten Moment schon wieder in den Ruhemodus fällt, zu kompensieren. Das System muss mit diesen Temperaturzyklen problemlos umgehen können, um die Komponenten vor thermischer Überbelastung zu schützen und das Temperaturmanagement gleichzeitig so zu gestalten, dass dem Benutzer das Telefon in der Hand nicht unangenehm warm wird.

Bei größeren Anlagen erlangen die Kosten, die generiert werden, um ein Hochleistungssystem zu kühlen, mitunter eine Schlüsselposition. Die in einem Rechenzentrum verbauten Lüfter, seien es die Systemlüfter oder die Kühlluftaggregate, erzeugen einen signifikanten Teil der Betriebskosten. Diese, sowie das daraus resultierende Image der Energiebilanz eines Rechenzentrums (Green Datacenter) stehen im Fokus jedes RZ-Betreibers. Ein besseres Verständnis über die Wärmewege in einem Elektroniksystem kann zu effizienteren Einzellösungen und somit zu einem kostengünstigen Wärmemanagement im Gesamten führen.

Im Automobilbereich kann dieser Fokus noch eine weitaus größere Herausforderung bedeuten. Hybrid- sowie Elektro-Fahrzeuge benötigen Leistungselektronik, welche hohe Wärmeverluste produziert. Ein schlechtes Wärmemanagement führt nicht nur zu schlechten Energiebilanzen, sondern kann durch mangelhafte Zuverlässigkeit zu unangenehmen Rückrufaktionen führen, welche das Image eines Fahrzeugherstellers nachhaltig beschädigen.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Elektromechanik I erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar. Oder: Bestellen sie das Probeabo mit drei kostenlosen Ausgaben!

Ein besseres Verständnis über die Wärmecharakteristik eines Systems kann auch zu gezielten Leistungssteigerungen führen. Im Speziellen kann eine erhöhte Umgebungstemperatur bei Komponenten wie zum Beispiel Dioden die elektrischen Verluste verringern, während bei anderen Komponenten die Leistungsfähigkeit mit steigender Temperatur sinkt. Eine schnelle und akkurate Modellierung in einem Tool wie 6SigmaET ermöglicht eine detaillierte und systemumfassende Beurteilung der thermischen Möglichkeiten.

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