CFD-Simulation

Thermische Optimierung während des Leiterplattendesigns

| Autor / Redakteur: John Wilson * / Kristin Rinortner

Bild 1: Die Positionen von U7 und U8 mit Strömungsfeld
Bild 1: Die Positionen von U7 und U8 mit Strömungsfeld (Bilder: Mentor Graphics)

In diesem Artikel beschreiben wir Konstruktion und Analyse einer aktuellen compactPCI-Baugruppe mit zwei Kühlkörpern in der 3-D-Strömungssimulations-Software FloTHERM.

Mit FloTHERM bietet Mentor Graphics eine leistungsfähige 3-D-Strömungssimulationssoftware (Computational Fluid Dynamics – CFD) zur thermischen Simulation von ICs, Leiterplatten und Gesamtsystemen.

In Branchen wie Luftfahrt, Kernkraft und der Automobilindustrie, in denen CFD traditionell zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Produkte verwendet wird, sind die Entwicklungszeiten relativ lang. Zudem haben Sicherheit und Zuverlässigkeit Priorität vor Kosten und Leistungsfähigkeit. Diese Aspekte beeinflussen auch die thermische Auslegung.

Der Schwerpunkt der Entwicklung richtet sich eher darauf, die Bauteiltemperaturen durch eine Sicherheitsspanne deutlich unter den Nennwert zu senken und die Lebensdauer zu erhöhen. Dabei wird ein hoher Aufwand für den redundanten Aufbau der Kühlsysteme betrieben, so dass z.B. bei Ausfall eines Lüfters das System innerhalb der Spezifikationen weiter betrieben und der Lüfter während des Betriebs ersetzt werden kann.

In der Serienfertigung von Endverbraucherelektronik hingegen sind Kosten und Leistungsfähigkeit die treibenden Kräfte. Das Tempo der Veränderungen ist so hoch, dass die Entwicklungszeiten von der Konzeption bis zur Produktion auf wenige Monate zusammenschrumpfen. Die Senkung der Produktstückkosten ist ein wichtiger Teil der Entwicklungstätigkeit. Unter Berücksichtigung aller Designkriterien wie Gehäusedimensionierung, Leiterplattenlayout, Leiterplattenaufbau und Gehäusedesign inklusive beispielsweise Lüftergröße, Lüfterposition und Positionierung der Lüftungsöffnungen, muss die kostengünstigste Kühllösung gewählt werden.

Diese besonderen Anforderungen für die schnelle Analyse und Untersuchung des zur Verfügung stehenden De-signrahmens haben von den späten 1980-ern bis in die Gegenwart zur Entwicklung von spezialisierter CFD-Software für die Elektronikkühlung geführt. Diese können sowohl erste Ergebnisse schneller liefern als auch bei nachfolgenden Auslegungsiterationen viel kürzere Bearbeitungszeiten erzielen.

Modifikationen am thermischen Modell, inklusive geometrischer Veränderungen, Vernetzung, Berechnung und der Ergebnisauswertung können mit aktuellen CFD-Technologien automatisiert durchgeführt werden. Somit steht wertvolle Entwicklungszeit für andere Aufgaben zur Verfügung.

Durch den Einsatz von CFD-Software kann die Funktion des Produkts – im Hinblick auf die thermischen Belange – sehr früh im Entwicklungsprozess bestimmt und optimiert werden. FloTHERM enthält das Command Center zur Durchführung von DoEs (Design of Experiments). Der Anwender definiert lediglich die Variablen und die dazugehörigen Intervalle, in denen das Command Center die Werte verändern darf. Die Software ermittelt daraus die beste mathematische Verteilung der Eingangsvariablen und reduziert damit erheblich die Anzahl der erforderlichen Simulationen.

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Die RSO (Response Surface Optimization) verwendet die Resultate aus der DoE für die mathematische Abschätzung der besten Eingangswerte zur Optimierung einer Zielfunktion, wie z.B. der Sperrschichttemperatur einer Komponente. Neben optimalen Eingangsvariablen liefert die RSO auch Informationen über die Sensitivität des Designziels hinsichtlich der Eingangsvariablen und erlaubt es dem Anwender, sich ausschließlich auf die Parameter zu konzentrieren, die das thermische Design beeinflussen.

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