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Wie Sie Six-Sigma-Prinzipien bei der Elektronikkühlung anwenden

Autor / Redakteur: Wendy Luiten * / Kristin Rinortner

Das thermisch optimierte Design von Elektronik-Baugruppen ist nicht trivial. Der Beitrag beschreibt am Beispiel eines Elektronikgehäuses im Automobil die Vorgehensweise bei der thermischen Optimierung mit Versuchsplanung (DoE) und Six-Sigma-Prinzipien.

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Typischer Ablauf der Entwicklung eines elektronischen Gerätes. Thermische Probleme haben ihre Ursache meist in einer der ersten Entwicklungsstufen.
Typischer Ablauf der Entwicklung eines elektronischen Gerätes. Thermische Probleme haben ihre Ursache meist in einer der ersten Entwicklungsstufen.
(Bild: Mentor)

Warum lassen sich thermische Probleme so schwer beheben? Vereinfacht ausgedrückt: Wärmeflüsse sind kaum zu erfassen. Ein typisches Produkt hat mehrere, oft miteinander verbundene Wärmeflusspfade mit mehreren Abschnitten. Jeder Abschnitt steht für einen Wärmewiderstand.

Eine hohe Quellentemperatur entsteht durch hohe Wärmeabgabe, hohen Wärmewiderstand oder eine Kombination aus beidem. Die Wärmeabgabe beeinflusst die Leistung und lässt sich in der Regel nicht verringern, ohne die Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Geringe Wärmewiderstände und kurze Pfade sind demnach für die Regelung der Temperatur zu bevorzugen.

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Im Idealfall bildet eine „Kette“ aus wenigen niedrigen Wärmewiderständen alle Wärmepfade jeder Wärmequelle zur Umgebung. Doch dies ist nicht leicht umzusetzen. Ein Teil des Wärmewiderstands wird durch die Luftzirkulation bzw. Wärmestrahlung bestimmt. Luft ist zwar das primäre Kühlmedium, doch ist sie bei keinem Produkt Bestandteil der Materialliste bzw. des normalen Change-Request-Prozesses. Die damit zusammenhängenden Veränderungen, die sich negativ auf den Luftstrom auswirken, sind nicht sichtbar und tauchen vermutlich in der nächsten Design-Iteration oder sogar in der nächsten Produktentwicklung wieder auf.

Six-Sigma-Prinzipien beim thermischen Design

Design for Six Sigma (DfSS) ist eine Entwurfsphilosophie, die den Erfolg von Innovationsprozessen steigern soll. Die Methode lässt sich gut auf das Wärmemanagement anwenden. Das thermische Design beginnt mit der Identifikation der Produktanforderungen (Six Sigma Definitionsphase) und reicht bis zur Untersuchung, inwieweit sich diese auf die thermischen Anforderungen, Einsatzbedingungen, Umfang und Lage der Wärmequellen sowie Umgebung und Lage der temperaturkritischen Bauteile übertragen lassen (Six Sigma Identifikationsphase).

Ein effizientes thermisches Design beinhaltet eine zuverlässige Lösung zur Entwärmung und ist dabei eng mit dem mechanischen und elektrischen Design verzahnt (Six Sigma Designphase). Die wichtigsten Ansätze hier sind die Identifikation von Eingangsparametern, die Untersuchung des Lösungsraums und das Treffen einer bewussten Designentscheidung.

Im vollständigen DfSS-Prozess folgt die Six Sigma Optimierungs- und Verifikationsphase. Hier liegt der Schwerpunkt auf einem robusten Design und der Vorbereitung für die Massenproduktion, worauf dieser Beitrag jedoch nicht näher eingeht.

Thermisches Konzept in frühen Designphasen

In den sehr frühen Designphasen lässt sich der Entwurf des thermischen Konzepts anhand von manuellen Berechnungen und Abschätzungen analytisch durchführen. Der Vorteil dieser Herangehensweise ist, dass dabei auch die wichtigsten Eingangsparameter identifiziert werden, die das thermische Verhalten des Gesamtproduktes beeinflussen; dies setzt jedoch Erfahrung und ein gutes Urteilsvermögen voraus.

In komplexeren Fällen wird zunehmend auf Simulationen zurückgegriffen, sowohl beim Design als auch bei der Implementierung. Bei luftgekühlten Geräten wird immer häufiger die numerische Strömungssimulation eingesetzt, besser bekannt unter dem englischen Begriff Computational Fluid Dynamics (CFD). Denn sowohl der Wärmeübergangskoeffizient als auch die Kühlluft-Temperatur werden in Abhängigkeit des Luftstroms berechnet. Es wird nicht angenommen, diese seien ein generischer Wärmeübergangskoeffizient-Wert bei der Übertragung von Wärme bei konstanter Lufttemperatur an eine unbegrenzte „Sammelstelle“. Dies ist besonders wichtig bei lüfterlosen Geräten, wo der Luftstrom durch Auftrieb erzeugt wird, d.h. Luft wird erwärmt und steigt nach oben.

Strömungssimulation (CFD)

Die eigentliche Stärke der Strömungssimulation liegt oft nicht darin, dass sie den mechanischen und elektrischen CAD-Entwurf in einer finalen Prüfung kurz vor Beginn der Produktion akribisch durchrechnet. Der wahre Nutzen ist vielmehr, dass sie früh in der Entwicklung eine Reihe numerischer Experimente ermöglicht.

Wenn von Anfang an die richtige Architektur ausgewählt wird, ergibt sich schon sehr früh mehr Raum für den Entwurf des „besten“ Produkts. Mithilfe von Simulation lässt sich der Lösungsraum virtuell untersuchen und die am besten geeignete Lösung auswählen – ohne den hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand, der bei dem Versuch anfallen würde, dies mithilfe von Prototypen-Tests zu erreichen.

Meine Erfahrung hat gezeigt, dass meist 10 bis 40 Simulationen durchgeführt werden, bis man die optimale Architektur für ein Design gefunden hat. Nach Auswahl des Aufbaus, der auf die speziellen Produktanforderungen und Einsatzbedingungen zugeschnitten ist, wird das detaillierte Design fortgeführt, oft mithilfe weiterer Simulationen der CAD-Daten.

Bild 2: Beispiel für den Prozess des thermischen Designs für ein Elektronikgehäuse im Fahrzeug.
Bild 2: Beispiel für den Prozess des thermischen Designs für ein Elektronikgehäuse im Fahrzeug.
(Bild: Mentor)

Anwendungsbeispiel aus dem Automotive-Bereich

Nehmen wir ein Elektronikgehäuse im Auto als Beispiel dafür, wie sich auf Basis der Six Sigma Prinzipien ein besseres Produkt entwerfen lässt. In Bild 2 ist der thermische Designprozess dargestellt. Das Konzept wird von Teammitgliedern vorgeschlagen, die sich nicht mit Wärmemanagement befassen. Am Anfang steht ein geschlossenes Kunststoffgehäuse, in dem sich eine Leiterplatte befindet. Die thermischen Anforderungen besagen, dass sich das Gehäuse in einer nicht belüfteten Umgebung mit einer Temperatur von 85 ºC befindet; die maximal zulässige Komponententemperatur liegt bei 125 ºC.

In der Architekturphase beginnen die CFD-Simulationen ausgehend von diesem konzeptionellen Entwurf mit einer offensiven Abschätzung der Leistung. So geht man sicher, dass das Design für die erwartete Worst-Case-Leistungsaufnahme robust genug ist.

Bild 3: Leiterplattengeometrie für das Fahrzeug-Elektronikgehäuse und errechnetes Temperaturfeld (rechts) des ersten Konzepts. Die Halbleiterchips im Gehäuse haben die Bezeichnung IC1-IC10.
Bild 3: Leiterplattengeometrie für das Fahrzeug-Elektronikgehäuse und errechnetes Temperaturfeld (rechts) des ersten Konzepts. Die Halbleiterchips im Gehäuse haben die Bezeichnung IC1-IC10.
(Bild: Mentor)

Bild 3 zeigt die Geometrie (links). Diese konzeptionelle Simulation wird nur mit einem groben mechanischen/elektrischen Modell und ohne mechanische oder elektronische CAD-Dateien oder Daten ausgeführt. Sie findet während des Aufbaus noch im Vorfeld des detaillierten mechanischen und Layout-CAD-Entwurfs statt, die erst nach der Architekturauswahl erfolgen.

Nach den Ergebnissen aus der Simulation, dargestellt im errechneten Temperaturfeld in Bild 3, ist der vorgeschlagene Entwurf thermisch nicht umsetzbar. Bei mehreren Chips wird der Temperatur-Grenzwert von 125 °C überschritten; bei der wärmsten Komponente sogar um 50 ºC.

Bei diesem Produkt sind die wichtigsten Parameter für die Wärmewiderstände die Abmessungen und Materialeigenschaften des Gehäuses, das Layout und die Wärmeabgabe der Leiterplatte sowie deren Anbringung im Gehäuse. Weiteren Einfluss haben: die Art des Gehäuses (geschlossen) und die Gehäusegröße, das Leiterplatten-Layout sowie die Wärmeabgabe. Diese Kriterien stehen fest und lassen sich nicht verändern. Alle variablen Parameter werden während des thermischen Entwurfs untersucht.

Für potentielle Kühlungslösungen wurden folgende Parameter gewählt:

  • Gehäusematerial, thermische Leitfähigkeit von Kunststoff (k = 0,2 W/mK); gegossenes Aluminium (k = 130 W/mK).
  • Verwendung von Wärmemanagement-Produkten, z.B. zusätzlicher Kühlkörper und/oder Gap-Pads (festes, thermisch leitfähiges Material zur Füllung der Luftspalte zwischen Leiterplatte und Gehäuse).
  • Thermische Leitfähigkeit in der Leiterplatte selbst (bezogen auf Layout und Bauweise, z.B. Anzahl der Schichten, vergrabene Versorgungslagen und Masseflächen).

Zur Six Sigma Optimierungsphase gehört es auch, potentielle Einflussfaktoren, die Abweichungen zur Folge haben könnten, zu eliminieren oder zu verringern. Da die Ausrichtung des Gehäuses nicht in den Anforderungen vorgeschrieben ist, muss das Gehäuse sowohl horizontal als auch vertikal ausgerichtet simuliert werden, denn dessen endgültige Montage wird vom Unternehmen festgelegt, das für das Endprodukt zuständig ist.

Versuchsplanung (DoE)

Bild 4: Szenarien für die virtuellen Versuche – Prüfung auf Abweichungen vom Design.
Bild 4: Szenarien für die virtuellen Versuche – Prüfung auf Abweichungen vom Design.
(Bild: Mentor)

Mithilfe der CFD-Software Siemens Simcenter Flotherm habe ich eine Szenario-Tabelle mit allen berechneten Fällen und den jeweiligen Ergebnissen (Bild 4) erstellt und eine so genannte R2-Matrix (Bild 5) erzeugt. In der Szenario-Tabelle in Bild 4 steht jede Spalte für einen virtuellen Versuch; insgesamt gibt es 10 virtuelle Versuche. Der obere Bereich der Tabelle (blau) zeigt die wichtigsten ausgewählten Entwurfsparameter; der untere Bereich (orange) die entsprechend errechneten Temperaturen für die wichtigsten Halbleiterchips auf der Leiterplatte.

Szenario 0 ist das ursprüngliche Konzept. Hier liegt IC7 um 50 °C über der Spezifikation; auch IC3 und IC6 liegen darüber. Die Szenarien 0 bis 7 zeigen acht unterschiedliche Konfigurationen für das Gehäuse. Dabei variieren je fünf Eingänge in zwei Richtungen, d.h. eine Hälfte der Versuchsläufe liegt im hohen und die andere im niedrigen Wertebereich, im Setup der Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE).

Bild 5: Diese Simulation veranschaulicht die entsprechende R2-Matrix (Bestimmtheitsmaß) der Eingänge gegenüber den kritischen Temperaturen von IC3 bis IC7. R2 ist der Betrag der Änderung des Ausgangs, der durch die Änderung des Eingangs erklärt wird. Blau (R2 = 0) bedeutet, dass der Eingang wenig oder keinen Einfluss hat. Rot (R2 = 1) bedeutet, dass der Eingang einen großen Einfluss hat. Die Matrix zeigt nur den Einfluss für einzelne Eingangsänderungen, Interaktionseffekte sind nicht enthalten.
Bild 5: Diese Simulation veranschaulicht die entsprechende R2-Matrix (Bestimmtheitsmaß) der Eingänge gegenüber den kritischen Temperaturen von IC3 bis IC7. R2 ist der Betrag der Änderung des Ausgangs, der durch die Änderung des Eingangs erklärt wird. Blau (R2 = 0) bedeutet, dass der Eingang wenig oder keinen Einfluss hat. Rot (R2 = 1) bedeutet, dass der Eingang einen großen Einfluss hat. Die Matrix zeigt nur den Einfluss für einzelne Eingangsänderungen, Interaktionseffekte sind nicht enthalten.
(Bild: Mentor)

Bei der Versuchplanung (DoE) werden gleichzeitig mehrere Eingänge variiert. Dies ist bei thermischen Designs erforderlich, da sich die Eingänge gegenseitig beeinflussen. Inwieweit sich die Änderung eines mechanischen Eingangs auswirkt, hängt also oft von anderen mechanischen Änderungen ab. Wird beispielsweise ein Gap-Pad eingesetzt, sind die Auswirkungen vom Gehäusematerial abhängig: Bei einem Metallgehäuse funktioniert ein Gap-Pad, bei einem Kunststoffgehäuse jedoch nicht. Daher müssen für diese Lösung der Input sowohl für das Gap-Pad als auch gleichzeitig der Input für das Gehäusematerial verändert werden.

Die Abbildung aus einer Simulation in Bild 6 zeigt die entsprechende R2-Matrix (Determinationskoeffizient) der Eingänge im Vergleich zu den kritischen Temperaturen von IC3 bis IC7. R2 steht für das Ausmaß der Änderung des Ausgangs, die auf die Änderung des Eingangs zurückzuführen ist. Blau (R2 = 0) bedeutet, dass der Eingang geringe oder keine Auswirkungen hat; Rot (R2 = 1) bedeutet, dass der Eingang große Auswirkungen hat. Die Matrix zeigt nur die Auswirkungen für Änderungen einzelner Eingänge und keine Interaktionseffekte.

Mithilfe der R2 -Matrix in Bild 5 lässt sich erkennen, welche Änderungen einzelner Eingänge die größten Auswirkungen haben und welche Ausgänge am meisten betroffen sind. Die Matrix zeigt, dass alle Zellen hinsichtlich der Ausrichtung blau sind (Eingang „Modell-Setup: Richtung“); hier gibt es also kaum Auswirkungen.

Feste und variable Einflüsse auf das Design bei thermischen Management

Die Leitfähigkeit der Platine (Eingang „Board: Leitfähigkeit“) hat große Auswirkungen, dargestellt durch mehrere rote Zellen. Die Board-Leitfähigkeit, das Gehäusematerial, Gap-Pad und Kühlkörper beeinflussen die Temperatur von IC7, wirken sich jedoch unterschiedlich auf IC3 bis IC6 aus. IC3 bis IC6 werden nicht durch den Kühlkörper, aber durch die Board-Leitfähigkeit, das Gehäusematerial und das Gap-Pad beeinflusst.

Da in der ursprünglichen Konfiguration bei IC3-IC7 Probleme auftraten, ist der erfolgversprechendste Ansatz ein Druckgussgehäuse mit Gap-Pad und ein Board mit guter Leitfähigkeit. Szenario 5 bestätigt dies.

Eine gut leitfähige Platine als Teil der Lösung lässt sich möglicherweise im Layout nicht umsetzen. In einem nächsten Schritt kann jedoch nach Alternativen gesucht werden. In Szenario 8 wird bestätigt, dass ein Druckgussgehäuse und Gap-Pad allein nicht ausreicht; auch das Layout ist dahingehend zu ändern, dass die Board-Leitfähigkeit steigt.

Die Szenarien 9 und 10 zeigen, dass ein großes Gap-Pad auf dem warmen Bereich in Kombination mit dem Druckgussgehäuse bei horizontaler wie auch vertikaler Ausrichtung einen gangbaren Ansatz darstellt.

Bild 6: Oberflächentemperatur, Lufttemperatur und Strömungsfeld der endgültigen Architektur.
Bild 6: Oberflächentemperatur, Lufttemperatur und Strömungsfeld der endgültigen Architektur.
(Bild: Mentor)

In Bild 6 sind die errechnete Temperatur und Strömungsfelder für Szenario 10, die finale Lösung, bei horizontaler Ausrichtung dargestellt. Das Board-Layout wurde nicht geändert. Mithilfe eines ausreichend großen Gap-Pads zum Füllen der Luftspalte zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse sowie eines Druckguss-Alugehäuses entsteht ein thermisches Design, bei dem alle Temperaturen innerhalb der spezifizierten Grenzen bleiben, unabhängig von der Ausrichtung des Endprodukts.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 2/2020 (Download PDF)

* Wendy Luiten ist Dozentin und Inhaberin von Wendy Luiten Consulting in Riethoven / Niederlande.

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