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EDA-Tools
Bild 3: Die CAD-Daten können mit allen Details für die thermische Simulation
weiterverarbeitet werden.
Bild 4: Bei detallierten Kühllösungen via PCB werden die wichtigsten
Kupferansammlungen vom Layout in das Simulationsmodell überführt.
Bilder: Alpha-Numerics
Bild 5: Als
Simulationsergebnis
erhält man in jeder
Lösungszelle die
berechnete
Temperatur
(Feststoff oder
Fluid) sowie die
gerichtete
Strömungsgeschwindigkeit
und
den Druck (Fluid).
Bild 6: Eine sehr eindrucksvolle Ergebnisdarstellung
ist die animierte Visualisierung
der Luftströmung in Form von Partikelfäden.
Aufsplittung, welcher Transportweg wie viel Energie weiterleitet.
Bezogen auf das Simulationsmodell bedeutet dies, dass die
Hauptverlustleistungsträger relativ genau modelliert werden sollten.
Hierzu reichen aber meist die Angaben über Kontaktfläche,
geometrische Ausmaße und bei Halbleitern das 2-Widerstandsmodell
Junction Board und Junction Case im Datenblatt aus. Ansonsten
existieren verschiedenste Komponentenersatzmodelle für
zum Beispiel LEDs, FETs oder IGBTs, welche in der Softwareausbildung
näher erläutert werden.
Korrekte Abschätzung der Verlustleistung
Viel wichtiger ist eine korrekte Abschätzung der anfallenden Verlustleistung.
Ausgehend von der maximalen Verlustleistung laut
Datenblatt sollte für Steady-State-Betrachtungen die durchschnittliche
Belastung der Komponente im Worst-Case-Szenario beaufschlagt
werden. Bei Konzeptstudien reicht auch eine Beschreibung
der Verlustleistung in speziellen PCB-Regionen aus.
Die Leiterplatine als Komponententräger wird als orthotroper
Wärmeleiter definiert. Hierzu kann in solch einer branchenspezifischen
Simulationssoftware die Anzahl der Signallagen und deren
Dicke sowie die jeweilige Kupferbenetzung angegeben werden.
Dies reicht in vielen Fällen aus, um ein sehr gutes Simulationsergebnis
über die Wärmeableitung und -spreizung auf dem Board zu
erhalten. Bei detallierten Kühllösungen via PCB werden die wichtigsten
Kupferansammlungen vom Layout in das Simulationsmodell
überführt. Hierzu zählen meist Vias, Kupferspreizflächen sowie
thermische Klemmanbindungen des Boards (Groundlayer) an
Verklemmungen oder an Verschraubungen zum Gehäuse hin.
Durch die Schichtung mit dem FR4 entsteht eine unterschiedliche
Wärmeleitung in die drei Raumrichtungen = orthotrope Wärmeleitung
(Bild. 3).
Das Lösungsgitter und der Solver
Nach dem Aufbau des Simulationsmodells und der Definition der
Testumgebung vernetzt die Software automatisch die virtuelle
Messkammer. Hierbei achten die Automatismen auf schmale Spalte,
komplexe Geometrieformen sowie typische Übergangsflächen
im Wärmeweg und dem späteren Lösungsalgorythmus des Solvers
um eine einfache Konvergenz (Eingangsenergie = Ausgangsenergie)
zu ermöglichen (Bild 4). In 6SigmaET dauert die Vernetzung
einer typischen Aufgabenstellung (zirka 10 bis 25 Millionen Zellen)
maximal zehn Minuten. Der Lösungsvorgang selber benötigt
bei 24 Millionen Zellen etwa 8 GByte Arbeitsspeicher und einer
Rechenzeit bis fünf Stunden mit einem 64-Bit-Multicore-Betriebssystem.
Abhängig sind diese Zeiten nicht nur von der Gitteranzahl,
sondern oft auch von der Komplexität der jeweiligen physikalischen
Aufgabe. Ein gut durchlüftetes 19-Zoll-System konvergiert
beispielsweise schneller als ein geschlossenes Gehäuse mit komplexer
Innenkontur.
Das Simulationsergebnis
Das Simulationsergebnis ist die in jeder Lösungszelle berechnete
Temperatur (Feststoff oder Fluid) sowie die gerichtete Strömungsgeschwindigkeit
und der Druck (Fluid). Randergebnisse wie Arbeitspunkte
von Lüftern, transiente Aufheizkurven oder Wärmewege
aufgespalten in Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung
von Komponenten stehen in Tabellenform für den Export nach
Excel zur Verfügung.
Die grafische Darstellung kann durch Oberflächentemperaturen
(Board- oder Mechanik-Komponenten) sowie Ergebnisschritte zur
Visualsierung der Temperatur- Geschwindigkeits- oder Druckverteilung
komplettiert werden.
Eine sehr eindrucksvolle Ergebnisdarstellung ist die animierte
Visualisierung der Luftströmung in Form von Partikelfäden, welche
ausgehend zum Beispiel von einem Lüfter die komplexen dreidimensionalen
Wege der Luft auch für den Laien äußerst verständlich
machen (Bild 5). Gleiches gilt ebenso bei simulierter Flüssigkeitskühlung.
(ah)
n
Der Autor: Tobias Best ist Geschäftsführer von Alpha-Numerics.
56 elektronik industrie 05/2013
www.elektronik-industrie.de