Eine große Herausforderung in der Elektronikindustrie liegt darin sicherzustellen, dass Komponenten bei Temperaturen unterhalb der vorgegebenen Grenzwerte arbeiten. Auch werden immer kleinere und gleichzeitig leistungsfähigere Komponenten gefordert. Mit zunehmender Komponentenleistung und abnehmender Packungsgröße wird die Konstruktion einer angemessenen Kühlung zunehmend wichtig und anspruchsvoll. Indem Autodesk Simulation CFD bereits in einem frühen Stadium des Konstruktionsprozesses eingesetzt wird und ein tiefes Verständnis der Strömungsverhältnisse in die Konstruktion einfließt, können viele dieser Herausforderungen effektiv gehandhabt werden.
In diesem Thema werden die optimalen Verfahren für Wärmeübertragungssimulationen von Elektronikapplikationen auf Systemebene beschrieben. Zunächst werden Strategien und Ziele benannt, die abhängig von den Konstruktionskriterien auf beliebige Anwendungen auf Systemebene angewendet werden können. Es wird ein auf Anwendungsfällen basierendes Klassifizierungssystem vorgestellt, um die Zuordnung einer gegebenen Anwendung zu einer Kategorie zu erleichtern. Anschließend werden optimale Analyseverfahren für jede Kategorie präsentiert.
Diese Techniken wurden von Autodesk Simulation CFD-Anwendungsingenieuren entwickelt und auf eine große Vielfalt von Elektronikapplikationen angewendet. Auch wenn sie für die meisten Anwendungen geeignet sind, gibt es Situationen, die einige Anpassungen erfordern.
Diese Techniken sind eher konservativ, und in einigen Fällen lässt sich die Konvergenz möglicherweise durch geringfügige Änderungen beschleunigen. Da Erkenntnisse immer mit einer bestimmten Anwendung gewonnen werden, können Sie diese Techniken sicherlich optimieren, um mit effizientesten Verfahren bessere Ergebnisse zu erzielen.
Es gibt drei grundlegende Geometrieklassifizierungen von Elektronik-Analysen: Komponente, Boardund System. Jede verfügt über andere Ziele und Analysestrategien:
Komponente
Autodesk Simulation CFD eignet sich besonders für die Simulation von Analysen auf Komponentenebene innerhalb eines kleineren Systems.
Das Ziel der meisten Maschinenbauingenieure und Konstrukteure (typische Benutzer von Autodesk Simulation CFD) ist das Verständnis des thermischen Verhaltens von Standardkomponenten. Die übliche Strategie besteht darin, die Komponente in ein kleines Luftvolumen einzuschließen und das Ganze als kleines System zu simulieren. Für derart beschränkte Systemanalysen können die unten beschriebenen Techniken angewendet werden.
Die technischen Spezifikationen vieler elektronischer Komponenten schreiben die für eine ausreichende Kühlung einzuhaltende Luftgeschwindigkeit oberhalb der Komponente vor. Eine leistungsstarke Anwendung einer Analyse auf Komponentenebene besteht darin, die resultierende Geschwindigkeit oberhalb derartiger Komponenten innerhalb einer vereinfachten Version des Systems zu ermitteln. Generell lässt sich der Prozess wie folgt darstellen:
Board
Bei Analysen auf Board-Ebene besteht das Ziel darin, den Temperaturanstieg innerhalb einer Leiterplatte aufgrund von Joule-Erwärmung (oder einem Potentialunterschied) einzuschätzen. Dies beinhaltet die Modellierung der Leiterbahnen, was recht schwierig ist, da ein CAD-Modell des Leiterbahnen-Layouts gewöhnlich nicht zur Verfügung steht. Die übliche Vorgehensweise besteht darin, die Daten von einem ECAD-Modell in ein CAD-Modell und von diesem in Autodesk Simulation CFD zu übernehmen. Diese Art der Analyse ist in der Regel sehr interessant für Elektroingenieure.
In anderen Fällen ist das Ziel die Bestimmung des thermischen Verhaltens einer einzelnen Leiterplatte mit Komponenten. Die Leiterplatte wird in einem Luftvolumen von der Breite des Steckplatzes modelliert. Dies ist die Analyse eines kleinen Systems, doch die Detailgenauigkeit in Bezug auf die Leiterplatte und die Komponenten ist in der Regel höher als bei unten beschriebenen Analysen größerer Systeme. Die nachfolgend beschriebenen Techniken lassen sich auf derartige Analysen kleiner Systeme anwenden. Die Ergebnisse einer solchen Analyse können als Komponenten-Untermodell in eine Analyse eines größeren Systems eingefügt werden.
System
Anwendungen auf Systemebene umfassen mehrere Komponenten, die innerhalb eines Gehäuses zusammengefügt wurden. Sie treten in vielen verschiedenen Konfigurationen auf und können eine Handvoll, aber auch Hunderte von Komponenten umfassen. Je nach Anwendung können Systeme vollständig abgedichtet sein oder große Arrays von Luftöffnungen aufweisen. Die innere Luftzirkulation erfolgt bei den meisten Systemen durch natürliche Konvektion oder wird durch ein Gerät, z. B. einen elektrischen Lüfter, erzwungen. Das Hauptziel ist, unabhängig von der geometrischen Konfiguration oder Anwendung sicherzustellen, dass sich die Komponenten nicht über die zulässige Temperatur hinaus erhitzen. Mehrere andere Ziele und Konstruktionsstrategien werden in verschiedenen Branchen verfolgt, um dies zu erreichen.
Bevor Sie mit einer Elektronik-Analyse beginnen, sollten Sie die in diesem Abschnitt behandelten Punkte überprüfen, um den richtigen Ansatz zu ermitteln. Das Ziel des Projekts ist ein wichtiger Aspekt und sollte hinreichend bekannt sein, bevor Sie beginnen, da geometrische Annahmen und Modellierungsannahmen größtenteils von dem gewünschten Ergebnis abhängen. Ein weiterer Aspekt ist, wann im Konstruktionsprozess die Analyse durchgeführt werden soll. Wenn sie frühzeitig erfolgt, sollte Konstruktionsgeometrie verwendet werden. Konstruktionsgeometrie ist der Produktionsgeometrie vorzuziehen aufgrund der geringeren Modellkomplexität und größeren Flexibilität bei Änderungen auf der Grundlage von Analyseergebnissen.
Es gibt verschiedene Modellierungsstrategien, die sich für eine Vielzahl von Elekronikanwendungen eignen. Alle diese Techniken können dabei helfen, die geometrische Komplexität ohne Beeinträchtigung der kritischen Strömungs- und Wärmeübertragungseigenschaften des Geräts zu verringern.
Folgende Fragen sollte bei allen Analysen auf Systemebene berücksichtigt werden:
Es gibt mehrere mögliche Ziele für Analysen auf Systemebene. Deren Verständnis ist unerlässlich und führt Sie durch die Analyse. Mögliche Ziele sind u. a.:
Eine leistungsstarke Strategie zum Analysieren komplexer Systeme mit zahlreichen Komponenten besteht darin, Untermodul-Darstellungen innerhalb des Systemmodells zu verwenden. Untermodule mit großen Mengen von geometrischen Details oder solche, von denen es mehrere Instanzen gibt, sind ideale Kandidaten für diesen Ansatz. Ein Beispiel für ein Modul ist ein Kanal zwischen zwei Leiterplatten in einem großen Rack. Der Vorteil davon ist, dass die Details im System erheblich reduziert werden, wodurch sich die Analysezeit verkürzt und die Konstruktion effizienter wird.
Diese Darstellungen werden durch die Kennzeichnung ihrer Leistungsmerkmale in separaten, kleineren Analysen abgeleitet. Das resultierende Strömungs- und Wärmeübertragungsverhalten wird auf eine geometrisch vereinfachte Darstellung des Moduls im Systemmodell angewendet. Dieser Prozess lässt sich wie folgt zusammenfassen:
Eine gute erste Annäherung besteht darin, die meisten Konstruktionsalternativen auszuschließen, indem einige der physikalischen Eigenschaften in der Analyse approximiert werden, bevor die vollständige externe Umgebung modelliert wird.
Um dies zu erreichen, modellieren Sie das Innere des Geräts und simulieren die externe Strömung mithilfe einer Wärmeübergangskoeffizient-Randbedingung für die Außenflächen des Geräts. Auf diese Weise entfällt die Berechnung der das Gerät umgebenden Strömung, und Sie gelangen im Vergleich zu einer vollständigen Analyse des äußeren Bereichs wesentlich schneller zu einem Ergebnis. Die resultierende Temperaturverteilung ist nicht ganz zutreffend, führt jedoch häufig zum Ausschluss problematischer Konstruktionselemente. Nachdem die besseren Konstruktionsalternativen bestimmt sind, kann eine strengere Analyse unter Einbeziehung der umgebenden Luft durchgeführt werden, um das tatsächliche Temperaturfeld zu ermitteln.
Der empfohlene Wert für den Wärmeübergangskoeffizienten der externen Flächen liegt im Bereich von 5 W/m2K bis 20 W/m2K. Der Wert an der unteren Grenze simuliert "ruhende Luft" ohne oder mit geringer Bewegung. Der Wert an der oberen Grenze repräsentiert eine stärkere Luftströmung, wie sie häufig bei höheren Temperaturen zu beobachten ist. Auch wenn es schwierig ist zu erkennen, welcher Wert verwendet werden sollte, ist es doch weit wichtiger, dass für alle Konstruktionsalternativen immer derselbe Wert verwendet wird, um konsistente Ergebnisse zu erzielen.
Aktive Kühlung (Lüfter)
Passive Kühlung