전자 산업계의 주요 과제는 구성요소가 규정된 한계 이하의 온도에서 작동하도록 하는 것입니다. 장치의 크기를 줄이는 동시에 장치의 파워를 증가시려고 끈질기게 노력함에 따라 이 문제는 더욱 심각해 지고 있습니다. 구성요소의 파워는 증가하고 패키지 크기는 줄어들어야 하기 때문에 충분한 냉각이 가능하도록 설계하는 것이 점점 중요하면서도 까다로운 문제가 되고 있습니다. 설계 프로세스 초기에 Autodesk® CFD를 사용하여 설계의 일부로 흐름에 대해 깊이 이해하면 이러한 문제의 대부분을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
이 항목에서는 시스템 수준의 전자장치 열 시뮬레이션에 대한 여러 가지 최상의 실습에 대해 설명합니다. 이 항목은 설계 조건에 따라 시스템 수준의 적용 분야에 적용할 수 있는 전략 및 목표로 시작합니다. 특정 적용 분야가 속하는 범주를 확인할 수 있도록 적용 분야를 기반으로 한 분류 시스템이 제공됩니다. 그런 다음 각 범주에 대한 최상의 해석 실습이 제공됩니다.
이러한 기술은 Autodesk® CFD 적용 분야 엔지니어가 개발하고 다양한 전자 적용 분야에 도입되었습니다. 이러한 기술은 대부분의 적용 분야에서 잘 작동하지만 일부 사용자화가 필요할 수 있는 상황이 있습니다.
또한 실제보다 수치를 적게 잡아 산출했기 때문에 경우에 따라 약간 수정하면 수렴 속도가 빨라질 수 있습니다. 특정 적용 분야에 대한 경험이 늘어갈수록 가능한 한 가장 효율적인 프로세스로 결과를 얻을 수 있도록 이러한 기술을 더욱 자유롭게 최적화할 수 있습니다.
전자 장치 해석에는 구성요소, 보드 및 시스템, 이렇게 세 가지 기본 형상 분류가 있습니다. 각 분류마다 목표와 해석 전략이 다릅니다.
구성요소
Autodesk® CFD는 소규모 시스템 내에서 구성요소 수준의 해석을 시뮬레이션하는 데 매우 적합합니다.
대부분의 기계 및 설계 엔지니어(일반적인 Autodesk® CFD 사용자)의 목표는 기성 구성요소로의 열 성능을 이해하는 것입니다. 일반적인 전략은 작은 공기 볼륨으로 구성요소를 둘러싸 소규모 시스템으로 실행하는 것입니다. 아래 설명된 기술은 그러한 소규모 시스템 수준의 해석에 적용할 수 있습니다.
충분한 냉각을 위해 많은 전자 구성요소가 장치의 상층부에서 유지해야 하는 공기 속도를 지정하는 사양과 함께 제공됩니다. 구성요소 수준의 해석을 가장 적절하게 적용한 경우가 바로 시스템의 단순화된 버전 내에서 이러한 구성요소에 대한 결과 속도를 결정하는 것입니다. 다음은 이러한 프로세스의 일반적인 설명입니다.
보드
많은 보드 수준의 해석에서 목표는 주울 열(또는 잠재적인 차이)로 인한 PCB 내의 온도 상승을 평가하는 것입니다. 여기에 추적 모델링이 포함됩니다. 추적 배치의 CAD 모형을 일반적으로 사용할 수 없으므로 추적 모델링은 어려운 프로세스입니다. 일반적인 프로세스는 ECAD 모형에서 CAD 모형으로, CAD 모형에서 Autodesk® CFD 해석으로 마이그레이션하는 것입니다. 이러한 종류의 해석은 일반적으로 전기 엔지니어에게 가장 이점이 큽니다.
다른 상황에서 목표는 구성요소와 함께 개별 보드 열 성능의 특징을 파악하는 것입니다. 보드는 슬롯 폭의 공기 볼륨에서 모델링됩니다. 이는 소규모 시스템 해석이지만, 보드 및 구성요소에 포함된 세부 수준은 일반적으로 아래에 설명되어 있는 대규모 시스템 해석보다 높습니다. 아래 설명된 기술은 이러한 소규모 시스템 수준의 해석에 적용할 수 있습니다. 해석 결과를 보다 큰 규모의 시스템 해석 내에 구성요소 하위 모형으로 삽입할 수 있습니다.
시스템
시스템 수준의 적용 분야에는 엔클로저나 하우징 내에 조립된 여러 구성요소가 포함되어 있습니다. 이러한 적용분야는 여러 가지 다른 구성으로 제공되며, 소수의 구성에서부터 수백 개의 구성까지 얼마든지 포함할 수 있습니다. 적용 분야에 따라 시스템이 완전히 밀봉되거나 큰 환풍구 배열을 포함할 수 있습니다. 공기는 부력의 결과로 또는 전기 팬과 같은 강제 장치의 결과로 대부분의 시스템을 통과해 이동합니다. 기하학적 구성이나 적용 분야에 관계 없이 구성요소가 해당 제한 온도를 초과하지 않도록 하는 것이 기본 목표입니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 여러 가지 다른 목표 및 설계 전략이 다양한 산업에 걸쳐 채택되었습니다.
전자 장치 해석을 시작하기 전에 섹션에서 설명한 항목을 평가하여 올바른 접근 방식을 결정해야 합니다. 기하학적 가정 및 모델링 가정은 주로 원하는 결과에 의해 구동되기 때문에 프로젝트의 목표가 중요한 고려 사항이 되므로 잘 이해한 후에 시작해야 합니다. 또 다른 고려 사항은 해석이 수행되는 설계 프로세스의 위치입니다. 초기에 수행한 경우 설계 수준의 형상을 사용해야 합니다. 해석 결과를 바탕으로 변경하기 위해서는 설계 수준의 형상이 제작 수준의 형상보다 선호됩니다. 이는 모형의 복잡성이 줄어들고 기민성이 향상되기 때문입니다.
많은 전자 장치 적용 분야에 유용한 여러 가지 모델링 전략이 있습니다. 이러한 모든 기술은 장치의 중요한 흐름 및 열 측면에 문제를 일으키지 않고 형상의 복잡성을 줄이는 데 도움을 줍니다.
모든 시스템 수준의 해석에 대해 다음과 같은 질문을 고려해야 합니다.
시스템 수준의 해석에 대한 여러 가지 잠재적인 목표가 있습니다. 그러한 목표를 이해하는 것은 필수 과정으로, 이렇게 하면 해석 프로세스를 파악할 수 있습니다. 잠재적인 목표는 다음과 같습니다.
여러 구성요소가 포함된 복잡한 시스템을 해석하는 강력한 전략은 전체 시스템 모형 내에 하위 모듈 표현을 사용하는 것입니다. 많은 양의 형상 세부 사항이 포함되어 있거나 여러 인스턴스에서 발생하는 하위 모듈에 주로 이러한 방법을 사용하게 됩니다. 모듈의 예로 대형 랙 내의 보드 채널 사이에 있는 채널을 들 수 있습니다. 장점은 시스템 모형 내의 세부 사항 양이 크게 줄어들어, 해석 시간이 줄어들고 설계 효율성이 높아진다는 점입니다.
이러한 표현은 별도의 작은 해석에서 해당 성능의 특성을 파악하여 파생됩니다. 결과 흐름 및 열 동작은 시스템 모형 내에 있는 모듈의 간단한 기하학적 표현에 적용됩니다. 이 프로세스는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.
올바른 예비 방식은 전체 외부 환경을 모델링하기 전에 해석 내에서 물리학 요소 중 일부를 근사치로 계산 함으로써 대부분의 설계 대체 선택 요소를 제거하는 것입니다.
이렇게 하려면 장치 내부를 모델링하고 장치의 외부 표면에 필름 계수 경계 조건을 적용해 외부 흐름을 시뮬레이션합니다. 그러면 장치 주변의 흐름 계산이 제거되고 전체 외부 도메인 해석보다 결과가 훨씬 빠르게 제공됩니다. 결과 온도 분포가 정확하게 올바르지는 않지만 이는 일반적으로 문제가 되는 설계 요소의 실격으로 이어집니다. 더 나은 설계 후보가 식별되면 주변 공기 환경을 사용하는 보다 엄격한 해석 방법을 사용하여 실제 온도 필드를 결정할 수 있습니다.
외부 표면에 대한 권장 필름 계수 값 범위는 5W/m2K ~ 20W/m2K입니다. 값 5W/m2K는 이동이 거의 없는 비활성 상태의 공기를 시뮬레이션하고 20W/m2K는 보다 활발한 공기 흐름을 나타내고 일반적으로 온도가 더 높아지는 특성이 있습니다. 어떤 값을 사용할지 구분하기 어렵지만 일관된 결과를 얻기 위한 대안으로 모든 설계 대체 선택 요소에 동일한 값을 사용하는 것이 훨씬 중요합니다.
강제 냉각(팬)
수동 냉각