Elektronikkühlung und Packaging
Die elektronischen Komponenten und Systeme können nur in einem bestimmten Temperaturbereich zuverlässig funktionieren. Beim Überschreiten der vom Hersteller spezifizierten Temperaturobergrenzen werden die Komponenten entweder dauerhaft beschädigt, oder funktionieren nicht wie vorgesehen. Darüber hinaus kann der Betrieb bei hohen Temperaturen die Lebensdauer drastisch senken. Ein adäquates Kühlungskonzept garantiert einen unbeschränkten, sicheren und zuverlässigen Betrieb der elektronischen Komponenten und Systeme.
Um der dauernd wachsenden Anzahl von Features und der steigenden Komplexität der Anwendungen nachzukommen, wird immer leistungsfähigere Hardware in den elektronischen Geräten eingesetzt, womit
die Verlustleistungen stetig steigen. Darüber hinaus werden die Geräte immer kompakter und in engen, gut isolierten Räumen eingebaut. Die Kühlung der elektronischen Geräte wird deswegen immer
anspruchsvoller.
Die Kühlungskonzepte der Geräte müssen in sehr frühen Entwicklungsphasen erarbeitet und abgeschlossen werden. Später, wenn die Arbeiten am elektronischen Layout und an der mechanischen Konstruktion fortschreiten, ist jede große Änderung im Aufbau sehr schwer, wenn nicht praktisch unmöglich. Dafür kommen die numerischen Simulationen zum Einsatz.
CFD-Simulationen verkürzen die
Entwicklungszeiten und bringen erhebliche Einsparungen in notwendigen Musterphasen und in der Anzahl der Temperaturmessungen zur Optimierung und Absicherung der Kühlungskonzepte.
Das Kühlungskonzept ist unweigerlich mit dem Packaging des Geräts verknüpft. Die Gehäusegestaltung und die verwendeten Materialien haben direkten Einfluss auf die Kühlung des Geräts. Deswegen werden bei der Konzeptfindung nicht nur die thermischen Aspekte, sondern auch der Gehäuseaufbau, Kosten, Größe, Gewicht und eventuell EMV und Lüftergeräusch berücksichtigt und optimiert.
Die Kühlung des Geräts wird mit Berücksichtigung der abgeschätzten Verlustleistungen, aller Anforderungen und Beschränkungen, sowie von Betriebsszenarien und Randbedingungen konzipiert, und mit Hilfe numerischer Simulationen verifiziert und optimiert.
1. Benötigte Daten
Um ein geeignetes Kühlungskonzept zu erarbeiten, werden folgende Daten und Informationen benötigt:
- Mechanischer Aufbau (CAD-Modell, Skizzen)
- Verwendete oder vorgesehene Materialien
- HW-Layout oder Platzierung der wichtigen Komponenten
- Abgeschätzte Verlustleistungen und spezifizierte Temperaturgrenzen der wichtigen Komponenten
- Lagenaufbau der PCBs
- Eigenschaften der vorgesehenen Lüfter
- Betriebsszenarien
- Anforderungen und Randbedingungen
Thermisch wichtig, und für die Simulation relevant, sind Komponenten mit nicht vernachlässigbarer Verlustleistung, geometrisch große Komponenten, die für Luftbewegung und Wärmeleitung relevant sind, sowie die thermisch empfindlichen Teile, auch wenn sie keine bedeutende Verlustleistung haben.
2. Simulationsvorteile aus technischer Sicht
- Gewinnen von Grundverständnis (Ursache und Wirkung)
- Erkennung von wichtigen Parametern
- Parameterstudien schnell und einfach
- Ergebnisse sind für das ganze Rechengebiet vorhanden
- Keine Verzerrung der Ergebnisse durch Messapparatur
- Extreme Bedingungen können auch behandelt werden
3. Simulationsvorteile aus wirtschaftlicher Sicht
- Basierend auf Simulationsergebnissen können schon in der Angebotsphase Konzepte erstellt und die Kosten genauer abgeschätzt werden.
- Durch Detailoptimierungen kann an Material und Gewicht gespart werden.
- Kühlungskonzept kann erstellt und optimiert werden bevor Layouts und Konstruktionen gemacht sind. Danach, wenn Muster gebaut oder mechanische Werkzeuge bestellt sind, ist jede Änderung oft sehr schwer, wenn nicht praktisch unmöglich.
- Messungen sind oft nur in sehr späten Entwicklungsphasen möglich. Jedes entdeckte Problem bei den Messungen führt dann zu großen Verspätungen und Zusatzkosten.
- Oft schneller und günstiger als Messungen.
- Nur wenige Validierungsmessungen werden benötigt.