Simulation der Elektronikkühlung

Für Halbleiter-OEMs ist es von entscheidender Bedeutung, den Einfluss der Gehäusestruktur auf die Zuverlässigkeit des thermischen Verhaltens zu verstehen, insbesondere bei zunehmender Leistungsdichte und Komplexität in der modernen Gehäuseentwicklung. Herausforderungen wie bei der komplexen System-on-a-Chip (SoC)- und 3D-IC-Entwicklung (integrierte Schaltkreise) bedeuten, dass die thermische Auslegung ein integraler Bestandteil der Gehäuseentwicklung sein muss. Die Fähigkeit, die weitere Lieferkette mit thermischen Modellen und Modellierungsratschlägen zu unterstützen, die über reine Werte eines Datenblatts hinausgehen, macht auf dem Markt den Unterschied.

Elektronikhersteller, die Gehäuse-ICs in Produkte integrieren, müssen in der Lage sein, die Sperrschichttemperatur eines Bauteils auf einer Leiterplatte (PCB) in einer Umgebung auf Systemebene genau vorherzusagen, um geeignete kostengünstige Konstruktionen für das Wärmemanagement zu entwickeln. Software-Tools zur Simulation der Elektronikkühlung bieten die notwendigen Erkenntnisse. Für die mit dem Wärmemanagement betrauten Konstrukteure ist es wünschenswert, Optionen für die Modellierungstreue von IC-Gehäusen zur Verfügung zu haben, um verschiedenen Entwurfsphasen und der Verfügbarkeit von Informationen gerecht zu werden. Für die Modellierung kritischer Komponenten mit höchster Genauigkeit in transienten Szenarien wird ein thermisches Modell verwendet, das mit transienten Messdaten der Sperrschichttemperatur kalibriert wurde.

Erfahren Sie mehr über die thermische Simulation von Gehäusen

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Modellieren Sie die thermische Leistung komplexer mehrschichtiger Leiterplatten und bestückter Geräte, um die Temperatur an Bauteilübergängen genau vorherzusagen. Um den thermischen Einfluss der Leiterplatte zu verstehen, ist das richtige Maß an Genauigkeit erforderlich, das für die verfügbaren Informationen in jeder Entwicklungsphase geeignet ist.

Bei der thermischen Auslegung der Elektronik sind Optionen für die thermische Modellierungstreue von Leiterplatten von einfachen Typen, Wärmeleitfähigkeit in jeder Schicht bis hin zur expliziten Modellierung von Kupferleiterbahnen für verschiedene Entwicklungsstadien geeignet. Dies umfasst die Untersuchung der Platzierung von Komponenten bis hin zur Überprüfung der thermischen Leistung einer vollständig gerouteten Leiterplatte. Zu den neuesten Ansätzen für die thermische Analyse von Leiterplatten gehört die Modellierung einer gesamten Leiterplatte als Netzwerkbaugruppe, die recheneffizient ist, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.

Workflow-Konnektivität der Elektronikkonstruktion und Importmöglichkeit von Leiterplatteninformationen aus führenden EDA-Softwaredateiformaten samt Aktualisierung der Modelle mit neuen Informationen sind wichtig für effiziente thermische Analyseprozesse. Klare Vorteile bieten Tools, mit denen Konstrukteure ECAD-Dateidaten mit Leiterplattenlayout, Routing-Details und Komponenteninformationen einfach verarbeiten können, um die Erstellung thermischer Modelle zu beschleunigen, sowie Methoden zur Implementierung von Leistungsinformationen in die thermische Analyse.

Sehen Sie sich das Webinar an - Thermische und thermomechanische Simulation von mehrschichtigen Leiterplatten

Höchste Genauigkeit bei der thermischen Analyse von Leiterplatten, einschließlich Joule-Erwärmung der Kupferleiterbahn auf der Leiterplatte, bringt die Zusammenarbeit mit Elektronikingenieuren, die Leiterplattensignale und Leistungsintegrität simulieren. Co-Simulation mit 3D-Elektronik-Kühlsoftware und EDA-Simulationssoftware für die Leistungsintegrität zeigt die Verlustleistung von Kupferbahnen auf der Leiterplatte unter Berücksichtigung von Änderungen des elektrischen Widerstands mit der Temperatur. Erfahren Sie in diesem Video mehr über die Gründe für die elektrothermische Co-Simulation von Leiterplatten.

Elektronikgehäuse müssen Leiterplattenbaugruppen, Komponenten, Netzteile, Steckverbinder, Sensoren und vieles mehr beherbergen. Es muss auch einen ausreichenden Kühlluftstrom oder eine leitende Wärmeübertragung auf die Umgebung bieten, um eine zuverlässige Produktleistung zu gewährleisten. Ob Sie Industriegehäuse mit Zwangskonvektionskühlung, abgedichtete Avionikgehäuse oder schlankes Unterhaltungselektronikprodukte entwerfen – diese 3D-CFD-Tools für thermische Analyse ermöglichen eine schnelle Untersuchung verschiedener Kühllösungen. Tools, die MCAD-Geometrie einfach oder direkt für die CFD-Simulation verarbeiten können, bieten Vorteil, da Sie Vorverarbeitungsschritte sparen und sich auf die Ergebnisse der thermischen Modellierung auf Gehäusesystemebene und Optimierung Ihrer Konstruktion konzentrieren können.

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Die Kühlung von Rechenzentren für einen zuverlässigen Betrieb ist entscheidend, um Ausfälle zu vermeiden. Die Kühlung von Rechenzentren macht weltweit einen Großteil des Energieverbrauchs aus, abgesehen von den Betriebskosten der einzelnen Standorte, daher ist ein effizientes Kühldesign von großer Bedeutung für einen erfolgreichen und nachhaltigen Betrieb. Mithilfe der CFD-Simulation können Sie den Luftstrom und die Wärmeübertragung in Rechenzentren und ähnlichen großen komplexen Systemen vorhersagen. Sie können durch eine effiziente Kühlstrategie sicherstellen, dass Server, Racks und kritische Komponenten innerhalb der Temperaturgrenzen bleiben.

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Die Flüssigkeitskühlung bietet Vorteile für eine effektive und effiziente Kühlung von Elektronikanwendungen, bei denen hohe Anforderungen an die Wärmeableitung für den Betrieb und die Zuverlässigkeit gestellt werden. Von der Minimierung des Druckabfalls bei kundenspezifischen Kühlplatten in Leistungselektronikanwendungen bis hin zur Unterstützung der thermischen Auslegung im wachsenden Bereich der Immersionskühlung von Servern – verwenden Sie eine genaue 3D-CFD-Elektronikkühlungssimulation und 1D-Strömungsdynamik, um Ihr flüssigkeitsgekühltes Design zu optimieren.

Sehen Sie sich das Video (rechts) zu den Vorteilen der Edge-Server-Flüssigkeitskühlung von Iceotope Technologies an.

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Die verbesserte Genauigkeit der thermischen Analyse trägt dazu bei, die immer anspruchsvolleren Konstruktionsanforderungen in der modernen Elektronikentwicklung zu erfüllen. Die Kalibrierung eines thermischen Modells mit transienten thermischen Messdaten kann Ihnen helfen, die höchste Genauigkeit bei der thermischen Simulation zu erreichen. Durch die automatische Kalibrierung des thermischen Modells entfällt die Notwendigkeit zu zeitaufwändiger manueller Kalibrierungsschritte, bei denen inkrementelle Änderungen an thermischen Modellattributen vorgenommen werden. Die Verwendung eines kalibrierten thermischen Modells bedeutet, dass Risiken einer Unterkonstruktion angegangen werden können, um die Zuverlässigkeit durch genaue Modellierung von Missionsprofilszenarien zur Überprüfung der Leistung zu gewährleisten. Konstrukteure erhalten genauere Daten, um zur Kostensenkung einen potentiell übertriebenen Konstruktionsaufwand zu bereinigen.

Prüfmethoden für thermische Transienten und Kalibrierung von Simulationsmodellen
finden Sie in der On-Demand-Präsentation: Thermische Charakterisierung von Halbleitergehäusen – thermische Messgrößen, Zuverlässigkeit und Qualität

Die BCI-ROM-Technologie (Boundary Condition Independent Reduced Order Model) bietet den Vorteil einer schnellen transienten thermischen Elektronikanalyse, die viel schneller als die vollständige 3D-CFD-Simulation ist und dabei die Genauigkeit beibehält. Ein BCI-ROM wird automatisch aus einer 3D-Leitungsanalyse generiert, die die Vorhersagegenauigkeit beibehält, aber in nachgewiesenen Fällen 40.000+ Mal schneller lösen kann. Der Aspekt der Unabhängigkeit von Modellen reduzierter Ordnung von Randbedingungen ist äußerst wertvoll, da er den Einsatz von BCI-ROMs in jeder thermischen Umgebung unter Beibehaltung der Genauigkeit ermöglicht. BCI-ROMs können in verschiedenen Formaten generiert werden, die eigenständiges schnelles Lösen im Matrixformat unterstützen, integriert in die Schaltungssimulation für elektrothermische Analysewerkzeuge (VHDL-AMS-Format) oder bei der Modellierung von 1D-Systemsimulationswerkzeugen (FMU-Format).

Blog ansehen: Die Zukunft der thermischen Auslegung – frühere elektrothermische Analyse

On-Demand ansehen: Beschleunigen Sie die Konstruktion elektronischer Systeme unter Berücksichtigung thermischer Aspekte bei der elektrischen Simulation (mit Einblicken eines Gastredners von ROHM Semiconductor)

Die thermische Auslegung für zuverlässige Elektronikprodukte profitiert von der genauen Vorhersage von Temperaturen, Gradienten und zyklischen transienten Schwankungen, die später in der thermomechanischen Spannungsanalyse verwendet werden können. Mit der thermomechanischen Analyse lassen sich Fehlermodi, potenzielle Bereiche mit Degradationsrisiko sowie Haltbarkeit und Lebensdauer erkennen.

Workflows von CFD bis zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) können verschiedene Formen annehmen. Die CFD-Analyse kann von einem dedizierten thermischen Analysten in einer elektronischen Kühlsoftware durchgeführt werden, und die Ergebnisse der transienten 3D-Temperatur können in ein mechanisches FEM-Tool exportiert werden. Alternativ können Ingenieure, die in der CAD-Umgebung arbeiten, von einer kombinierten CAD-eingebetteten thermischen CFD- und thermomechanischen Spannungsanalyse profitieren, um die Gesamtanalysezeit zu verkürzen.

Lernen Sie in diesem On-Demand-Webinar drei Workflows für die CFD-Elektronikkühlungssimulation und die thermomechanische Spannungsanalyse der FEM-Elektronik kennen.