電子機器の冷却シミュレーション

半導体OEMにとって、特に最新のパッケージ開発では電力密度と複雑さが増大しているため、パッケージ構造が熱挙動の信頼性に対してどのように影響するかを理解することは極めて重要です。複雑なシステムオンチップ (SoC) や3D-IC (集積回路) 開発などの課題は、熱設計がパッケージ開発に不可欠であることを意味します。データシートの値だけでは得られない熱モデルやモデリングによる助言をサプライチェーンに提供できる強みが、市場での差別化につながります。

パッケージされたICを製品に統合する電子機器メーカーにとって、コスト効率の高い適切な熱管理設計を開発するためには、システムレベルでプリント回路基板 (PCB) 上のコンポーネントのジャンクション温度を正確に予測できることが重要です。こうした知見を得られるのが、電子機器冷却シミュレーション・ソフトウェア・ツールです。熱エンジニアは、各設計段階や入手可能な情報に合わせて、ICパッケージのモデリング忠実度を選択できることを望んでいます。過渡シナリオにおける重要なコンポーネントの最高精度のモデリングには、ジャンクション温度の過渡測定データによって較正された熱モデルが必要です。

パッケージ熱シミュレーションの詳細

• 高密度半導体パッケージの熱開発ワークフロー – ウェビナーを見る
• 電子機器冷却シミュレーションのためのパッケージ熱モデリング – オンデマンドのプレゼンテーションを見る

複雑な多層PCBと実装されたデバイスの熱性能をモデル化して、コンポーネントのジャンクション温度を正確に予測します。基板の熱的影響を理解するには、開発の各段階で入手可能な情報に適した適切なレベルの精度が必要です。

電子機器の熱設計では、各層の熱伝導率といった単純なタイプから銅トレースの明示的なモデリングまで、開発のさまざまな段階に適したPCB熱モデリングの忠実度のオプションがあります。これには、コンポーネントの配置の検討から、完全に配線された基板の熱性能の検証までが含まれます。PCB熱解析の最新のアプローチには、基板全体をネットワーク・アセンブリとしてモデル化する方法があり、こうすると精度を犠牲にすることなく計算効率を高くめることができます。

電子設計ワークフローの接続性、主要なEDAソフトウェアのファイル形式で基板情報をインポートできる機能、最新の情報でモデルを更新する機能は、効率的な熱解析プロセスに欠かせない重要な要素です。基板レイアウト、配線の詳細、コンポーネント情報を含むECADファイルデータを簡単に処理し、熱モデルの作成を高速化できるツールとともに、熱解析に電力情報を実装する手法には、明らかな利点があります。

ウェビナーを見る - 多層PCBの熱および熱機械シミュレーション

PCB上の銅トレースのジュール加熱を含むPCB熱解析で最高の精度を達成するには、PCBシグナルおよびパワー・インテグリティ・シミュレーション担当の電子エンジニアと協力することが有利です。3D電子機器冷却ソフトウェアとEDAパワー・インテグリティ・シミュレーション・ソフトウェア間のコシミュレーションは、温度による電気抵抗の変化を考慮し、基板の銅トレースの損失電力を正確に表します。このビデオでは、PCB電熱コシミュレーションを使用する理由を解説します。

電子機器の筐体には、PCBアセンブリ、コンポーネント、電源、コネクター、センサーなどを収納する必要があります。また、信頼性の高い製品性能を確保するために、周囲環境に十分な冷却気流または伝導熱伝達が必要です。強制対流冷却用の産業機器の筐体、密閉型航空電子機器の筐体、最新の薄型家電製品のいずれを設計する場合でも、これらの3D CFD熱解析ツールを使用すると、さまざまな冷却ソリューションを迅速に検討することができます。MCADジオメトリを簡単に扱えるツールや、CFDシミュレーションを直接行えるツールは、前処理ステップを減らし、筐体のシステムレベルの熱モデリング結果と設計の最適化に集中できるようにする点で有利です。

設計のヒントについては、筐体の温度管理に関する完全ガイドをダウンロードしてください。

信頼性の高い運用のためにデータセンターを冷却することは、停電を避けるために重要です。世界中のデータセンターを冷却すると、各拠点の運用コストが高くなることに加え、エネルギー使用量全体に占める割合が大きくなるため、効率的な冷却設計が持続可能な運用の成功に非常に重要になります。CFDシミュレーションを使用すると、データセンターや同様の大規模で複雑なシステムの気流と熱伝達を予測することができます。サーバー、ラック、重要なコンポーネントが必要な温度範囲内に収まっていることを確認し、最も効率的な冷却戦略を策定することができます。

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液体冷却は、動作や信頼性のために高い熱放散が要求される電子機器アプリケーションを効果的かつ効率的に冷却する利点があります。パワー・エレクトロニクス・アプリケーションにおけるカスタム・コールド・プレートの圧力損失の最小化から、サーバーの液浸冷却の採用が増加している分野での熱設計の支援まで、正確な3D CFD電子機器冷却シミュレーションと1D流体力学を使用して、液冷設計を最適化します。

Iceotope Technologiesによるエッジサーバー液体冷却の利点に関するビデオ (右) をご覧ください。

オンデマンド・プレゼンテーションを見る - AIハードウェアの温度管理: Electronic Cooling Solutions Incによるディープ・ラーニング・マシンの液体冷却に関する洞察

熱解析の精度向上により、最新のエレクトロニクス開発でますます厳しくなる設計要件を満たせるようになりました。過渡熱測定データで熱モデルを較正すると、熱シミュレーションで最高の精度を発揮できます。熱モデルの自動キャリブレーションにより、熱モデルの属性を少しずつ変更するという、非常に時間のかかる手動キャリブレーション手順が不要になります。較正された熱モデルを使用すると、ミッション・プロファイル・シナリオを正確にモデル化して性能検証できるため、過小設計のリスクに対処して信頼性を確保できます。同時に、精度に対する信頼性を高めることで、エンジニアは過剰設計になりそうな領域に対処し、製品コストを削減できます。

過渡熱の試験方法とシミュレーション・モデルの較正の概要については
、オンデマンドのプレゼンテーションをご覧ください。半導体パッケージの熱特性評価 - 熱指標、信頼性、品質

境界条件に依存しない次数低減モデル (BCI-ROM) テクノロジーは、精度を維持しながら、フル3D CFDよりも桁違いに高速に電子機器の過渡熱伝導解析を実行できるという利点があります。BCI-ROMは、予測精度を維持する3D伝導解析から自動的に生成されますが、実証されたケースでは40,000倍以上速く解決できます。次数低減モデルの「境界条件に依存しない」という側面は、あらゆる熱環境で使用できるため、非常に大きな価値があります。BCI-ROMは、マトリックス形式でスタンドアロンの高速解決をサポートしたり、電熱解析ツールの回路シミュレーションに組み込んだり (VHDL-AMS形式)、1Dシステム・シミュレーション・ツールのモデリングに使用したり (FMU形式) するために、さまざまな形式で生成できます。

ブログを見る: 熱設計の未来 – 初期の電熱解析

オンデマンドで見る: 熱を考慮した電気シミュレーションで電子システム設計を加速 (ROHM Semiconductorのゲストスピーカーによる考察)

電子製品の信頼性を高めるための熱設計には、温度、勾配、周期的な過渡変動を正確に予測し、その後、熱機械応力解析に使用できるという利点があります。熱機械解析は、故障モードや、劣化リスクのある領域、耐久性と寿命に関する知見を得るために使用します。

CFDから有限要素解析 (FEA) への熱機械応力評価ワークフローには、いくつか方法があります。1つは、専任の熱解析者が電子冷却ソフトウェアでCFD解析を実施し、3D過渡熱の結果を機械FEAツールにエクスポートする方法です。もう1つは、CAD環境で作業するエンジニアが、CADに組み込まれた熱CFDと熱機械応力解析を組み合わせて、全体的な解析時間を短縮する方法です。

このオンデマンドウェビナーでは、CFD電子機器冷却シミュレーションとFEA電子機器熱機械応力解析のための3つのワークフローをご紹介します。