Effektives Wärmemanagement in der Elektronik-Entwicklung

Bild 1: Gutes Wärmemanagement ist für alle Elektronikkomponenten erforderlich.Mentor Graphics

Hauptwärmequelle in elektronischen Geräten sind deren Halbleiterchips (ICs). Die Temperaturempfindlichkeit dieser Bauelemente stellt Ingenieure bei der Entwicklung von Kühlungsmechanismen vor große Herausforderungen. Geeignete Kühlungsstrategien helfen, diese empfindlichen Komponenten vor Überhitzung und vorzeitigem Ausfall zu schützen.

Folgende Faktoren sprechen dafür, effiziente CFD-Simulationssoftware (Computational Fluid Dynamics – numerische Strömungssimulationssoftware) während des Entwicklungsprozesses vom Konzept über die Design-Exploration und Optimierung bis zur finalen Verifikation zu verwenden:

• Produkte rechtzeitig auf den Markt bringen: Verzögerungen im Zeitplan von nur wenigen Wochen können ein Unternehmen Millionen kosten.
• Dem Entwickler das Arbeiten mit verschiedenen Designansätzen ermöglichen: Das führt zu höherer Qualität, besserer Performance und wettbewerbsfähigeren Produkten.
• Verringert die Notwenigkeit mehrere physikalische Prototypen zu erstellen: Diese sind teuer und sehr zeitaufwändig.
• Anbieten eines Produkts mit hoher Zuverlässigkeit: Spart Garantie- und Rückrufkosten und bewahrt die Reputation eines Unternehmens.

Konstrukteure, die MDA-Software (Mechanical Design Automation) verwenden, sind für alle Aspekte der physikalischen Entwicklung eines Produkts verantwortlich, außer für ICs und Leiterplatten. Sie müssen mit Elektronikentwicklern zusammenarbeiten, die EDA-Software (Electronic Design Automation) nutzen. In der Vergangenheit wurden die Bereiche EDA und MDA nur über die Datenübertragung (gemäß IDF-Standard) verbunden. In der Regel erfolgte dieser ohne die erforderlichen Filter für den Transfer der thermisch relevanten Informationen. Daraus resultierten viel zu viele Entwicklungsdetails, die die CFD-Simulationen veranlassten, vom Entwickler eine manuelle Vereinfachung des Modells zu fordern oder übermäßige CFD-Laufzeiten und keine Konvergenz in Kauf zu nehmen.

Warum in der konzeptionellen Entwicklungsphase beginnen?

Die Entwicklung eines guten Wärmemanagements sollte in der konzeptionellen Phase des Entwicklungsprozesses beginnen. Die zu entwickelnden Produkte sind oft komplexe Systeme, die eine Kooperation verschiedener Design- und Planungsdisziplinen erfordern: IC- und FPGA-Entwickler, Leiterplattenlayouter, Fertigungsingenieure, Softwareentwickler, Qualitätsingenieure, Konstrukteure, Marketing, HF- und High-Speed-Elektroingenieure und so weiter. Während der Konzeptphase werden die Entscheidungen hinsichtlich der Funktionsfähigkeit eines Produktes getroffen. Eine dieser Entscheidungen ist: „Lässt sich bei den vorhandenen Platzverhältnissen, dem Formfaktor, der gewünschten Leistungsfähigkeit und Funktionalität und so weiter die durch das System erzeugte Wärme managen?“

Mit Hilfe von Mentor Graphics Lösung Flo Therm XT ist ein Konstrukteur oder Thermospezialist in der Lage, ein konzeptionelles Modell des ICs, der Leiterplatte oder des Gehäuses auf einfache Weise zu erstellen und zu simulieren ob die Wärmabfuhr ausreicht. Wenn die Antwort ja ist, dann kann das Design aus der thermischen Perspektive fortgeführt werden. Falls sich eine der anderen Disziplinen aus der Konzeptphase mit einem No-Go meldet, besteht die Möglichkeit, die funktionalen Spezifikationen des Systems, den Formfaktor, die verwendeten Komponenten oder einige andere Faktoren zu ändern. Wird ein Problem, das ein neues Design erfordert, erst jedoch später im Entwicklungsprozess entdeckt, können die Kosten deutlich steigen.

Ein weiterer Grund, den Entwicklungsprozess in der konzeptionellen Phase zu starten, ist das detaillierte Design zu steuern. Bevor der Entwickler viel Arbeit in die Leiterplatte oder das Gehäuse steckt, kann er einfach mehrere konzeptionelle Entwürfe erstellen, den besten Ansatz wählen und dann diese Daten zur Steuerung der detaillieren Systementwicklung verwenden.

Entwurf mit Flo Therm XT

Bild 2: Der Entwicklungsprozess vom Konzept bis zur endgültigen Verifikation mittels Flo Therm XT mit enger Integration von MDA- und EDA-Entwurfswerkzeugen.Mentor Graphics

Bild 2 zeigt einen typischen Prozess für die Entwicklung einer komplexen Komponente mit Flo Therm XT. Dieser Prozess beginnt mit dem konzeptionellen Layout der Leiterplatte. Hier erstellt der Entwickler grobe Versionen der Leiterplatte sowie aller Wärme erzeugenden Komponenten. Mit Hilfe des Tools lassen sich diese neu anlegen oder aus der Smart-Parts-Bibliothek auswählen. Die Smart-Parts-Bibliothek enthält sowohl vollständig beschriebene Komponenten als auch Templates, die leicht angepasst werden können, um die tatsächlichen Bauteile darzustellen. Diese Bauteile werden dann auf der konzeptionellen Leiterplatte platziert.

Im Anschluss entwirft der Entwickler ein konzeptionelles Gehäuse, in dem er die Leiterplatten platziert. Flo Therm XT verfügt über vollständige Funktionen zum mechanischen Konstruieren, so dass die erstellten Bauteile oder Gehäuse so detailliert wie möglich sind, damit das Zielprodukt ordnungsgemäß dargestellt wird. Sobald die Leiterplatten im Gehäuse untergebracht sind, werden die Randbedingungen hinzugefügt und die thermische CFD-Analyse durchgeführt. Auf der Basis dieses Ergebnisses kann der Entwickler die Platzierung der Bauteile modifizieren, bei heißen Komponenten Kühlkörper anbringen, das Gehäuse ändern und so weiter und die Analyse erneut starten.

Dieser Prozess wird solange fortgesetzt, bis der Entwickler eine gute Lösung für das Wärmemanagement gefunden hat. Hitze-relevante Komponenten werden geeignet auf den Leiterplatten platziert und die Leiterplatten entsprechend im Gehäuse untergebracht. Die Form und das Material des Gehäuses unterstützen gute Konduktion, Konvektion oder Abstrahlung, um optimale Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Das Design erhält dann Konzept-Sign-off-Status und die Informationen werden an die MDA- und EDA-Designer für das endgültige Design weitergeleitet.

Im weiteren Verlauf des Prozesses können die detaillierten Designs aus den EDA- und MDA-Umgebungen zur Analyse und Optimierung automatisch in Flo Therm XT importiert werden. Der Import der detaillierten Leiterplatte wird durch ein Tool namens Flo EDA Bridge erreicht. Dieses Tool lässt sich anpassen, um die unnötigen Details im Leiterplattenentwurf wie die vielen nicht Wärme-relevanten Glättungskondensatoren, Abschlusswiderstände, Ausrundungen und so weiter herauszufiltern. Wenn diese nicht benötigten Features in der CFD-Analyse verbleiben, würde sich diese während der Ausführung unnötig verlangsamen. Das Flo EDA Bridge Tool arbeitet direkt mit der nativen Datenbank der Leiterplatten-Entwurfssoftware zusammen. Dadurch werden Probleme bei der Erstellung und anschließenden Modifikation zahlreicher Schnittstellen wie den IDF-Standard beseitigt und auch das manuelle Hinzufügen von Randbedingungen und thermischer Modelle der Komponenten erübrigt sich.

Die gleichen Vorteile gelten für die Integration der mechanischen Konstruktion (Gehäuse) in Flo Therm XT. Das Modell wird wieder direkt aus der nativen Datenbank eines gängigen MCAD-Werkzeugs (beispielsweise Creo, Catia, NX, Solid Works) extrahiert und die nicht relevanten Details aus dem Modell herausgefiltert. Dann erlangen einige der speziellen Funktionen des CFD-Simulators große Bedeutung und zwar nicht nur um schnelle Taktzyklen bereitzustellen, sondern auch, um Entwicklern und Experten die effiziente Durchführung einer genauen thermischen Analyse zu ermöglichen.

Bild 3: Ein schnelles und genaues thermisches Analysewerkzeug, das von Entwicklern und Thermospezialisten einsetzbar ist und den MDA- und EDA-Bereich zusammenbringt, hilft Unternehmen, ihre offensiven Geschäftsziele zu erreichen.Mentor Graphics

Herkömmliche CFD-Simulationswerkzeuge erfordern ein hohes Maß an Know-how und viel Zeit, um ein Modell für die Lösung vorzubereiten. Dazu gehören die manuelle Bereinigung des Modells, manuelle Anpassung des Lösungs-Netzes (dies kann selbst bei einem Spezialisten einige Wochen dauern) und Modifikationen die gewährleisten, dass die Berechnung konvergiert. Mit traditioneller CFD beträgt die Zykluszeit für eine Design-Iteration bis zum Erreichen einer Lösung unter Umständen mehrere Wochen. Zu diesem Zeitpunkt kann das Design bereits fortgeschritten sein und einen weiteren Zyklus erfordern.

Mit Flo Therm XT lassen sich Analysen im Vorfeld durchführen, Trends herausfinden, Probleme schneller lösen und gute Fortschritte erzielen, da Entwickler den Herausforderungen rascher begegnen und faktisch um das ergänzen, was Spezialisten in späteren Phasen der Verifikation machen. Dies kann die Zykluszeiten von Wochen auf wenige Tage oder sogar über Nacht reduzieren. Entwickler können verschiedene Design-Vorschläge testen und ein wesentlich wettbewerbsfähigeres oder zuverlässigeres Produkt kreieren. Die schnellen Zykluszeiten helfen auch, die Markteinführungszeit zu reduzieren (Bild 3).

(jj)