Wärme-/Kühl-Management Thermisches Management von Elektroniksystemen

Bild 1. Wärmefluss in einem IC-Package.
Bild 1. Wärmefluss in einem IC-Package.

Die frühzeitige Definition einer Wärmemanagement-Strategie ist entscheidend, um ein kostengünstiges System mit dem richtigen Mix aus Wärmeableitung und hoher Zuverlässigkeit zu realisieren. Numerische Simulations-Tools verbessern die Qualität eines Produkts und verkürzen die Markteinführungszeit.

Zur Optimierung eines Kühlsystems für ein Elektronikprodukt muss der Entwickler mit mehreren Designvariablen wie Luftdurchsatz, Lüfter und Platzierung der Lüfter sowie der Größe des Kühlkörpers und der Lage von Leiterplatten jonglieren. Die Entwickler bedienen sich dabei verschiedener Software-Lösungen zur 3D-Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics - CFD) wie Flotherm. Mit derartiger Software kann der Ingenieur die Luftströmung, Temperatur und Wärmeübertragung in Komponenten, Baugruppen und kompletten Systemen vorhersagen

Kollaborative Entwicklung hebt EDA auf die nächste Stufe

Als Lösung speziell für die Kühlung von Elektronik bietet die Flotherm-Suite die erforderlichen Tools, um die Anforderungen jeder dieser Disziplinen zu erfüllen (Bild 1). Es können Informationen über den Leiterplattenentwurf und die Bauteildaten von EDA-Software wie Board Station, Expedition PCB, Allegro und CR5000 vom Elektroingenieur extrahiert und gemeinsam mit dem Konstrukteur genutzt werden. Mit den extrahierten Daten lassen sich Darstellungen des Leiterplattenentwurfs, des Lagenaufbaus, der Verteilung der Vias und das Layout der Komponenten erstellen. Die Software liefert die Kupferverteilung für jede Schicht mit einem schachbrettartigen Wärmeleitfähigkeits-Diagramm (die Auflösung wird durch den Ingenieur gesteuert). Diese Filterung ermöglicht eine komplexe Kupferverteilung, die mit höchster Genauigkeit und ohne Rückgriff auf übermäßige geometrische Details in eine Leiterplatte eingebunden werden kann.

Während der Leiterplatten-Entwurfsphase unterstützt die Analyse-Software einen konzeptionellen Entwicklungsprozess, der vom Schaltplan abgeleitet ist. Änderungen am Schaltplan spiegeln sich sofort im Layout und den thermischen Darstellungen wider, so dass alle Teammitglieder synchron sind.

Thermische Charakterisierung erhöht die Simulationsgenauigkeit

Um die Qualität der Bauteile beurteilen zu können, müssen sie charakterisiert werden. Dies gilt nicht nur für den Bauteilhersteller während der Fertigung, der mit Hilfe von Mustern überprüft, ob der Produktionsprozess fehlerfrei läuft, sondern auch für Systemintegratoren.

Für die Charakterisierung werden Komponenten meist Umgebungen ausgesetzt, die wesentlich rauer sind als die tatsächlichen Umgebungen. Auf diese Weise lässt sich der Alterungsprozess beschleunigen und Funktionsverschlechterungen werden identifiziert. Um Ausfälle aufzudecken, die durch diesen Prozess innerhalb von Bauteilen verursacht werden, kann die thermische Charakterisierung zur zerstörungsfreien Messung verwendet werden. Verschlechtert sich beispielsweise der Die-Attach und delaminiert das Die, dann steigt der thermische Widerstand. Eine derartige Erhöhung des thermischen Widerstands erhöht auch die Sperrschichttemperatur des Bauteils, da die Wärme nicht wie bei einem einwandfreien Bauteil abgeleitet werden kann.

Als Ergebnis wird das Bauteil früher ausfallen, weil eine lang anliegende überhöhte Temperatur den Alterungsprozess weiter forciert. Das thermische Management, das für dieses System entwickelt wurde, ist nicht effizient und leistungsfähig genug, um ein im Grunde anderes Bauteil als das ursprünglich bestimmte zu bewältigen. Wenn das System darüber hinaus in einem Worst-Case-Szenario mit einem ausgefallenen Kühlsystems funktionieren muss, wird die Situation noch verschärft.

Koppelt man nun den thermischen Transienten-Tester T3Ster mit der Flotherm-Software, so profitieren Ingenieure von besonders genauen thermischen Simulationsmodellen, die von echten Messungen und thermischen Charakterisierungstests des Packages abgeleitet sind. Die Hersteller können ihre IC-Packages so entwerfen, dass sie die Wärme effektiver ableiten. Sobald ein Prototyp erstellt ist, charakterisieren ihn die Ingenieure aus der thermischen Perspektive und bauen genaue Modelle für die thermische Simulationen auf Subsystem- und Komplettsystem-Ebene.