Simulation der Elektronikkühlung

Für Halbleiter-OEMs ist es entscheidend, den Einfluss der Gehäusestruktur auf das thermische Verhalten und die Zuverlässigkeit zu verstehen, insbesondere angesichts der zunehmenden Leistungsdichte und Komplexität in der modernen Gehäuseentwicklung. Herausforderungen wie bei der Entwicklung komplexer System-on-a-Chip (SoC) und 3D-IC (integrierte Schaltungen) bedeuten, dass das thermische Design ein integraler Bestandteil der Gehäuseentwicklung sein muss. Die Fähigkeit, die weitere Lieferkette mit thermischen Modellen und Modellierungsratschlägen zu unterstützen, die über die Datenblattwerte hinausgehen, ist auf dem Markt von herausragendem Wert.

Für Elektronikhersteller, die gehäuste ICs in Produkte integrieren, ist es wichtig, in der Lage zu sein, die Sperrschichttemperatur einer Komponente auf einer Leiterplatte (PCB) in einer Umgebung auf Systemebene mit Genauigkeit vorherzusagen, um geeignete und kostengünstige Wärmemanagementdesigns zu entwickeln. Softwaretools zur Simulation der Elektronikkühlung bieten diesen Einblick. Für Wärmetechniker ist es wünschenswert, Optionen für die Modellierungstreue von IC-Gehäusen zur Verfügung zu haben, um den unterschiedlichen Entwurfsphasen und der Verfügbarkeit von Informationen gerecht zu werden. Für die hochgenaue Modellierung kritischer Komponenten in transienten Szenarien ist ein detailliertes thermisches Modell möglich, das mit Simcenter-Lösungen automatisch auf transiente Messdaten der Sperrschichttemperatur kalibriert wird.

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Modellieren Sie die thermische Leistung komplexer mehrlagiger Leiterplatten und montierter Geräte, um die Grenzschichttemperatur der Komponenten genau vorherzusagen. Um den thermischen Einfluss von Leiterplatten zu verstehen, ist das richtige Maß an Genauigkeit erforderlich, das den verfügbaren Informationen in jeder Entwicklungsphase entspricht.

Im Bereich des thermischen Designs von Elektronik eignen sich Optionen für die Genauigkeit der thermischen Modellierung von Leiterplatten, von einfachen Typen, Wärmeleitfähigkeit in jeder Schicht bis hin zur expliziten Modellierung von Kupferspuren, für verschiedene Entwicklungsphasen. Dazu gehört die Untersuchung der Platzierung der Komponenten bis hin zur Überprüfung der thermischen Leistung einer vollständig gerouteten Platine. Zu den neuesten Ansätzen der thermischen Analyse von Leiterplatten gehört die Modellierung einer gesamten Platine als Netzwerkbaugruppe, was recheneffizient ist, ohne an Genauigkeit einzubüßen.

Die Konnektivität des elektronischen Konstruktionsablaufs und die Möglichkeit, Leiterplatteninformationen aus führenden EDA-Softwaredateiformaten zu importieren und Modelle mit neuen Informationen zu aktualisieren, sind wichtige Voraussetzungen für effiziente thermische Analyseprozesse. Tools, die es Ingenieuren ermöglichen, auf einfache Weise ECAD-Dateidaten zu verarbeiten, die Platinenlayout, Leitungsdetails und Bauteilinformationen enthalten, bieten klare Vorteile, um die Erstellung thermischer Modelle zu beschleunigen, sowie Methoden zur Implementierung von Leistungsinformationen in die thermische Analyse.

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Um höchste Genauigkeit bei der thermischen Analyse von Leiterplatten zu erreichen, einschließlich der Erwärmung der Kupferspur auf der Leiterplatte in Joule, ist es vorteilhaft, mit Elektronikingenieuren zusammenzuarbeiten, die an der Simulation von PCB-Signalen und Leistungsintegrität arbeiten. Die Ko-Simulation zwischen der 3D-Elektronikkühlsoftware und der EDA-Software zur Simulation der Leistungsintegrität stellt die Verlustleistung der Leiterplatte auf Kupferbahnen genau dar und berücksichtigt die Änderungen des elektrischen Widerstands mit der Temperatur. Erkunden Sie in diesem Video die Gründe für die elektrothermische Co-Simulation von Leiterplatten.

In Elektronikgehäusen müssen Leiterplattenbaugruppen, Komponenten, Stromversorgungen, Steckverbinder, Sensoren und vieles mehr untergebracht werden. Es muss auch für einen ausreichenden Kühlluftstrom oder eine leitende Wärmeübertragung an die Umgebung sorgen, um eine zuverlässige Produktleistung zu gewährleisten. Ganz gleich, ob Sie ein industrielles Gehäuse mit erzwungener Konvektion, ein abgedichtetes Avionikgehäuse oder das neueste Produkt der Unterhaltungselektronik mit dünnem Formfaktor entwerfen, diese 3D-CFD-Thermoanalyse-Tools ermöglichen eine schnelle Untersuchung verschiedener Kühllösungen. Tools, die die MCAD-Geometrie einfach oder direkt für die CFD-Simulation verarbeiten können, sind von Vorteil, sodass Sie sich weniger auf die Schritte vor der Verarbeitung und mehr auf die Ergebnisse der thermischen Modellierung auf Gehäusesystemebene und die Optimierung Ihres Designs konzentrieren können.

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Die Kühlung des Rechenzentrums für einen zuverlässigen Betrieb ist entscheidend, um Ausfälle aufgrund eingeschränkter Leistung zu vermeiden. Die Kühlung von Rechenzentren macht weltweit einen erheblichen Teil der Energie aus, und dieser wird mit der steigenden Nachfrage nach KI-Verarbeitung voraussichtlich zunehmen, weshalb ein effizientes Kühldesign für einen erfolgreichen und nachhaltigen Rechenzentrumsbetrieb von großer Bedeutung ist. Mithilfe der CFD-Simulation können Sie den Luftstrom und die Wärmeübertragung in traditionellen Rechenzentrumshallen und ähnlich großen komplexen Systemen vorhersagen. Sie können sicherstellen, dass Server, Racks und kritische Komponenten innerhalb der erforderlichen Temperaturgrenzen bleiben, und die effizienteste Kühlstrategie entwickeln. Flüssigkeitskühlung wird aufgrund der Vorteile der Wärmeübertragung zunehmend eingesetzt. Mit einer Kombination aus Simcenter 3D-CFD- und 1D-Systemsimulationswerkzeugen können Sie direkt auf den Chip übertragene Kühlplatten, Rohrsysteme, Wärmetauscher, CPUs für das gesamte Rechenzentrum evaluieren und sogar die Herausforderungen der Systemthermomodellierung für neue Tauchkühltechnologien angehen und 2-phasige Kühllösungen auswählen.

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Die Flüssigkeitskühlung bietet Vorteile für eine effektive und effiziente Kühlung von Elektronikanwendungen, bei denen aus Betriebs- und Zuverlässigkeitsgründen hohe Anforderungen an die Wärmeableitung gestellt werden. Von der Minimierung des kundenspezifischen Druckverlusts bei Kühlplatten in Leistungselektronikanwendungen bis hin zur Unterstützung des thermischen Designs im Bereich der zunehmenden Einführung der Tauchkühlung von Servern — verwenden Sie genaue 3D-CFD-Elektronikkühlungssimulation und 1D-Fluiddynamik, um Ihr flüssigkeitsgekühltes Design zu optimieren.

Sehen Sie sich das Video (rechts) über die Vorteile der Edge-Server-Flüssigkeitskühlung von Iceotope Technologies an.

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Die verbesserte Genauigkeit der thermischen Analyse hilft, die immer anspruchsvolleren Designanforderungen in der modernen Elektronikentwicklung zu erfüllen. Die Kalibrierung eines thermischen Modells mit transienten thermischen Messdaten kann Ihnen helfen, die höchste Genauigkeit der thermischen Simulation zu erreichen. Die automatische Kalibrierung des thermischen Modells macht übermäßig zeitaufwändige manuelle Kalibrierungsschritte überflüssig, bei denen schrittweise Änderungen an den Attributen des thermischen Modells vorgenommen werden müssen. Die Verwendung eines kalibrierten thermischen Modells bedeutet, dass Risiken einer unzureichenden Planung berücksichtigt werden können, um die Zuverlässigkeit durch eine genaue Modellierung von Missionsprofilszenarien zur Überprüfung der Leistung sicherzustellen. Gleichzeitig können Ingenieure mit einem höheren Vertrauen in die Genauigkeit potenzielle Bereiche der Überkonstruktion angehen, um die Produktkosten zu senken.

Für einen Überblick über thermisch transiente Testmethoden und die Kalibrierung von Simulationsmodellen

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Die BCI-ROM-Technologie (Randbedingungsunabhängiges Modell mit reduzierter Ordnung) bietet Vorteile für die schnelle transiente thermische Analyse von elektronischen Geräten, die um Größenordnungen schneller sind als vollständige 3D-CFD, wobei die Genauigkeit erhalten bleibt. Ein BCI-ROM wird automatisch aus einer 3D-Leitungsanalyse generiert, die die Vorhersagegenauigkeit beibehält, aber in nachgewiesenen Fällen mehr als 40.000-mal schneller gelöst werden kann. Der „randbedingungsunabhängige“ Aspekt von Modellen reduzierter Ordnung ist äußerst wertvoll, da sie in jeder thermischen Umgebung verwendet werden können. BCI-ROMs können in verschiedenen Formaten generiert werden, um eigenständiges schnelles Lösen im Matrixformat zu unterstützen, in die Schaltungssimulation für elektrothermische Analysewerkzeuge (VHDL-AMS-Format) integriert oder in der 1D-Systemsimulationswerkzeugmodellierung (FMU-Format) verwendet werden.

Den Blog ansehen: Die Zukunft des thermischen Designs — frühere elektrothermische Analysen

Sehen Sie sich das On-Demand-Video: Beschleunigen Sie das Design elektronischer Systeme mit thermisch sensitiver elektrischer Simulation (Mit einem Einblick von einem Gastredner von ROHM Semiconductor)

Das thermische Design für die Zuverlässigkeit von Elektronikprodukten profitiert von der genauen Vorhersage von Temperaturen, Gradienten und zyklischen transienten Schwankungen, die anschließend in der thermomechanischen Spannungsanalyse verwendet werden können. Die thermomechanische Analyse wird verwendet, um Ausfallarten und potenzielle Bereiche mit Degradationsrisiken zu untersuchen, um Erkenntnisse über Haltbarkeit und Lebensdauer zu gewinnen.

Arbeitsabläufe zur thermo-mechanischen Belastungsbewertung von CFD to Finite Element Analysis (FEA) können verschiedene Formen annehmen. Eine CFD-Analyse kann von einem speziellen Thermoanalysten in einer elektronischen Kühlsoftware durchgeführt werden, und transiente 3D-Temperaturergebnisse können in ein mechanisches FEA-Tool exportiert werden. Alternativ können Ingenieure, die in der CAD-Umgebung arbeiten, von einer Kombination aus CAD-eingebetteter thermischer CFD- und thermomechanischer Spannungsanalyse profitieren, um die gesamte Analysezeit zu verkürzen.

Erkunden Sie drei Workflows für die Simulation der Kühlung von CFD-Elektronik und die thermomechanische Spannungsanalyse von FEA-Elektronik in diesem Webinar auf Abruf.