Termisk evaluering av elektroniske komponenter ved hjelp av CFD simuleringer

Når produkter er kostbare å lage eller skal brukes i krevende miljøer, bruker vi avanserte simuleringer og tekniske beregninger for å ta bedre designvalg i utviklingsløpet. Våre ingeniører er spesialister på beregninger ved bruk av CFD og FEM. Med CFD-simulering (Computational Fluid Dynamics) kan vi blant annet beregne varmeoverføring gjennom ledning, konveksjon og stråling, og dermed oppnå høy presisjon i forhold til reelle temperaturer.

Som et første steg i et termisk CFD-prosjekt, anbefaler vi vanligvis å gjennomføre en innledende simulering av dagens design for å få et referansepunkt. Dette er verdifullt før man investerer i produksjon av kretskort eller fysiske prototyper. En slik analyse kan avdekke termiske flaskehalser og gir innsikt i hvilke designendringer som vil ha størst effekt.

Vi bruker vår egen IoT‑plattform, Multiply, for å gi et eksempel på hvilken informasjon og innsikt en kunde kan forvente å få ved å bruke CFD-simuleringer i designprosessen. Nedenfor ser vi Multiply som består av et kretskort (PCB) med en FPGA og øvrige komponenter, innkapslet i et lufttett plastkabinett forseglet med O‑ringer.

Selv om de fleste konfigurasjonene som bruker en Multiply normalt sett ikke genererer betydelig varme, fungerer det godt for å illustrere effekten av simuleringen. For dette eksempelet antar vi at FPGA-en avgir 1 watt varme. Simuleringen vil deretter spore hvordan varmeflyten transporteres ut i omgivelsene. Vi kjører en innledende simulering av dagens design og sammenligner deretter med variasjoner av produktet for å se hvordan endringer i intern layout, kapsling, varmeutvikling og omgivelser påvirker driftstemperaturen til elektronikken.

Design- og miljøvariasjoner som undersøkes:

• Økt effekt fra 1 til 1,25 watt

• Isolering av bakflaten, dersom enheten var montert mot treverk som blokkerer varmeflyten ut bak

• Erstatning av bakdeksel i plast med en aluminiumsplate som har avstandsstykker koblet til kretskortet

• Eksponering for direkte sollys som en klar sommerdag i Spania

Eksempel på resultat etter simulering:

• Ved å bytte ut bakplate i plast med en i aluminium, reduseres maksimal temperatur på FPGA-en med 17 grader

• Tilsvarende øker maksimal temperatur på FPGA-en med 25 grader ved å plassere Multiplyen i direkte sollys

CFD gjør det mulig å analysere slike sensitiviter raskt, uten behov for fysisk prototyping. Se alle endringene illustrert under:

Detaljert analyse: Original Multiply vs. aluminiumsbakplate

Vi har nå gitt et oversiktsbilde over temperaturene. Temperaturer er viktige, men de representerer ofte kun sluttresultatet. Den største verdien ligger i å forstå de underliggende mekanismene og identifisere hva som skaper termiske flaskehalser.

Evaluering av varmeoverføring

For denne simuleringen forventer vi at varmebanen fra kretskortet til Multiply-kabinettet er en av flaskehalsene. Vi evaluerer hvor mye varme som overføres og hvordan varmen transporteres fra kretskort til kapsling via:

• Ledning (conduction): fra kretskort gjennom plaststøtter og kontaktflater

• Konveksjon (convection): gjennom luften mellom kretskort og kapsling til kabinettet

• Stråling (radiation): gjennom varmeutstråling fra kretskort direkte til kabinettet

Dette gir et helhetlig bilde av varmebanene i systemet og hvordan varmen beveger seg gjennom Multiplyen.

Resultatene viser at konveksjon og stråling står for en stor del av varmeoverføringen, blant annet på grunn av ineffektiv konduksjonsbane. Kun 22 % av varmen transporteres via direkte kontakt fra kretskort til kapsling.

Ser vi på temperaturen i plastdelene som er i kontakt med kretskortet, viser det store temperaturgradienter (raske temperaturendringer over en kort avstand), noe som indikerer at varme forsøker å strømme gjennom banen, men begrenses av enten for liten kontaktflate, for lang varmevei (for tykk), eller at plast er en dårlig varmeleder. Videre ser vi at fordelingen av varme i plastmaterialet er dårlig, når varmen ikke sprer seg ut over hele bakflaten på bilde til høyre.

Dette peker tydelig på behovet for bedre varmeledningsbaner og gir gode indikasjoner på at vi sannsynligvis kan forbedre banene betydelig ved å bruke andre materialer enn plast i monteringskonfigurasjon for kretskortet.

Optimalisering med aluminiumsbakplate

Ved å bytte ut materialet i bakplaten med aluminium, samtidig som vi setter inn avstandsstykker som er i kontakt med kretskortet, etableres det en effektiv konduksjonsvei. Aluminium har en høy varmeledningsevne og gir materiale langt mer effektiv kjøling. Dette skaper en betydelig bedre varmeavledning.

Den nye bakplaten fordeler varmen jevnt utover, slik vi ser i bildet til høyre. Samtidig øker den arealet som avgir varme til omgivelsene, noe som bidrar til lavere temperatur i hele systemet.

Dette fører til en ny fordeling av varmebanene:

• Konduksjon står nå for ca. 80 % av varmeoverføringen

• Konveksjon og stråling avlastes

• Resultatet er betydelig lavere temperaturer

Helhetlig analyse og temperaturrapportering

CFD-analyser gjør det mulig å bryte ned og analysere gjennomsnittlig, maksimal og minimal temperatur for hver komponent. Deretter kan vi sammenligne ulike designvalg opp mot den innledende simuleringen. I tabellen under har vi satt opp sentrale temperaturer fra de ulike simuleringene, opp mot referansepunktene for å se hvordan spesifikke endringer påvirker resultatet.

Ved å kombinere:

• kvantitative data (temperaturer og varmestrømmer),

• visualisering av temperaturfelt, og

• analyse av varmeoverføringsmekanismer, 

kan man identifisere tydelige trender og prioritere de mest effektive designendringene før produksjon av kretskort eller fysiske prototyper.

Hva kan CFD brukes til videre?

CFD gir også innsikt i en rekke andre designparametere:

Materialvalg

• Effekt av ulike materialers termiske motstand.

• Overflatebehandlinger (polert, ru, anodisert).

• Farge på deler for ulik absorpsjon av solstråling.

• Transparente materialer som ulike plasttyper eller glass, og deres strålingsrespons.

Kjølingsstrategier

• Aktiv kjøling (vifter, luftstrøm) for bevegelig luft.

• Reduksjon av luftmotstand for å unngå at vifter strupes.

• Valg og plassering av filter og ventilasjon for ønsket kjøling og partikkelfiltrering.

Kapslingsdesign

• Reduksjon/økning av IP‑grad for å forstå påvirkningen på temperaturene til kritiske komponenter.

• Kontakttrykk mellom komponenter og deler for å forstå konsekvensen av dårlig kontaktkvalitet i en varmeledningsbane.

Avanserte løsninger

• Vannkjøling (cold plate) for å imøtekomme krav til gjennomstrømning og væsketemperatur for å oppnå ønskede komponenttemperaturer.

• Optimalisering av intern layout for å forstå om temperaturforbedringen er verdt redesign, som for aktiv eller passiv kjøling.

• Effekt, konfigurasjon og samspill mellom flere enheter i samme miljø som kan optimaliseres mot krav til tvungen kjøling, nærhet eller varmeoverføring.

Dette gir et godt beslutningsgrunnlag for å optimalisere produktdesignet før videre investeringer i prototyper og produksjon, som kan være avgjørende for suksessen til ditt produkt. Er du nysgjerrig på hvordan du skal finne riktig simuleringspartner? Denne guiden gir deg innsikt i hva du må tenke på når du skal velge partner, og hvordan dere bør jobbe for å oppnå suksess.