Het belang van thermisch ontwerp

De afgelopen jaren ging het bij elektronicakoeling vaak over computers en tv’s. De laatste tijd zien we de focus verschuiven naar smartphones, tablets, smartwatches en andere wearables. Maar eigenlijk speelt koeling bij alle technologietrends: bij ledverlichting, bij vermogenselektronica in auto’s, snelladers en zonnecellen, bij datacentra en bij telecomapparatuur voor 5g.

Overal waar we energie opslaan of omzetten, komt een deel vrij als warmte. Door toenemende miniaturisatie en oplopende performanceverwachtingen leidt dit tot hogere temperaturen – met impact op de prestaties, maar zeker ook op de betrouwbaarheid, levensduur en veiligheid. Voor veel ontwikkelaars is het temperatuurbeeld van hun product iets dat ze overkomt, en iets dat ze pas zien als ze alles in hardware en software hebben gerealiseerd en getest. Problemen zijn dan vaak moeilijk te lokaliseren, laat staan dat er nog gelegenheid is voor een kosteneffectieve oplossing.

Computersimulatie

Een typisch product heeft meerdere parallelle warmtepaden, met meerdere stappen in elk pad. Elke stap is een warmteweerstand. Een hoge temperatuur is het gevolg van een grote warmtedissipatie of een hoge warmteweerstand van het pad naar de omgeving. De dissipatie is een direct gevolg van de elektronische performance, en is doorgaans niet te verkleinen zonder die performance aan te tasten. Het is dus zaak om de warmteweerstanden voldoende laag te houden.

Het mechanische productontwerp bepaalt de grootte van de warmteweerstanden. Bij sommige ontwerpparameters kan de warmteweerstand hoog uitpakken en kan de warmte niet goed wegvloeien, met een hoge temperatuur tot gevolg. Bij een andere keuze kan de warmteweerstand juist laag zijn en de temperatuur minder hoog. Als in een pad een of meerdere weerstanden hoog zijn, dan belemmert dit de warmteafgifte, met als gevolg een hoge temperatuur bij de warmtebron. Als die bron bijvoorbeeld een processor is met geheugen aan boord, kan dat op zijn beurt leiden tot functionele problemen. In het ideale geval bestaat elk warmtepad van bron naar omgeving uit een aaneenschakeling van lage warmteweerstanden.

 advertorial 

Device lifecycle management for fleets of IoT devices

Microchip gives insight on device management, what exactly is it, how to implement it and how to roll over the device management during the roll out phase when the products are in the field. Read more. .

Sommige warmteweerstanden hangen samen met lucht of infraroodstraling en zijn dus onzichtbaar. De combinatie van meerdere paden met deels onzichtbare warmteweerstanden maakt het moeilijk om alle bronwarmte door een keten van kleine warmteweerstanden af te laten vloeien naar de omgeving. Een gedegen thermisch ontwerp helpt om warmteproblemen te voorkomen. Dat begint met het inventariseren van de eisen, de gebruikscondities en de grootte en locatie van de warmtebronnen, en voorziet daarna in samenhang met het mechanisch design in een robuuste oplossing voor warmteafvoer.

Voor het conceptontwerp kunnen we in eerste instantie doorgaans volstaan met handmatige berekeningen en afschattingen. Dit heeft als voordeel dat vaak meteen duidelijk wordt wat de belangrijkste parameters zijn die het temperatuurgedrag van het product beïnvloeden. Voor complexere producten wordt in de architectuurfase en zeker ook in de implementatiefase steeds meer gebruikgemaakt van computersimulaties. In grote lijnen hebben we daarbij de keuze tussen eindige-elementenmethodes (fem) en simulaties met computational fluid dynamics (cfd). Voor luchtgekoelde producten, zeker die zonder ventilator, verdient het gebruik van cfd de voorkeur, omdat deze techniek ook invloedrijke factoren als luchtstroming en de opwarming van de koellucht meeneemt.

Met een computersimulatie kunnen we het ontwerp tot in detail doorrekenen. In de meeste gevallen ligt de ware kracht echter in de mogelijkheid om in de architectuurfase een reeks van numerieke experimenten in te zetten waarmee we zonder de kosten en het tijdsbeslag van hardwarerealisatie de oplossingsruimte kunnen verkennen en de juiste ontwerprichting kunnen kiezen. Hierna volgt dan de detailimplementatie.

Realistisch beeld

Als voorbeeld nemen we het thermisch ontwerp van een box in een automotivetoepassing. Het conceptdesign bestaat uit een afgesloten kunststof omhulling met daarin een elektronicaprint. Een belangrijke eis is dat in een ongeventileerde omgeving van 85 graden Celsius de componenttemperatuur maximaal 125 graden Celsius bedraagt. Uit een eerste cfd-simulatie blijkt dat de gedachte conceptuitvoering op problemen kan rekenen. Meerdere ic’s komen boven de temperatuurlimiet van 125 graden Celsius uit, de heetste component zelfs vijftig graden boven specificatie (Figuur 1).

In dit product zijn de ontwerpparameters voor de warmteweerstanden gegeven door de afmetingen en het materiaal van de box, het ontwerp van de print en de montage in de omhulling. Als we de afmetingen van de box en het ontwerp van de print als vaststaand beschouwen, houden we als keuzeparameters over: het materiaal van de box, en dan met name de mate van warmtegeleiding (bij kunststof 0,2 W/mK, bij thermisch geleidende kunststof 2 tot 15 W/mK, bij diecast aluminium 130 W/mK), het gebruik van thermische componenten, een heatsink of een thermisch geleidende gap pad tussen print en box, alleen op de heetste component (IC7) of over de gehele hete zone, en de warmtegeleiding in de print zelf. Omdat de gebruikseisen geen specifieke oriëntatie voorschrijven, rekenen we de box door in horizontale en verticale stand.

We bekijken hier twaalf virtuele realisaties van het ontwerp (Figuur 2). In het oorspronkelijke conceptontwerp is IC7 vijftig graden boven specificatie en zijn ook IC3 tot en met IC6 allemaal boven spec (scenario 0). Met de box verticaal georiënteerd is het iets minder erg (scenario 1). Een heatsink op IC7 blijkt geen oplossing (scenario 2). Toepassing van een kleine gap pad in combinatie met een kunststof box werkt evenmin, niet bij een gewone kunststof (scenario 3), niet bij een warmtegeleidende kunststof (scenario 4, 5 en 6) en niet als de print zelf beter geleidt (scenario 7). Ook een grote gap pad naar een box van thermisch kunststof voldoet niet (scenario 8). Een kleine gap pad naar een diecast box blijkt IC7 wel voldoende te koelen, maar IC3 niet (scenario 9).

Als meest robuust komt uiteindelijk naar voren een diecast aluminium box met een gap pad over de gehele hete zone. Deze oplossing blijft zowel in horizontale als in verticale oriëntatie binnen de temperatuurlimieten (scenario 10 respectievelijk 11). Doordat cfd-simulatie in tegenstelling tot fem ook de temperatuur en snelheid van de langsstromende lucht berekent, krijgen we een realistisch beeld van de warmteafgifte naar de omgeving (Figuur 3).

Zonder meetruis

Dit voorbeeld toont het belang van een goed thermisch ontwerp en een methodische benadering. Het oorspronkelijke design kwam maar liefst vijftig graden Celsius boven de gestelde limiet uit. Een heatsink zou enkel een warmteweerstand verkleinen in een pad dat al een grote andere warmteweerstand heeft. Door de ontwerpparameters juist te kiezen, kunnen we in het warmtepad van de ic’s op de print twee warmteweerstanden verkleinen: eerst de weerstand van de ic’s in de hete zone naar de box door toepassing van een gap pad van voldoende grootte en vervolgens de weerstand van de box naar de omgeving door vergroting van het warmteafgevende oppervlak middels materiaal met een hoge warmtegeleidingscoëfficiënt.

Om een goed thermisch ontwerp te kunnen maken, zijn kennis en tools nodig waarmee we de oplossingsruimte op een gestructureerde manier kunnen verkennen. Als we eenmaal een computermodel hebben gebouwd, kunnen we variaties zeer eenvoudig doorrekenen, zonder de kosten en het tijdsbeslag van experimenten in hardware én zonder meetruis. Waar in hardware-experimenten meerdere metingen nodig kunnen zijn om de betrouwbaarheid van het resultaat te garanderen, volstaat in geval van een numeriek experiment een enkele berekening. Uiteindelijk moeten we het resultaat nog wel in hardware valideren, maar daar zijn geen verrassingen meer te verwachten.