Thermosimulation Entwicklungsbegleitende CFD-Analyse – ist das möglich?

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Die Vision einer „One-Button-Solution“ mit dem Namen „Thermal Solve“ treibt die Entwicklungen in der Wärmesimulation. Hier gibt es verschiedene Lösungsansätze. Was bieten Simulationstools mit Fokus auf die Elektronik-Geräteentwicklung?

Im Laufe der letzten 25 Jahre mauserte sich die CFD-Software von einem kaum anwendbaren akademischen Algorithmus der Wissenschaft zu einem in der Elektronikentwicklung täglich einsetzbaren Analysewerkzeug. Die Abkürzung CFD steht für Computational Fluid Dynamics, was so viel heißt wie „Berechnung und Vorhersage des Temperaturverhaltens und der Fluidbewegung in einem fest bestimmten Berechnungsraum, beispielsweise einer Klimakammer.

Dabei wurde die Leistung solcher Software meist nur von der am Markt verfügbaren Hardware und den Möglichkeiten des Betriebssystems (erst 16 Bit, dann 32 Bit und nun 64 Bit) eingeschränkt. Die Vision, eine „One-Button-Solution“ mit dem Namen „Thermal Solve“ zu generieren, wurde zum Treiber dieser Industriesparte.

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Viele Lösungsansätze sind hierzu auf dem Markt zu finden. Die Einen schwören auf die 100%ige Integration dieser Analysefunktion in ihrer CAD-Welt, andere versprechen eine virtuelle Werkbank verschiedener Analysewerkzeuge, welche auf nur ein Urmodell zurückgreifen. Dritte bieten Werkzeuge mit umfangreicher Anbindung in die CAD- (Konstruktion) und EDA-Welt (PCB-Routing) an und konzentrieren den Fokus auf die Aufgabenstellung – die Temperatur- und Strömungsberechnung.

Diese dritte Art der Analysewerkzeuge zeichnet sich durch ihren Schwerpunkt auf einfache Bedienbarkeit, effiziente industriespezifische Modellierungsmöglichkeiten sowie stabile und schnelle Berechnung aus. Hier ist im Speziellen die Software CelsiusEC, bisher bekannt als
6SigmaET, zu nennen.

CelsiusEC ist ein branchenspezifisches CFD-Simulationswerkzeug. Dies bedeutet, dass sich alle Modellierungsmöglichkeiten, alle Automatismen sowie selbst der CFD-Solver sich auf die Aufgabenstellung für Entwickler im Elektronik-Gerätesektor konzentrieren.

Die Kunst besteht darin, den Mix aus Automatismen, Integration und Solverleistung so zu komponieren, dass ein ausgebildeter Ingenieur binnen weniger Stunden zu aussagekräftigen Simulationsergebnissen über den thermischen Charakter seines Produktes kommt.

Es gibt keine perfekte Lösung, welche auf alle Anforderungen im gesamten Elektronikumfeld passt, aber durch die stetig wachsende PC-Leistung am Arbeitsplatz wachsen auch künftig die kleinen automatischen Helfer in solch einem Analysewerkzeug, welche es dem Ingenieur immer leichter machen, sein Produkt virtuell fehlerfrei abzubilden.

Waren bisher noch wenige Millionen Lösungszellen an einer Workstation kaum handhabbar, so bieten heutige Systeme mit 64 Bit und Unmengen an Arbeitsspeicher einer starken CPU und GPU und Parallelisierung die Basis, um komplette Elektronikgeräte in CAD-realer Geometrie numerisch aufzulösen und in einer überschaubaren Zeit vollständig zu berechnen.

Smarter Datenaustausch zur Konstruktion: Schnittstellen zu CAD-Systemen

Aber eine tägliche, effiziente Nutzung einer CFD-Software parallel zu den Designänderungen aus der mechanischen Konstruktion und der Hardwareabteilung ist ohne einen smarten Datenaustausch kaum zu realisieren.

Da wir nicht nur von der thermischen Simulation eines Kühlkörpers mit wenigen angebundenen Wärmequellen sprechen, sondern auch detaillierte Geräte mit mehreren detaillierten Leiterplatinen, integrierten Lüftern, Heatpipes und komplexer Gehäusegeometrie analysieren und optimieren möchten, ist ein intelligenter Filter Grundvoraussetzung, um die Datenflut schon beim Import zu bändigen und in eine brauchbare Form zu bringen.

Auch sollten verschiedene Schnittstellen für den CAD-Import bereitgestellt werden. Warum? Ganz einfach, weil eine Step-Datei aus verschiedenen Designtools oft eine sehr unterschiedliche Datenqualität aufweist und dadurch schon gewisse Modellfehler (fehlende Objekte, offene Flächen oder komplett beschädigte Modellgeometrie) mit sich bringt.

Eine gute und qualitativ hochwertige Schnittstelle ist Parasolid, welche zusätzlich neben dem in der Step-Datei übergebenen CAD-Konstruktionsbaum auch die Objektfarben und Materialdaten mit übergibt. Aber auch native Schnittstellen zu allen gängigen Konstruktionswerkzeugen können dem Simulationsspezialisten das Leben erleichtern.

Während des Importvorgangs kann bei intelligenten Schnittstellen ein „Sanity Check und Healing“ vorgenommen werden, was meist die Datenqualität stark verbessert. Ist das CAD-Modell importiert, lässt sich dieses über einen eigenen Editierbereich (ACIS-Kernel) noch den eigenen Bedürfnissen anpassen (über Filter, die komplexe Geometrie vereinfachen oder eventuelle kleine Anpassungen für die angestrebte optimierten Kühlwege).

EDA: Import von Hardwaredaten aus dem Platinendesign

Der Import der Hardwaredaten aus dem Platinen-Design ist weitaus vielschichtiger. Im Gegensatz zur mechanischen Konstruktion ist eine Leiterplatte in ihrer Form nicht erst grob und wird nur feiner und komplexer designed – eine Platine wird über deren Designprozess mehr und mehr in ihrer Funktionsweise vervollständigt (Komponentenauswahl und Routing) und bietet erst mit dem finalen Routing die endgültigen thermischen Kontakte und Wärmewege in ihrem Lagenaufbau. Somit muss ein früher Datenimport Möglichkeiten anbieten, mit wenigen PCB-Details schon ein brauchbares Simulationsmodell aufzubauen.

Ein erstes grobes Platinen-Modell für eine thermische Simulation beinhaltet zum Beispiel nur die Position der Komponenten auf einer geometrisch in ihren Umrissen definierten Leiterplatine (Schnittstellen hierfür: IDF oder STEP) und einer über ein Menü vordefinierten Lagenschichtung (z.B. acht Signallagen á 0,035 mm Dicke mit je 80% Kupferanteil). Mit diesen ersten Annahmen können thermische Simulationen schon Genauigkeiten in der Vorhersage von +/- 5 bis 10% zur späteren Messung erreichen.

Steht aus der Hardwareabteilung schon ein funktionsfertiges Platinenlayout zur Verfügung, lässt sich dieses detailliert via IPC2581- oder ODB++-Schnittstelle mit allen nötigen Details einlesen. Hierdurch können per Mausklick alle Leiterbahnen, Bohrungen, Vias (ob Micro-Vias oder durchgehendes Via, gefüllt oder nur geplated) und platzierte Komponenten direkt in das Simulationsmodell importiert werden. Lediglich der Import (z.B. via CSV-Tabelle) oder die manuelle Vorgabe der Komponentenverluste muss noch vorgenommen werden.

Beinhaltet die Aufgabenstellung der thermischen Simulation auch die spezielle Erwärmung von höher bestromten Leiterbahnen, muss lediglich der Ein- und Ausgang der Stromquelle für die Joulsche Wärmeberechnung manuell definiert werden.

Fazit: Durch diese Interface-Möglichkeiten spart sich der Simulationsexperte mehrere Stunden beim Modellaufbau. Viele Details lassen sich per Mausklick direkt in ein Simulationsmodell übernehmen. Änderungen während der Design-Phase aus der Konstruktion werden vom Interface erkannt und bei erneutem Import im Simulationsmodell ausgetauscht. Vernetzungseinstellungen sowie Materialdaten bleiben bestehen.

Somit ist die Frage, ob eine entwicklungsbegleitende CFD-Simulation mit den heutigen Tools erreicht werden kann, klar zu bejahen. (kr)

* Tobias Best ist Geschäftsführer von Alpha-Numerics in Nastätten.

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