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CFD-Simulation

Thermische Optimierung während des Leiterplattendesigns

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Anbieter zum Thema

ABM Asset and Business Management AG
CTX Thermal Solutions GmbH
Siemens EDA

Optimierung eines Kühlkörpers für eine cPCI-Karte

Das folgende Beispiel beschreibt, wie das CFD-Modell einer cPCI-Karte mit zwei Kühlkörpern konstruiert und analysiert werden kann. CompactPCI (cPCI) ist ein leistungsfähiger industrieller Bus auf Basis der Standard-PCI-Spezifikationen mit robusten Eurocard-Baugruppen in 3HE oder 6HE. Ziel ist es, die Kühlkörper auf den mit den Referenzbezeichnern U7 (vorgelagert) und U8 (nachgelagert) versehenen ICs unter drei separaten Zielfunktionen zu optimieren:

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  • Fall 1: Die Verringerung der Kühlkörpermasse wirkt sich auf ihre Kosten aus, kleiner und leichter ist besser.
  • Fall 2: Wie niedrig können die Bauteiltemperaturen werden?
  • Fall 3: Wie können die Temperaturunterschiede zwischen den Bauteilen verringert werden, da elektronische Bauteile und -gruppen mit gleicher Temperatur zuverlässiger arbeiten?

Die Leiterplatte wird mit den folgenden Randbedingungen simuliert: Die Strömungsrichtung ist in Bild 1 dargestellt; Höhe: Normal Null (Meeresspiegel); Umgebungstemperatur: 55 °C; vorgelagerte Geschwindigkeit: 2 m/s; Slot-Pitch: 0,8 Zoll.

Die Leiterplatte wird wie folgt definiert: Lagenaufbau: 2S2P; Abmessungen der Leiterplatte: 100 mm x 160 mm; Leiterplattendicke: 1,6 mm; Gesamtleistung: 22,5 W. Bild 2 zeigt das Layout der Leiterplatte.

U7 (vorgelagert) und U8 (nachgelagert) werden als thermische 2R-Kompaktmodelle dargestellt, die anderen Komponenten als vereinfachte Modelle mit gleichmäßiger Verlustleistungsverteilung. Die für das Kühldesign relevanten spezifischen Parameter sind: RJC: 0,5 K/W; RJB: 20 K/W; TIM: 0,5 K in2/W; Kühlkörpermaterial: 201 W/mK.

Für die cPCI-Karte werden nun unterschiedliche Szenarien durchlaufen, um folgende Fälle zu analysieren:

  • Fall 1: Die Masse der identischen Kühlkörper U7 und U8 wird verringert, um die Sperrschichttemperatur von U8 auf 100 °C zu halten.
  • Fall 2: Verringerung der Sperrschichttemperatur von U8. Die Kühlkörper U7 und U8 sind identisch.
  • Fall 3: Verringerung der Masse der Kühlkörper U7 und U8. Die Kühlkörper haben den gleichen Basiskörper mit unterschiedlichen Kühlrippenlängen. Dies hält die Sperrschichttemperatur von U8 auf 100 °C. Zusätzlich muss der Sperrschichttemperaturunterschied von U7 und U8 auf 1 °C begrenzt werden.

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