Thermische Optimierung während des Leiterplattendesigns

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Siemens EDA

Statistische Versuchsplanung (DoE)

Vor der Optimierung werden mit der FloTHERM Command Center DOE-Option 50 Simulationsmodelle für die CFD-Analyse erstellt. Für diese Studie werden die folgenden Eingabeparameter verwendet: Anzahl der Kühlrippen Basis 7, min. 6, max. 12; Höhe der Kühlrippen Basis 12 mm, min. 6 mm, max. 13 mm; Basisdicke 2 mm, min. 1 mm, max. 3 mm; Basisbreite 25 mm, min. 25 mm, max. 40 mm; Basislänge 25 mm, min. 25 mm, max. 35 mm.

Zusätzliche Vorgaben während der DOE sind:

• Eine Zwangsbedingung, die die maximale Höhe des Kühlkörpers auf 15,5 mm beschränkt (Fälle 1 bis 3).

• Lineare Zwangsbedingungen, die gewährleisten, dass die Kühlkörper von U7 und U8 zentriert auf den entsprechenden Komponenten bleiben, wenn sich die Grundmaße des Kühlkörpers verändern (Fälle 1 bis 3).

• Lineare Zwangsbedingungen, die gewährleisten, dass alle Dimensionen von Kühlkörper auf U7 identisch mit denen von Kühlkörper auf U8 sind. Die Kühlkörper sind also identisch. (Fälle 1 bis 2).

• Lineare Zwangsbedingungen, die gewährleisten, dass alle Dimensionsparameter von Kühlkörper auf U7 mit Ausnahme der Kühlrippenhöhe identisch mit denen von Kühlkörper auf U8 sind, also die gleiche Extrusion haben (Fall 3).

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Bild 3 zeigt für Fall 1 und 2 die Verteilung der Eingabeparameter im Designrahmen. Für Fall 3 wurde eine separate DoE durchgeführt, bei der die Kühlrippenlängen für beide Kühlkörper auf U7 und U8 unabhängig voneinander variieren durften (Bild 4).

Nachgelagerte Komponenten werden naturgemäß heißer als vorgelagerte. Ihre Kühlrippen müssen deshalb länger sein, um eine vergleichbare Leistungsfähigkeit zu erreichen. Dem Programm kann für die Simulationen eine Auswahl unterschiedlicher Rippenlängen vorgegeben werden.

Eine Eingabebedingung ist zum Beispiel, dass die Basis des Kühlkörpers eine bestimmte Breite und die Kühlrippen eine bestimmte Länge haben müssen. Zwangsbedingungen für Ausgabegrößen können ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel, dass die Zieltemperatur unter einem bestimmten Wert liegen muss.

Die Ergebnisse der Simulation sind in den Bildern 5 und 6 dargestellt. Aus diesen Ergebnissen lässt sich unmöglich das optimale Design bestimmen, aber sie zeigen die Spanne der erreichbaren Ausgangsbereiche. Um die 50 Designs zu analysieren, benötigt die Software ungefähr 30 Minuten.

Der nächste Schritt im Optimierungsprozess ist die Durchführung der RSO (Response Surface Optimization).

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