Thermische Optimierung während des Leiterplattendesigns

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Die richtige Optimierung der Antwortfläche RSO

Mit Hilfe aller 50 in der DoE berechneten Experimente wird eine sogenannte Antwortfläche („Response Surface“) berechnet. Die RSO passt eine Antwortfläche an die Daten an und prognostiziert mathematisch das optimale Design. Die Durchführung der RSO erfordert ein bis zwei zusätzliche Minuten. Für diese cPCI-Karte gelten für jede RSO-Optimierung die folgenden Ausgabebedingungen:

• Fall 1: Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur für U8 beträgt 100 °C.

• Fall 2: Es werden keine Ausgabebedingungen verwendet.

• Fall 3: Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur für U8 liegt bei 100 °C. Der maximal zulässige Sperrschichttemperaturunterschied zwischen U7 und U8 beträgt 1 °C.

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Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse für jeden untersuchten Optimierungsfall. Sowohl die mathematisch vorhergesagte Optimierung als auch die tatsächlichen Ergebnisse der CFD-Simulationen werden verglichen. Ebenso wird der relative Fehler des vorausgesagten Optimums ausgegeben.

Zusätzlich zum vorhergesagten optimalen Designpunkt erstellt die RSO-Berechnung 2-D-/2,5-D- und 3-D-Plots. Die Plots von Fall 1 dienen hier als Beispiel. Bild 7 zeigt die Sperrschichttemperatur von U8 im Vergleich zur Anzahl der Kühlrippen für jede Kühlrippenhöhe in einem 2,5-D-Plot, inklusive allen weiteren Parametern, die auf den von der RSO vorhergesagten optimalen Wert eingestellt sind.

Bild 8 zeigt einen 3-D-Plot der Sperrschichttemperatur von U8 im Vergleich zur Basislänge und Basisbreite. Diese Plots helfen, ein Verständnis für die Sensitivität des Designs hinsichtlich der unterschiedlichen Eingabevariablen zu erlangen. Das Beispiel zeigt, dass eine Verlängerung der Basislänge über 35 mm weniger effektiv ist als eine Vergrößerung der Basisbreite.

In dieser Fallstudie prognostizierte die RSO für U8 eine Sperrschichttemperatur von 100 °C. Dies war auch der in den Ausgabebedingungen verwendete Wert. Das Ergebnis der CFD-Simulation zeigte jedoch während des Betriebs eine Sperrschichttemperatur von 102,6 °C. Um die Ausgabebedingungen zu erfüllen, wären weitere Verfeinerungen durch zusätzliche DOE-Simulationen erforderlich. Die optimale RSO-Basisbreite für Fall 1 und Fall 2 beträgt 40 mm. Dies ist der maximale Wert im zulässigen Bereich.

Zusätzlicher Spielraum und ein verbessertes Design sind möglich, wenn das Maximum der Basisbreite vergrößert wird. Wenn bei bestimmten Simulationen mehrere Änderungen erlaubt sind, helfen die 2-D/2,5-D- und 3-D-RSO-Plots die Sensitivität des thermischen Designs hinsichtlich einzelner Eingabevariablen zu verstehen. Dieser CFD-Optimierungsprozess zeigt, welche Variablen für das Design wichtig sind und welche nicht.

* John Wilson arbeitet als Applikationsingenieur bei Mentor Graphics in Wilsonville, USA.

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