Physikalische Simulation Wärme in den Griff bekommen: Effizienter kühlen durch numerische Simulation

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Die Kontrolle des Wärmetransports spielt in der Elektronikentwicklung eine entscheidende Rolle. Je detaillierter und realitätsnaher Entwickler ein elektronisches Gerät modellieren können, desto besser das Endprodukt. Dabei muss Simulation nicht kompliziert sein.

Das Wärmemanagement spielt im modernen Elektronikdesign eine Schlüsselrolle. Das Verständnis und die sorgfältige Kontrolle der Wärmetransportprozesse, die sich auf die Geräteleistung auswirken, sind von entscheidender Bedeutung. Ein Temperaturanstieg, der durch Effekte wie die Joulesche Erwärmung verursacht wird, kann zum Ausfall von Komponenten führen, wenn er nicht angemessen überwacht und gesteuert wird. Bei richtiger Anwendung kann die Simulation hier wertvolle Hilfe leisten.

Die primären Mechanismen, die im Allgemeinen den Wärmetransport während eines Prozesses oder in einer Komponente bestimmen, sind Konduktion (Wärmeleitung) und Konvektion. Konduktion findet in festen Komponenten wie Motoren und Drähten statt, während Konvektion in Bereichen mit Strömungen auftritt, beispielsweise in einem offenen Raum, in dem Luft um eine Wärmequelle strömt. Konvektion wird oft durch Lüfter erzwungen, und Kühlkörper nutzen Konvektion, um Energie von temperaturempfindlichen Bereichen abzuleiten.

Wie sich Konduktion und Konvektion unterscheiden

Konduktion ist das Ergebnis der Energieübertragung durch Elektronenbewegung und Molekülschwingungen und tritt in festen oder flüssigen stationären Medien auf, wenn ein Temperaturgefälle vorhanden ist. Das Fourier-Gesetz besagt, dass der Wärmestrom proportional zum Temperaturgradienten multipliziert mit der Wärmeleitfähigkeit ist.

Die konvektive Abkühlung an einer Oberfläche wird durch die Bewegung des Fluids und die damit verbundene Energieübertragung hervorgerufen. Man spricht von erzwungener oder freier (natürlicher) Konvektion, wenn die Fluidströmung durch äußere Einwirkungen oder Auftriebskräfte hervorgerufen wird. Das Newtonsche Abkühlungsgesetz, das als Randbedingung für Konvektionsprobleme verwendet wird, definiert die Konvektionswärmeübertragungsrate.

Zusätzlich kann Strahlung zum Wärmetransport eines Objekts beitragen. Sie findet zwischen opaken (undurchsichtigen) Oberflächen unterschiedlicher Temperatur mit oder ohne weitere beteiligte Medien statt. Die Nettorate des Strahlungswärmetransports einer Oberfläche wird durch die Differenz zwischen der von ihr emittierten und der von ihr empfangenen Strahlung bestimmt.

Alle diese Arten des Wärmetransports können gleichzeitig auftreten und müssen bei den meisten Anwendungen des Wärmemanagements von elektronischen Bauelementen berücksichtigt werden.

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Numerische Simulation für die Elektronik-Entwicklung

Die numerische Simulation ist zu einem weit verbreiteten Werkzeug für den Entwurf elektromagnetischer Geräte geworden. Durch die Entwicklung realitätsnaher multiphysikalischer Modelle kann der Bedarf an teuren und zeitaufwändigen physischen Prototypen erheblich reduziert werden, was die Markteinführungszeit verkürzt und die Produktqualität verbessert. Es wird empfohlen, die Simulation mit wenigen Prototypen zur Evaluierung des Modells zu kombinieren. Damit lässt sich sicherzustellen, dass die Simulationsergebnisse der Realität entsprechen.

Herkömmliche thermische Analysen erfolgen oft mit vereinfachten Modellen, welche die Komplexität realer Situationen nicht vollständig erfassen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Multiphysik-Simulation eine vollständige und detaillierte Darstellung der Wärmetransportprozesse. Mit ihr lässt sich das gesamte Wärmetransportverhalten einschließlich der Wechselwirkungen zwischen Konduktion, Konvektion und Strahlung simulieren. Je nach Zielsetzung der Simulation können weitere Effekte wie thermische Deformation, induktive Erwärmung oder Kondensationskühlung einbezogen werden. Für Elektronikentwickler bedeutet die uneingeschränkte multiphysikalische Simulation maximale Freiheit, wenn alle als relevant erachteten Prozesse berücksichtigt werden müssen.

Fallbeispiel: Aktive Kühlung eines Netzteils

In einer Fallstudie wird das thermische Verhalten eines Computernetzteils simuliert, das mit einem Lüfter und einem Lochgitter gekühlt wird. Das Computernetzteil besteht aus einem Aluminiumgehäuse, in dem verschiedene Komponenten wie eine Leiterplatte, Kondensatoren, Induktivitäten und Transistoren untergebracht sind. Die Transistoren stehen in direktem Kontakt mit einem Kühlkörper aus Aluminium, um eine effizientere Wärmeübertragung zu ermöglichen. Bei einer maximalen Leistungsaufnahme von 230 W beträgt der Gesamtwärmeverlust 41 W, was einem Wirkungsgrad von etwa 82 Prozent entspricht.

Die multiphysikalische Simulation der Stromversorgung unter Betriebsbedingungen ermöglicht die Analyse des thermischen Verhaltens und liefert Temperaturinformationen für jeden Punkt der Komponente. Unterschiedliche Betriebsbedingungen und Konstruktionsänderungen können leicht im Modell berücksichtigt werden, ohne dass ein physischer Prototyp hergestellt werden muss. Beispielsweise kann die Anordnung der Kühlrippen oder die Leistung des Lüfters angepasst werden. Dies ermöglicht es den Entwicklern, effizientere Kühlstrategien zu untersuchen und zu bewerten, was zu einer Verbesserung der Gesamtleistung und einer Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils führen kann.

Simulations-Apps helfen bei der Arbeit

Nur wer in der Lage ist, ein entsprechendes Modell zu erstellen, kann von den genannten Vorteilen des Simulationseinsatzes profitieren. Die Zahl der Simulationsspezialisten ist jedoch begrenzt und in vielen Unternehmen sind die Simulationsteams zu klein, um den Bedarf an Modellen und Berechnungen zu decken. Eine Lösung für dieses Engpassproblem sind sogenannte Simulations-Apps, die mit geringem Aufwand auf Basis eines Modells erstellt werden können. Vereinfacht ausgedrückt sind Simulations-Apps spezialisierte Benutzeroberflächen, welche die Komplexität des zugrundeliegenden Modells verbergen und es jedem Nutzer ermöglichen, eine spezifische Simulation auszuführen.

Damit erweitert sich der Nutzerkreis eines Modells auf Kollegen, Mitarbeiter oder Kunden und ermöglicht es beispielsweise, verschiedene Parameter eines Problems schnell zu testen, ohne das Simulationsmodell und seine Struktur im Detail zu kennen.

Effizient und leistungsfähig mit Multiphysik-Simulation

Die Multiphysik-Simulation bietet ein effizientes und leistungsfähiges Werkzeug, um das Wärmemanagement in elektronischen Komponenten zu verbessern. Dank der Modellierung der verschiedenen Wärmetransportprozesse und ihrer Wechselwirkungen erfolgt eine genaue und detaillierte Analyse der thermischen Leistung eines Geräts. Elektronikentwickler sind in der Lage, effizientere Kühlstrategien zu designen was gleichzeitig dazu beiträgt, die Lebensdauer der Geräte zu verlängern und ihre Zuverlässigkeit unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu verbessern.

Der Einsatz von Simulations-Apps erweitert den Kreis derer, die direkt mit Simulationen arbeiten und davon profitieren können. Hochkomplexe Modelle werden für jedermann zugänglich, und die Simulation wird auf natürliche Weise in den Entwicklungsprozess integriert, der durch die Verringerung der Zahl der benötigten Prototypen wesentlich effizienter wird.

Die multiphysikalische Simulation ermöglicht somit das Verständnis und die Beherrschung komplexer thermischer Szenarien und ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Optimierung des Wärmemanagements in der Elektronikindustrie. Dies wird uns in die Lage versetzen, die thermischen Herausforderungen, mit denen wir in einer Welt konfrontiert sind, die zunehmend von zuverlässiger und effizienter Elektronik abhängt, besser zu bewältigen.

* Dr. Phillip Oberdorfer ist Manager Technical Marketing bei Comsol Multiphysics in Göttingen.

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