Was Simulationssoftware für das Wärmemanagement bringen kann

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Im Beispiel laden wir den IGBT mit 6 kW Verlustleistung und erwarten hier ein ΔT von 51 K. Nachdem die Kühlplatte mit dem Mäander aus dem CAD oder per Designoberfläche in 6SigmaET aufgebaut und mit einem Materialwert von 210 W/mK für das bei Fischer Elektronik genutzte Aluminium definiert wird, schließen wir eine virtuelle Pumpe mit 10 l/min Fördermenge und einem Wasser/Glykol-Gemisch im Verhältnis 60/40 an.

Natürlich berücksichtigt die Simulation auch die Wärmeabfuhr durch Luftkonvektion und Strahlung außerhalb der Kühlplatte. Diese beiden Wärmewege spielen allerdings in der gegebenen Situation eine sehr untergeordnete Rolle – die Kühlleistung der Flüssigkeitsströmung übernimmt hier die Hauptaufgabe.

Nach ca. 10 Minuten Rechenzeit mit einem 64-Bit-Laptop erhält man eine thermische Darstellung wie in Bild 3 zu sehen. Dieser thermische Gradient bestätigt, dass unser Ersatzmodell in der Simulation mit 50,4 K gut genug an den theoretischen Wert heranreicht und wir die Variantenstudie mit den unterschiedlichen Interfacedaten starten können.

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Thermische Simulation für Elektroniksysteme

Konnte bisher die eine oder andere fehlende Funktionalität in der Simulationssoftware 6SigmaET durch Alpha-Numerics kompensiert werden, liefert die Version 7 nun die gesamte Funktionsbreite zum selben Preis. Zu den Highlights der Version 7 zählen die Möglichkeiten, thermische Widerstandsnetzwerke inklusive Kapazitäten nach JEDEC für eingeschwungene sowie transiente Betrachtungen zu definieren, solare Temperaturlasten auf Outdoor-Applikationen aufzuprägen sowie von metallischen CAD-Strukturen bis hin zu Leiterbahnen durch eine Bestromung (Potenzialunterschied – errechnet durch Ampere- und Voltvorgaben) eine Wärmelast zu berechnen. Damit ist 6SigmaET (ET steht für Electronic Thermal) jetzt in jeglichem Elektroniksektor nutzbar, um von der Skizze bis hin zum detaillierten 3-D-Modell die Temperaturbelastung vor dem Bau des eigentlichen Prototypens zu verifizieren.

Eine Variantenstudie mit drei Analysebeispielen

Um die Studien realistisch zu halten, wird die 50-µm-Variante mit Paste bei 10 W/mK simuliert, da in der Praxis meist diese Dicke für Paste vorgegeben wird. Bei höheren Schichtdicken zeigt die Erfahrung, dass man am besten von einem Pad mit 2 W/mK ausgeht.

Das Ergebnis in Bild 4 (Tabelle) verdeutlicht die Temperaturwerte der mittleren Komponente. Es ist in der Studie 1 sehr gut zu erkennen, dass die Simulationswerte mit der Theorie zusammenpassen. In dieser wird davon ausgegangen, dass bei gleichbleibendem Wärmeleitwert (Beispiel Pad, 2 W/mK) die durch das Pad erzeugte Temperaturdifferenz mit Verdoppelung der Dicke sich auch verdoppelt.

Bei Betrachtung der Werte ΔT ist, um diese Theorie nachzuvollziehen, die bisherige Temperaturdifferenz aus dem Bild 4 von 51 K abzuziehen! Die Studie 2 zeigt, dass eine Verdoppelung der Wärmeleitfähigkeit den thermischen Widerstand halbiert, dies aber bei einer 50 µm Paste kaum zum Tragen kommt. Bei einem 2-mm-Pad wie in Studie 3 (Temperaturen sind so sicher nicht in der Praxis nutzbar – aber gut für den Einblick in diesen Effekt) kann dieser Wärmeleitwert aber einen sehr großen Einfluss haben.

Fazit: Beachtet man, dass eine Wärmeleitpaste ausschließlich die Oberflächenrauigkeit überbrücken muss und man diese Paste sehr dünn aufträgt, ist der Wärmeleitwert kaum von Belang – Hauptsache, es gibt keine Lufteinflüsse mit 400-mal schlechterem Wärmeleitwert. Muss man größere Maßtoleranzen durch ein Pad überbrücken, ist der Wärmeleitwert ausschlaggebend für eine gute Wärmebrücke.

Nicht in dieser Studie enthalten, aber für die Praxis wichtig zu wissen: Als dritter Faktor in dieser Gleichung zählt die Fläche, mit welcher eine Leistungskomponente an die Kühlsenke angeschlossen wird.

Auch hier führt eine Verdoppelung der Fläche zu einer Halbierung des thermischen Widerstandes.

* * Tobias Best ist geschäftsführender Gesellschafter bei Alpha-Numerics in Nastätten.

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