Potřebujete simulovat teplotu čipu, součástek, DPS nebo celého zařízení?

Se stále se zmenšující velikostí prostoru, do kterého dnes bývají elektronická zařízení umístěna, roste i požadavek na analýzu teplot jednotlivých součástek, desek plošných spojů i celého zařízení při daných pracovních podmínkách. Simulovat správně teploty nelze bez simulací přenosu tepla v daném prostředí a proudění okolního média, to znamená s použitím CFD softwaru (Computational Fluid Dynamics).

Taková simulace již vyžaduje 3D model simulovaného prostředí a software, který v rukách vývojáře-elektronika může pokud možno jednoduše a rychle analýzu provést. Důležitá je také možnost jednoduše výsledky interpretovat, aniž by byl uživatel expertem na dané úlohy. V této souvislosti se nabízejí dva programy vhodné pro tento účel - FloEFD a FloTHERM od společnosti Mentor, a Siemens business.

Program FloEFD

FloEFD je 3D CFD software určený pro obecné analýzy proudění tekutin, s kterými jsou spojeny i analýzy teploty a přenosu tepla. Je dodáván jako nadstavba k obvyklým 3D MCAD programům, jako jsou Creo, CATIA V5, Siemens NX a Solid Edge. Pokud někdo ještě nemá 3D MCAD program, potom lze získat FloEFD s integrovanou OEM verzí SolidWorks, která ovšem nemá všechny funkce plné verze SolidWorks. Použití FloEFD v podobě nadstavby má výhodu v tom, že simulace probíhá přímo na 3D modelu vytvořeném v daném MCAD programu (není potřeba 3D model přenášet z jiného programu).

Obr. 1 Parametrická studie teplotních poměrů v zařízení s pomocí FloEFD v Solid Edge

Mohlo by se zdát, že ovládání a vyhodnocení výsledků simulací velmi výkonného simulačního nástroje, jakým FloEFD je, vyžaduje experta z oblasti proudění tekutin, ale není tomu tak. Rychlé a automatické vytvoření sítě (meshing), stejně jako další vlastnosti programu, umožňují velmi dobře, aby s programem pracoval přímo uživatel 3D MCAD systému i bez předchozích znalostí teplotních simulací.

programu FloEFD lze přidat i několik modulů pro řešení specifických úloh, jako jsou LED osvětlení, chlazení elektroniky či návaznost na návrhové systémy desek plošných spojů atd. Další moduly, např. modul HVAC pro simulace rozložení teplot v obyvatelném prostředí (byty, domy, letadla, ...) nebo modul pro teplotní simulace při proudění až do rychlostí 30 Mach, jsou již zaměřeny poněkud jiným směrem, než je téma tohoto článku.

LED modul umožňuje simulovat osvětlovací aplikace, a to nejenom s LED komponenty. Obsahuje modely pro simulaci vyzařování, pracuje s pohlcením záření v průhledných materiálech a bere v úvahu lom světla, například v čočkách. Pro LED součástky obsahuje navíc unikátní modely s údaji, které jsou pro ně charakteristické (junction temperature, hot lumen atd.).

Obr. 2 Simulace teplotních poměrů LED svítidla v programu FloEFD s LED modulem

Modul pro chlazení elektroniky (Electronics Module) může simulovat teplotní poměry v elektronických systémech velmi detailně, protože bere navíc v úvahu různé speciální záležitosti (Joule heating, 2-Resistor components atd.) a obsahuje rozšířenou databázi materiálů.

Modul FloEDA Bridge umožňuje načtení desek plošných spojů vytvořených v programech Xpedition (Mentor), Allegro (Cadance), CR-8000 (Zuken) a Altium. Kromě obvyklých informací o desce importuje i údaje o materiálu, sestavách desek (Delphi model) a vymezených teplotních regionech na deskách.

Na webových stránkách výrobce programu FloEFD je k dispozici ke stažení (PDF) podrobnější popis.

Program FloTHERM

Zatímco FloEFD je obecný simulátor, který lze využít i v oblastech zcela mimo obor elektroniky, FloTHERM je specializovaný program pro detailní simulace teplotních poměrů elektroniky – od teplot čipů, součástek, desek plošných spojů až k celým systémům včetně datových center a skříní. Jedná se o samostatný 3D CFD program, do kterého se 3D model načítá z 3D MCAD programů. Podle zaměření simulací je k dispozici několik verzí programu: FloTHERM XT (kompletní simulace chlazení v elektronice), FloTHERM PCB (simulace na deskách plošných spojů), FloTHERM Pack (simulace zapouzdřených IO), které mají ještě řadu dílčích částí podle povahy analýz.

Obr. 3 Použití simulačních programů FloTHERM – od čipu až ke kompletnímu zařízení

Pro předpověď teploty přechodu čipu (junction temperature) lze využít FloTHERM, FloTHERM XT i FloTHERM PCB, protože mohou načítat potřebné Delphi modely (Delphi Compact Thermal Models – CTMs) a umožňují vytvořit detailní termální modely pro nejpřesnější věrnost simulací. Detailní návrh substrátu čipu lze do programu načíst přes modul FloEDA Bridge, zatímco FloTHERM Die SmartPart umožňuje načíst další informace nutné pro simulování teploty přechodu.

Ve stejných programech (FloTHERM, FloTHERM XT i FloTHERM PCB) lze simulovat i povrchovou teplotu součástek s pomocí specializovaných modelů (2-Resistors, Delphi Compact Thermal).

Obr. 4 Simulace teploty pouzdra součástky a součástky na DPS v programu FloTHERM XT

Analýza teplotních poměrů na desce plošných spojů s pomocí programu FloTHERM PCB může být zaměřena na vhodné chlazení součástek proudícím vzduchem, chlazení určitých součástek pomocí měděné plochy desky u plošně montovaných součástek (regulátory napětí, výkonové tranzistory, ...), vhodné rozmístění součástek na desce z pohledu chlazení, teplotního zatížení individuálních plošných spojů atd.

Verze FloTHERM XT PADS je určena pro přímou spolupráci s programem PADS pro návrh desek plošných spojů, zatímco FloTHERM Xpedition s programem Xpedition. Desky navržené v jiných programech lze načítat přes ODB++.

Program FloTHERM XT je také určen pro simulaci celého elektronického zařízení, kdy se jedná o optimalizaci proudění chladicího vzduchu, návrh uzavřeného prostoru s elektronikou, specifikaci větráku (velikost, umístění), návrh chladičů včetně jejich umístění, chlazení pomocí kapalin, použití chladicích trubic (heat pipe), velikost a umístění větracích štěrbin atd.

Obr. 5 Simulace chlazení v programu FloTHERM XT

FloTHERM XT se svým Command Center je určen pro optimalizaci chlazení datových center, které spočívá v analýze prostor (použitá zařízení a jejich rozmístění, velikost prostor a členitost a další) a výběr nejvhodnějšího řešení chlazení.

Detailnější vysvětlení možností použití programů FloTHERM při řešení úloh spojených s chlazením a analýzou teplot v elektronice je uvedeno na webu výrobce.