FloTHERM. Optimierung des thermischen Designs von Elektronik.

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1 FloTHERM Optimierung des thermischen Designs von Elektronik M e c h a n i c a l a n a l y s i s

2 FloTHERM hat mehr Anwender als die Analysesoftware aller Mitbewerber zusammen. Es ist damit eindeutiger Marktführer im Bereich Analysesoftware für die Elektronikindustrie. Kleine ebenso wie große Unternehmen verlassen sich auf FloTHERM, um ihre thermischen Strömungsanalysen durchzuführen, in dem Wissen, ihr Geld gut eingesetzt zu haben. FloTHERM ist eine leistungsfähige 3D-Simulationssoftware für das thermische Design elektronischer Bauteile und Systeme. Mit ihrer Hilfe können die Entwickler virtuelle Modelle elektronischer Geräte erstellen, thermische Analysen durchführen und Änderungen in den frühen Stadien der Entwicklung schnell und einfach überprüfen, lange bevor die ersten Prototypen gebaut werden. FloTHERM setzt fortschrittliche CFD-Methoden ein, um Luftströmungen, Temperaturen und Wärmeübertragung in Bauteilen, Leiterplatten und kompletten Systemen vorherzusagen. Im Gegensatz zu anderer Software zur thermischen Simulation ist FloTHERM ein branchenspezifisches Analysewerkzeug, das für einen weiten Einsatzbereich in der Elektronik ausgelegt ist, z.b.: Computer und Datenverarbeitung Telekommunikationsanlagen und Netzwerksysteme Halbleiter, ICs und Komponenten Luftfahrt- und Rüstungssysteme Systeme im Bereich Automobil und Transport Consumer-Elektronik In kleinen bis mittleren Unternehmen macht sich FloTHERM in nur einem Jahr mehrfach bezahlt, in größeren Unternehmen noch schneller. Erleben auch Sie die Vorteile von FloTHERM beim thermischen Design von Elektronik: Lösung thermischer Probleme, bevor die Hardware gebaut wird weniger nachträgliche Änderungen und niedrigere Kosten pro Produkteinheit höhere Zuverlässigkeit und bessere technische Konstruktion erheblich schnellere Markteinführung. Die Kombination von FloTHERM PCB und FloTHERM hat uns geholfen, die Anzahl der Prototypen zu verringern und so Kosten zu sparen und die Markteinführung zu beschleunigen. Wei-Pin Wu, Leitender Ingenieur, Johnson Controls 2

3 FloTHERM hat es uns ermöglicht, die Form unseres Platz sparenden Kühlkörpers zu optimieren, ohne viele Prototypen zu bauen. FloTHERM hat Ergebnisse geliefert, die es erlaubt haben, das Bauteil schneller, günstiger und mit mehr Vertrauen in seine Leistung an die Produktion zu übergeben. Anton Sommer, CTO, Ascom Energy Systems 3

4 Erstellung der Modelle Visualisierung SmartParts FloTHERM enthält einen umfassenden Satz intelligenter Makros (SmartParts) zur Erstellung von Modellen, um eine Vielzahl verschiedener Konfigurationen bei der Kühlung von Elektronik schnell und präzise nachzubilden. SmartParts sind verfügbar für: Kühlkörper Lüfter Leiterplatten Thermoelektrische Kühler Gehäuse Bauteile Heatpipes Lochbleche Dies Integration in MCAD & EDA FloTHERM zeichnet sich außerdem durch eine sehr gute Integration in MCAD und EDA-Software (Electronics Design Automation) aus. Daten aus Creo Parametric, Solidworks, CATIA und anderen verbreiteten MCAD-Programmen können importiert, vereinfacht und in FloTHERM-Objekte umgewandelt werden. Schnittstellen zu Board Station, Expedition PCB, Allegro und CR5000 extrahieren Informationen zur Form der Leiterplatte und den Bauteilen für den Import in FloTHERM. Wichtigste Merkmale der SmartParts: Komplette Auswahl an SmartParts (intelligente Makros zur Erstellung von Modellen) SmartParts mit mehreren Ebenen (kompakte und detaillierte Darstellungen im gleichen Objekt) Explorer-ähnlicher Projektmanager mit Drag-and-Drop CAD-ähnliche Zeichenoberfläche mit Mausbedienung und einfachen Zeichen- sowie Drag-and-Drop-Funktionen zur Erstellung und Bearbeitung der Geometrie Strukturierte kartesische Zellenstruktur mit Möglichkeit zur Lokalisierung und Verschachtelung, um die Lösungszeiten zu verkürzen und verschiedene Maßstäbe zu ermöglichen Tausende Objekte und Attribute in einer installierten Bibliothek mit Lüftern, Gebläsen, Bauteilen, Kühlkörpern, Werkstoffen, Materialien für thermische Schnittstellen u.v.m. Objektbezogene Zellenstruktur, die die Erstellung des Modells und die Erzeugung der Zellen in einem Schritt zusammenfasst. Zellenstruktur FloTHERM arbeitet mit einer kartesischen Zellenstruktur. Dies ist die stabilste und numerisch effizienteste Form. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Zellenstruktur an interessanten Stellen feiner zu gestalten, um die Genauigkeit zu erhöhen und die Rechenzeit niedrig zu halten. Die Zellenstruktur bei FloTHERM wird durch die SmartParts bestimmt und als Teil der Erstellung des Modells erzeugt, wobei der Anwender Verfeinerungen vornehmen kann. Dieses intuitive, unkomplizierte Verfahren erlaubt es den Ingenieuren sich auf ihre Entwicklung statt auf die Analyse zu konzentrieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkzeugen, bei denen die Erzeugung der Zellenstruktur sehr viel Zeit und Erfahrung erfordert, wird sie bei FloTHERM nahezu augenblicklich und mit großer Zuverlässigkeit erstellt. Und schließlich ist FloTHERM die einzige Analysesoftware mit einer objektbezogenen Zellenstruktur, die nicht bei jeder kleinen Änderung am Modell neu erzeugt werden muss. Die Werkzeuge zur Visualisierung in FloTHERM sind speziell darauf ausgelegt, die Produktivität bei der Planung der Kühlung von Elektronik zu fördern. Voll gerenderte Modelle, 3D-Strömungsanimationen und Werkzeuge für dynamische Manipulation der Temperatur und der Strömungsergebnisse ermöglichen es den Ingenieuren, thermische Probleme schnell und wirksam einzukreisen und konstruktive Verbesserungen zu visualisieren. Textur-Mapping und eine Ausgabe als AVI erlauben es, Fragen des thermischen Designs auch Personen ohne technische Kenntnisse zu vermitteln. Wichtigste Merkmale der Visualisierung: Partikelanimation zur Visualisierung komplexer 3D-Luftströmungen Konturenanimation zur Visualisierung der Wärmeübertragungswege Isoflächen und Oberflächentemperaturen Darstellung der Luftströme durch Vektoren oder Bänder mit farblicher Darstellung von Temperatur oder Geschwindigkeit AVI-Ausgabe zur animierten Darstellung Dynamische Partikelverfolgung zum besseren Verständnis komplexer Strömungen Erzeugung von Texturen zur realistischen Darstellung 4

5 Cambridge Broadbands VectaStar 3500 Intelligente Integration Ein Teil der Geometrie dieses Geräts für einen drahtlosen Point-to- Mulitpoint-Breitbandzugang wird für eine rasche thermische Analyse automatisch vereinfacht. 5

6 Lösungsmodul und Optimierung Parametrische Analyse und Optimierung Die Erstellung der Modelle aus SmartParts und die kartesische Zellenstruktur ermöglichen bei einem FloTHERM-Modell eine Optimierung mit Hilfe der Design of Experiments -Technologie. Design of Experiments (DoE) ist ein strukturiertes Verfahren zur Bestimmung der Beziehungen zwischen Design-Parametern (z.b. Anzahl der Kühlkörperrippen, Anordnung der Lüftungsöffnungen usw.) und Ergebnissen (Bauteiletemperaturen, Lüfterdurchsatz usw.). Die Implementierung des DoE in FloTHERM untersucht die verschiedenen Möglichkeiten, indem sie Varianten des ursprünglichen Modells erzeugt und berechnet. Diese Technik liefert wichtige Informationen zur Empfindlichkeit der Ergebnisse gegenüber Änderungen der Designparameter und verringert die erforderliche Anzahl an Simulationsdurchgängen. Außerdem liefert sie die Grundlage für die leistungsfähigen Optimierungswerkzeuge nach der Response-Surface-Methode bzw. der sequentiellen Optimierung. Zur Lösung der DoE-Fälle kann der Anwender optional mehrere vernetzte Computer mit Hilfe der Volunteer -Lösungstechnologie einsetzen. FloTHERM erweitert dieses Konzept, indem es sog. Response Surfaces für alle interessierenden Ergebnisse berechnet. Response Surfaces sind aus den DoE-Ergebnissen abgeleitete mathematische Gleichungen, mit deren Hilfe die thermische Lösung an einer beliebigen Stelle im Lösungsraum augenblicklich berechnet werden kann. Der Anwender kann mit den konstruierten Response Surfaces über Echtzeit-2D- und 3D-Grafiken interagieren, in denen die Werte der Parameter mit Schiebereglern verändert werden können. Die mathematische Optimierung der vom Anwender definierten Kostenfunktion wird von den Response Surfaces ebenfalls unterstützt, wodurch die optimale Lösung ermittelt werden kann, ohne zusätzliche Fälle lösen zu müssen. Eine automatische sequentielle Optimierung der Kostenfunktion ist ebenfalls vorgesehen. Dieser auf Gradienten aufbauende Ansatz erzeugt und berechnet weitere Varianten des Ausgangsmodells, um die optimale thermische Lösung zu bestimmen und zu bestätigen. Die sequentielle Optimierung verarbeitet Vorgaben (z.b. maximale Bauteiletemperaturen) und berücksichtigt sie bei der vorgeschlagenen optimalen Konfiguration. Lösungsmodul Seit über 20 Jahren wird das Lösungsmodul in FloTHERM speziell für Probleme bei der Kühlung von Elektronik eingesetzt. Das Lösungsmodul liefert genauere Ergebnisse bei kürzerer Rechenzeit pro Zelle. Ungleichmäßige Geometrien werden mit Hilfe der einzigartigen Localized Grid -Technik gelöst. Diese Technik ermöglicht angepasste, verschachtelte, nicht winkeltreue Übergänge des Gitters zwischen den verschiedenen Teilen des Lösungsbereichs. Die konjugierte Natur der Wärmeübertragung in elektronischen Systemen wird gleichzeitig mit einem vorkonditionierten Conjugate Residual Solver mit Hilfe einer Multi-Grid- Lösungstechnik mit flexiblen Zyklen berechnet. Pragmatische, einzigartige und genaue Kriterien für die Beendigung der Suche nach der Lösung liefern praktisch verwertbare Ergebnisse in angemessenen Zeiten und ohne akademischen Ballast. Transientenanalyse Die leistungsfähigen Funktionen zur Transientenanalyse in FloTHERM erlauben auch die Vorhersage des Verhaltens der Transienten. Die zeitabhängige Verlustleistung von Bauteilen kann über den.csv-import von Daten zur Zeitabhängigkeit der Leistung definiert werden. So kann eine genaue Vorhersage des thermischen Verhaltens der Bauteiletemperatur über die Zeit erstellt werden, ohne die Berechnung durch die Annahme einer konstanten Leistungsaufnahme einzuschränken. Wichtigste Merkmale des Lösungsmoduls: Gleichzeitige Berechnung der Wärmeübertragung durch Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung Beendigung der Berechnung optional anhand der Konvergenz vom Anwender definierter Überwachungspunkte Berechnung mit mehreren verschiedenen Flüssigkeiten Simulation turbulenter oder laminarer Strömungen Definition der Variation der Transienten über linearen Anstieg, Leistungsanstieg, exponentiellen Anstieg, sinusförmige oder periodische Kurven bzw. importierte.csv-daten. Vollautomatische Berechnung des Wärmeaustauschs und des Darstellungsfaktors Automatische Grenzbedingungen zur Sonneneinstrahlung Druckverlust in Abhängigkeit vom Kühlkörper Die einzige Weise, in der ein Unternehmen wie Linn in einem extremen Wettbewerb wachsen kann, ist ein schnellerer Entwicklungsprozess, der nachweislich überlegene Produkte liefert. FloTHERM hilft uns, dieses Ziel zu erreichen. Martin Dalgleish, Kaufmännischer Leiter, Linn Products 6

7 FloTHERM Produktfamilie FloMCAD Bridge Mit FloMCAD Bridge können Bauteile und Baugruppen aus MCAD-Software (z.b. Creo Parametric, SolidWorks, CATIA usw.) zur thermischen Analyse schnell und einfach in FloTHERM übernommen werden. FloMCAD Bridge ist mehr als nur eine Schnittstellensoftware. Es filtert die geometrischen Daten eines Teils oder einer Baugruppe in intelligenter Weise und erzeugt zur Analyse ein vereinfachtes thermisches Äquivalent. Dies ist wichtig, denn MCAD-Modelle für die Produktion enthalten eine große Menge thermisch irrelevanter Einzelheiten (Hohlkehlen, kleine Öffnungen, Abschrägungen, Gewinde usw.), deren Berücksichtigung die Berechnung enorm verlangsamt ohne die Genauigkeit zu verbessern. Die Fähigkeit von FloMCAD Bridge, ein Bauteil vor seiner Übergabe an FloTHERM auf seine thermisch wesentlichen Elemente zu reduzieren, verbessert die Effizienz bei der Erstellung der Modelle ganz erheblich. FloEDA Bridge FloEDA Bridge ermöglicht eine schnelle und einfache Übertragung der Leiterplattendaten aus EDA-Software (Electronic Design Automation) (z.b. Expedition PCB, Board Station, Allegro, CR5000 usw.) für die thermische Analyse in FloTHERM. FloEDA Bridge verarbeitet die Informationen aus der EDA-Software zu einem FloTHERM-Modell der Form der Leiterplatte, der einzelnen Lagen, der Durchkontaktierungen und der Bauteileanordnung. FloEDA Bridge setzt die Kupferverteilung in den einzelnen Lagen in eine mosaikartige Darstellung der thermischen Leitfähigkeit um, wobei die Auflösung vom Anwender bestimmt werden kann. Diese Filterung ermöglicht eine genaue Abbildung der Kupferverteilung in der Leiterplatte ohne übermäßige Detaillierung. FloEDA Bridge fügt sich perfekt in den bisherigen Arbeitsablauf ein. Es erlaubt einen schnellen Import vorhandener EDA-Daten, wobei diese Daten nach Bedarf verfeinert werden können. FloTHERM Pack FloTHERM PACK ist eine webbasierte Software zur Erzeugung zuverlässiger und genauer thermischer Modelle von IC-Bauteilen und zugehörigen Teilen mit geringstem Aufwand. FloTHERM PACK ist für eine Industrie entwickelt worden, die bei Innovationen der Bauformen rasch reagieren muss. Es enthält für jeden Bauteiletyp parameterabhängige Menüs. Wenn Sie z.b. ein Modell eines BGA- Bauteils (Ball Grid Array) erstellen wollen, sind die typischen Daten dafür die Anzahl der Kugeln, die Leitfähigkeit des Substrats, die Größe des Die sowie die Dicke und Abdeckung der Substrat-Metallschicht. Falls Sie keine Informationen zur internen Geometrie Ihres Teils haben, können Sie mit dem SmartPart-Wizard in FloTHERM PACK ausgehend von der JEDEC-Bibliothek schnell und einfach sehr gute Näherungen des Modells erstellen. FloTHERM PACK unterstützt außerdem eine 3D-Voransicht der Modelle zur Überprüfung, ob die Eingabeparameter korrekt sind. Nach der Voransicht können Sie das Modell einfach in ihren lokalen Rechner übernehmen und in das FloTHERM-Analysemodell einfügen. Mit seinen vielen Fähigkeiten kann FloTHERM PACK Ihre Produktivität enorm steigern und den Zeitaufwand zur Erstellung Ihrer Modell um den Faktor 20 oder mehr verringern. FloTHERM PACK unterstützt praktisch alle üblichen Bauformen einschließlich Ball Grid Arrays, Leaded Packages, Pin Grid Arrays, TO-Gehäuse, Chip-Scale Packages und Multi-Die-Packages. FloTHERM PCB FloTHERM PCB ist eine einzigartige Software zur Vereinfachung der Entwicklung von Leiterplatten. Es gewährleistet ein gutes thermisches Design und beschleunigt die gesamte Entwicklung. MCAD Modell Thermische Analyse 7

8 Dienstleistungen im Bereich Technischer Support und Entwicklung Technischer Support Mentor Graphics ist nicht nur ein Softwareunternehmen. Wir bieten unseren Kunden außerdem umfassende Schulungen sowie Online- und Telefon-Support. Außerdem finden lizenzierte Anwender in unserem User-Supportbereich die Software mit der aktuellen Dokumentation und können dem Support ihre Fragen und Probleme vorlegen. Eine große Auswahl an Anwendungsbeispielen und technischen Artikeln befinden sich auf unserer Website: /mechanical Entwicklungsleistungen Wenn Sie Ihre Entwicklung ganz oder teilweise auslagern wollen, steht Ihnen unser Mechanical Analysis Team zur Seite. Mit uns erweitern Sie Ihr Personal um einige der erfahrensten Ingenieure für die thermische Analyse von Elektronik, die Sie auf der Welt finden können. Ausgehend von Ihren Informationen planen und erstellen wir rasch eine Bewertung, und dies unabhängig vom Stadium Ihrer Produktentwicklung. For the latest product information, call us or visit: 2012 Mentor Graphics Corporation, all rights reserved. This document contains information that is proprietary to Mentor Graphics Corporation and may be duplicated in whole or in part by the original recipient for internal business purposes only, provided that this entire notice appears in all copies. In accepting this document, the recipient agrees to make every reasonable effort to prevent unauthorized use of this information. All trademarks mentioned in this document are the trademarks of their respective owners. MGC w