Der Entwurf einer thermischen Architektur für elektronische Produkte ist dem Lösen eines High-Level-Puzzles sehr ähnlich

Veröffentlicht am: 14 Februar 2018

Autor:

René Raaijmakers

Technischer Redakteur, Autor, Geschäftsführer

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Experte:

Wendy Luiten MSc

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Hohe Temperaturen verringern nicht nur die Lebensdauer, sondern auch die Leistung vieler elektronischer Geräte. Ein cleveres, kosteneffizientes thermisches Design bedeutet einen kommerziellen Vorteil. Ihr Wettbewerbsvorteil wird größer, wenn Sie Leistung zu niedrigeren Kosten liefern oder durch bessere Kühlung mehr Leistung zum gleichen Preis anbieten können“, sagt Wendy Luiten, die die Schulung zum thermischen Design von Elektronikkühlung leitet.

Hohe Temperaturen wirken sich auf die Leistung von allem aus, was von Rechenleistung oder Speicher abhängt. Sie ist auch ein wichtiger Faktor für die Leistung von Bildsensoren und Energiewandlern, Lampen und Netzteilen.
Eine der Schwierigkeiten beim thermischen Design ist, dass wichtige Entscheidungen oft unbemerkt bleiben. Luiten sagt: ‚Wenn Sie es kostengünstig machen wollen, sind viele kritische Kühlteile nicht direkt sichtbar. Sie tauchen nicht in Ihrer Materialliste auf. Das macht es knifflig. Passive lüfterlose Luftkühlung ist eine bevorzugte kostengünstige Kühllösung, aber Luft ist nicht in Ihrer Stückliste enthalten. Genauso wenig wie die Freiräume, die den Luftstrom beherbergen. Wenn also ein Konstrukteur einen offenen Raum als Luftweg in die Konstruktion einbezieht, wird dieser standardmäßig nirgendwo als Kühlkomponente registriert. Das bedeutet, dass zu einem späteren Zeitpunkt im Entwurfsprozess Änderungen vorgenommen werden können, die das ursprüngliche Kühlkonzept außer Kraft setzen. Es steht einfach nicht in der Dokumentation, wenn Sie es nicht ausdrücklich einbauen.‘

Entwickeln Sie keine Tools, die dies berücksichtigen?
‚Nein, nicht wirklich. Das thermische Verhalten ist das kombinierte Ergebnis von elektronischem und mechanischem Design und die Auswirkungen einer Änderung auf die Kühlleistung werden in CFD (Computational Fluid Dynamics) Thermalsimulationen sichtbar, die die Eingaben von beiden kombinieren. In eigenständigen elektrischen und mechanischen Designtools ist dies jedoch nicht der Fall. In der Produktentwicklung wird häufig eine thermische Simulation auf der Grundlage der fertigen mechanischen CAD- und elektronischen EDA-Dateien durchgeführt. Im Grunde genommen haben Sie dann aber den Hardware-Prototyp durch eine CFD-Simulation ersetzt, nachdem die detaillierte mechanische und elektronische Implementierung abgeschlossen war. Wenn die thermische Simulation ein Temperaturproblem aufzeigt, muss ein Teil des mechanischen oder elektronischen Designprozesses erneut durchgeführt werden. Das ist natürlich eine Verschwendung, die Sie vermeiden möchten.‘

Wie kann Ihr Training dies in den Griff bekommen?
Wir lehren nicht nur die Physik, sondern auch eine Arbeitsweise. Das thermische Design muss bereits in der Architekturphase berücksichtigt werden und thermische Risiken müssen proaktiv angegangen werden. Wenn Sie der Meinung sind, dass der IC einen Kühlkörper benötigen könnte, sprechen Sie das Problem an und bitten Sie den Layouter, Löcher für die Montage des Kühlkörpers vorzusehen. Warten Sie nicht, bis das komplette Layout fertig ist und Sie einen Test durchführen können. Wenn das Layout gerade eine komplizierte mehrlagige Platine fertiggestellt hat und ein Teil davon neu gemacht werden muss, um die Befestigungslöcher für den Kühlkörper unterzubringen, werden die Leute nicht zufrieden sein. Wenn Sie also glauben, dass es ein Risiko gibt, fragen Sie nach den Löchern. Vielleicht werden sie ja doch nicht benötigt, aber ungenutzte Löcher in der Leiterplatte sind keine große Sache. Der umgekehrte Weg birgt ein viel größeres Projektrisiko: Wenn Sie den Kühlkörper benötigen, die Löcher aber nicht vorgesehen sind, muss das Layout von Grund auf neu erstellt werden, und das kann zu einer Verzögerung der Entwicklungszeit führen. Mit einem guten thermischen Design ist vieles möglich, aber Sie müssen sicherstellen, dass das thermische Konzept von Beginn der Entwicklung an solide ist, um Neuentwürfe zu vermeiden.

Hohe Temperaturen haben einen negativen Einfluss auf die Lebenserwartung und Zuverlässigkeit von Komponenten. Daher integrieren einige Chip-Hersteller Software zur Temperaturkontrolle in ihre ICs. Intel begann damit, einen Temperatursensor in seine P6-Prozessoren einzubauen, der diese einfach abschaltete, wenn sie sich zu stark erwärmten. Die Pentium 4, Xeon und Pentium M Prozessoren von Intel verfügten über einen zusätzlichen Übertemperaturschutz, der die Taktrate des ICs verlangsamte, wenn er zu heiß wurde.

Aber Temperatursicherungen haben nicht automatisch einen positiven Einfluss auf das thermische Verhalten, meint Luiten. Viele Leute denken, dass die Verwendung eines ICs mit Temperaturschutz das thermische Problem löst, aber das ist nicht der Fall. Der Schutz kühlt den IC nicht, sondern senkt typischerweise seinen Energieverbrauch, indem er die Leistung verringert. Wenn das thermische Design des Produkts auf Systemebene schwach ist, wird die Komponente früher und häufiger heiß und die Endleistung auf Systemebene ist gefährdet.

Luiten erfuhr dies kürzlich bei einem Beratungsauftrag für ein Bildverarbeitungsgerät aus erster Hand. Sobald der Videoprozessor zu heiß wurde, wurde das Display schwarz. Es stellte sich heraus, dass es sich um eine beabsichtigte Funktion und nicht um einen Fehler handelte. Der Videoprozessor hatte einen eingebetteten Speicher, der anfällig für hohe Temperaturen war, so dass der Komponentenlieferant einen Temperaturschutz eingebaut hatte. Sobald der interne Temperatursensor eine Übertemperatur feststellte, trat der Temperaturschutz in Kraft. Normalerweise wäre dies kein Problem gewesen, aber in diesem Fall wurde das Produkt für den Einsatz bei höheren Temperaturen entwickelt, so dass der schwarze Bildschirm eine unangenehme Überraschung war.‘

Aufgrund des Temperaturschutzes dieser Komponenten wurde das thermische Design des Produkts immer wichtiger. Wenn die Temperatur des ICs zu hoch anstieg, schaltete er sich ab. Der Schutz schien also auf Komponentenebene eine clevere Sache zu sein, aber gleichzeitig wurde dadurch das thermische Design auf Systemebene kritischer. Letztendlich war ein teilweises Redesign erforderlich, um sicherzustellen, dass das Produkt so funktioniert wie vorgesehen.

Was ist das wichtigste Thema in der Schulung?
Thermische Problemlösung und besseres Kühlungsdesign. Wärme ist bei vielen elektronischen Systemen, von Computern bis hin zu Beleuchtungsanlagen, ein wichtiger Leistungsbegrenzer. In dem Moment, in dem Sie Ihr Produkt bei gleichem Preis besser kühlen können, bedeutet dies eine bessere Leistung zum gleichen Preis, und das ist ein kommerzieller Vorteil.

Wo arbeiten die Teilnehmer?
Wir haben Teilnehmer aus allen Bereichen des Systemdesigns, von der Komponente über das Modul bis hin zum kompletten System. Viele frühere Teilnehmer haben an Komponenten, kleinen elektronischen Produkten und LED-Anwendungen gearbeitet, aber wir hatten auch Leute, die an großen Systemen wie Radarsystemen oder Kühlkörpern in großen Stromversorgungen gearbeitet haben, und wir hatten auch Leute von Lieferanten von Kühlkomponenten. Mit der Zunahme der Automobilelektronik sehen wir auch mehr Leute aus diesem Bereich kommen.

Was bringt die Leute dazu, sich anzumelden?
Ein Teil von ihnen kommt durch Mundpropaganda. Clemens Lasance und ich sind beide in der internationalen Gemeinschaft für Elektronikkühlung bekannt, und das gilt auch für diese thermische Schulung. Die Schulung findet auf Englisch statt und zieht ein internationales Publikum an. Es kamen sogar Leute aus den Vereinigten Staaten zu uns, die gehört hatten, dass sie nach Eindhoven kommen müssen, um eine wirklich gute Schulung zu erhalten.

Was macht die Ausbildung besonders?
Clemens und ich lehren Elektronikkühlung wirklich auf eine anwendungsorientierte Weise. Die Schulung deckt alle Aspekte ab und ist sehr praxisorientiert: Wir gehen von der Systemarchitektur auf hoher Ebene bis hin zu den Details auf der Implementierungsebene, wie z.B. Layout, Position und Abmessungen der Lüftungsöffnungen. Und das alles wird mit physikalischen Grundlagen und Best Practices untermauert.

Man lernt nicht schwimmen, indem man anderen Schwimmern zuschaut. Unser Ziel ist es, die Teilnehmer mit anwendbaren Fähigkeiten nach Hause zu schicken, und dazu gehört auch die praktische Fähigkeit, grundlegende Berechnungen durchzuführen.

Ich möchte, dass die Leute ein Gefühl für die Dimensionierung bekommen, ein Bauchgefühl für thermische Schätzungen. Wenn Sie diese Fähigkeit haben, können Sie viel bessere Designentscheidungen treffen und Sie werden auch viel sicherer bei der Durchführung von thermischen Simulationen sein, weil Sie besser wissen, was passiert.

Können Sie Ihre eigene Fallstudie mitbringen?
Wir fragen die Teilnehmer immer im Voraus, ob sie einen eigenen Fall haben, den sie erzählen möchten. Falls ja, besprechen wir ihn während der Schulung. Das macht Spaß, denn es führt zu lebhaften Diskussionen. Außerdem haben wir einige Standardfälle.‘

Während des Kurses: Lernen Sie, Spezifikationen thermisch zu interpretieren

Lasance und Luiten erörtern die Physik der Elektronikkühlung, wie Sie von bewährten thermischen Arbeitsweisen profitieren und wie Sie diese während der Produktentwicklungsphasen umsetzen können. Das erklärt auch, warum Zeitmanagement und Projektmanagement Teil des Kurses sind. Wir besprechen Spezifikationen und die Art und Weise, wie man sie thermisch interpretiert. Wir haben Leute von der System-, Subsystem- und Komponentenebene – das führt zu interessanten Diskussionen über die Interpretation von Spezifikationen. Die letzte Lernaktivität des Kurses ist eine Fallstudie. Wir teilen die Gruppe in zwei Teams auf und verbringen zwei bis drei Stunden damit, einen Fall zu lösen. Das ist für viele ein Augenöffner, denn es ist das erste Mal, dass sie die Faktoren und Spezifikationen auf allen Ebenen berücksichtigen und zum ersten Mal sehen, wie mechanische und elektronische Überlegungen in das thermische Verhalten von Komponenten und Systemen einfließen.

Wenn Sie die Schulung abgeschlossen haben…
‚Sie verfügen über anwendbare Kenntnisse zur Abschätzung thermischer Effekte, die Sie nutzen können, um abzuschätzen, wie ein Produkt richtig gekühlt werden muss. Viele Teilnehmer geben an, dass dies das Alleinstellungsmerkmal unserer Schulung ist. Sowohl Neulinge als auch erfahrene Architekten und Planer im Bereich der Wärmetechnik kommentieren, wie viel sie in unserem Kurs gelernt haben und empfehlen ihn ihren Kollegen. Darüber hinaus erhöht das Know-how das Vertrauen in Ihre Ergebnisse, wenn Sie thermische Simulationen durchführen, weil Sie besser wissen, was Sie tun.

Welche Personen nehmen teil?
Die Teilnehmer haben in der Regel eine höhere Ausbildung in einem technischen Bereich wie Elektronik, Maschinenbau, Physik, Optik oder Industriedesign. Wir sehen oft, dass Produktentwickler und Architekten mit ein paar Jahren Entwicklungserfahrung in die thermische Disziplin einsteigen. In Europa gibt es keine höhere Berufsausbildung oder akademische Ausbildung in diesem Bereich. In den Vereinigten Staaten gibt es zwar Universitäten, die Kurse zur Kühlung von Elektronik anbieten, aber sie haben einen eher akademischen Ansatz.

Aktualisieren Sie den Kurs regelmäßig?
‚Absolut. Kürzlich haben wir beschlossen, das Training aufzuteilen und Sie können wählen, ob Sie mit Clemens Lasance in die Tiefe gehen oder mit mir praktische Übungen machen wollen. Diese Änderung wurde gut aufgenommen. Im Moment arbeite ich an Design for 6-sigma und thermischem Design. In der Phase der thermischen Architektur müssen Sie bereits prüfen, wie Mechanik und Elektronik zusammenarbeiten, die Anforderungen an das thermische Verhalten identifizieren und dann entwerfen, optimieren und verifizieren, wie das funktionieren kann. Durch den Ansatz auf Systemebene in DfSS lässt sich dies gut kombinieren. Und Sie können in der Design- und Optimierungsphase mit der Kombination von Computer-CFD-Simulationen und Design of Experiments großartige Ergebnisse erzielen.‘

Foto: Bart van Overbeeke

Wendy Luiten begann ihre Karriere Mitte der 80er Jahre als Wärmespezialistin am Philips Centre for Fabrication techniques, das damals gerade vom bekannten Philips Research Laboratory (Natlab) abgespalten wurde. In den späten Neunzigern war sie als thermische Architektin im Entwicklungsteam für die ersten Flachbildfernseher von Philips Consumer Electronics tätig. Diese frühen Plasmabildschirme waren mit Lüftern ausgestattet, deren Geräusch man nicht mochte, also bestand die Herausforderung darin, sie abzuschaffen. Luiten schrieb eine Abhandlung über das thermische Design des ersten lüfterlosen Plasmafernsehers der Welt. Dafür erhielt sie den Preis für die beste Arbeit auf der Semi-Therm-Konferenz.

Die Kühlung der Elektronik in Fernsehgeräten wurde zunächst als vorübergehendes Phänomen betrachtet. Die Manager gingen davon aus, dass die bestehenden Wärmeprobleme nicht ewig bestehen würden. In Wirklichkeit stellten die Produktmanager immer dann, wenn eine Generation von Fernsehgeräten ihren Hitzeproblemen entwachsen war, neue Anforderungen an die Entwicklungsteams: von Plasma- zu LCD-Bildschirmen, dem Aufkommen von HD-TV, LED-TV, 3D-TV und Smart-TV.

Jede neue Generation hatte ihre Hitzeprobleme“, sagt Luiten. Am Ende arbeitete sie sechzehn Jahre lang an einem vorübergehenden Problem. Sie lacht darüber. ‚Ich habe sechzehn Jahre lang eine temporäre, nicht-strukturelle Tätigkeit ausgeübt.‘

Seit 2000 unterrichtet Luiten Kurse zur Kühlung von Elektronik. Dafür ist sie um die ganze Welt gereist, nach China, Singapur, Taiwan, Korea, in die Vereinigten Staaten und mehrere Länder in Europa. Luiten unterrichtete auch in Saudi-Arabien, an einer Sommerschule in der Türkei und präsentierte letztes Jahr den Vorkonferenz-Kurzkurs Grundlagen des thermischen Systemdesigns auf der Europäischen Therminik-Konferenz.

Zusammen mit Clemens Lasance unterrichtet Luiten seit fünfzehn Jahren den Workshop Thermisches Design und Kühlung von Elektronik. Diese spezielle Schulung wurde in zwei Module aufgeteilt und wird online und in Eindhoven abgehalten, aber die beiden haben auch einen Kurzkurs vor der Konferenz auf der Semi-Therm-Konferenz in den Vereinigten Staaten präsentiert. Die Kombination aus Luitens jahrelanger Erfahrung in der Entwicklung elektronischer Produkte und Lasances breitem und tiefem Wissen über ihr Fachgebiet funktioniert besonders gut. Dadurch unterscheidet sich ihr Training deutlich von anderen verfügbaren Kursen auf der ganzen Welt.

Luiten ist leidenschaftlich bei der Sache, denn sie liebt es, Rätsel zu lösen. Das Entwerfen der richtigen Kühlarchitektur für eine Reihe von Fernsehern einer bestimmten Generation ist wie ein anspruchsvolles Puzzlespiel. Zusammen mit dem Elektro- und Mechanikarchitekten müssen Sie so viele Modelle wie möglich mit dem kleinstmöglichen Satz an verschiedenen Komponenten abdecken. Sie brauchen eine flexible und skalierbare Kühlungsstrategie, um die Produktvielfalt zu akzeptablen Kosten abzudecken.‘

Heute ist Luiten Inhaberin ihrer eigenen Firma: Wendy Luiten Unternehmensberatung. Nicht gerade ein origineller Name, aber sehr praktisch.

Das richtige thermische Design für das Internet der Dinge

Thermische Aspekte sind nur ein Teil des Gesamtproblems, aber Luiten erwartet, dass die Bedeutung weiter zunehmen wird. Die Kühlung der Elektronik ist wichtig für die Energiewende. Die Umwandlung von Sonnen- und Windenergie in das Stromnetz erfordert Leistungselektronik, und diese hat thermische Grenzen. Darüber hinaus sind die Materialien, die Licht in Elektrizität umwandeln und umgekehrt, bekanntermaßen temperaturempfindlich. Der Übergang zu elektrischen und selbstfahrenden Autos ist ebenfalls ein heißes Eisen. Derzeit macht die Elektronik 30 Prozent der Gesamtkosten für ein Auto aus, Tendenz steigend.‘

Luiten: ‚Automobilelektronik kann sicherheitskritisch sein, ein Ausfall aus thermischen oder anderen Gründen ist nicht akzeptabel.

In der Datenkommunikation ist die Kühlung ein bekanntes Kostenproblem: „Die Kühlung von Rechenzentren kann so viel kosten wie die Verarbeitung von Daten, und in der Telekommunikation wird 5G voraussichtlich ebenfalls eine thermische Herausforderung darstellen. Auch für das Internet der Dinge ist es wichtig, das thermische Design richtig zu gestalten. In Zukunft wird es überall Sensoren geben.‘

Partnerschaft High Tech Institut

Das Training Cooling of Electronics ist Teil des T2Prof-Portfolios. T2Prof hat die ursprünglich am Philips Centre for Technical Training entwickelten technischen Schulungen zu Elektronik und Optik fortgeführt. T2Prof bringt seine Kurse in exklusiver Zusammenarbeit mit seinem Partner High Tech Institute auf den Markt. High Tech Institute konzentriert sich auf das Marketing, den Verkauf und die Organisation dieser Kurse.

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von Bits&Chips.