Het ontwerpen van thermische architectuur voor elektronische producten lijkt erg op het oplossen van een puzzel op hoog niveau

Gepubliceerd op: 14 februari 2018

Auteur:

René Raaijmakers

Technisch schrijver, auteur, algemeen directeur

Lees meer over René Raaijmakers

Expert:

Wendy Luiten MSc

Trainer

Lees meer over Wendy Luiten

Deel

---

Hoge temperaturen verlagen niet alleen de levensduur maar ook de prestaties van veel elektronica. Een slim, kosteneffectief thermisch ontwerp vertaalt zich in een commercieel voordeel. Je concurrentievoordeel wordt groter als je prestaties kunt leveren tegen lagere kosten of meer prestaties kunt bieden voor dezelfde prijs door betere koeling”, zegt Wendy Luiten, die de training Elektronicakoeling thermisch ontwerp verzorgt.

Hoge temperaturen beïnvloeden de prestaties van alles wat afhankelijk is van rekenkracht of geheugen. Het is ook een belangrijke factor voor de prestaties van beeldsensoren en energieomzetters, lampen en voedingen.
Een van de moeilijkheden bij thermisch ontwerp is dat belangrijke beslissingen vaak onopgemerkt blijven. Luiten: “Als je het goedkoop wilt doen, zijn veel kritieke koelonderdelen niet direct zichtbaar. Ze komen niet voor op je stuklijst. Dat maakt het lastig. Passieve luchtkoeling zonder ventilator is een goedkope koeloplossing die de voorkeur geniet, maar lucht staat niet op je stuklijst. Ook de open ruimtes voor de luchtstroom staan niet op de materiaallijst. Dus als een mechanisch ontwerper een open ruimte als luchtpad opneemt in het ontwerp, wordt deze standaard nergens geregistreerd als koelcomponent. Dat betekent dat er op een later moment in het ontwerpproces wijzigingen kunnen worden aangebracht die het oorspronkelijke koelconcept uitschakelen. Het staat gewoon niet in de documentatie, als je het er niet specifiek in zet.

Ontwerpt u geen tools om hier rekening mee te houden?
Nee, niet echt. Thermisch gedrag is het gecombineerde resultaat van elektronisch en mechanisch ontwerp en het effect van een verandering op de koelprestaties zal zichtbaar worden in CFD (Computational Fluid Dynamics) thermische simulaties die de input van beide combineren. Maar het is niet zichtbaar in stand-alone elektrische en mechanische ontwerptools. Vaak zie je bij productontwikkeling dat een thermische simulatie wordt uitgevoerd op basis van de definitieve mechanische CAD en elektronische lay-out EDA-bestanden, maar in wezen heb je dan het hardwareprototype vervangen door een CFD-simulatie, nadat de gedetailleerde mechanische en elektronische implementatie is voltooid. Als de thermische simulatie een probleem met de temperatuur laat zien, moet een deel van het mechanische of elektronische ontwerpproces opnieuw worden gedaan. Dat is natuurlijk een verspilling die je wilt voorkomen.

Hoe biedt uw training hier een handvat voor?
We leren niet alleen de fysica, maar ook een manier van werken. Al in de architectuurfase moet rekening worden gehouden met thermisch ontwerp en thermische risico’s moeten proactief worden aangepakt. Als je denkt dat het IC een koellichaam nodig heeft, stel dit dan aan de orde en vraag de lay-out om bevestigingsgaten voor het koellichaam aan te brengen. Wacht niet tot de volledige lay-out klaar is en je een test kunt doen. Als de lay-out net klaar is met een ingewikkeld bord met meerdere lagen en een deel ervan moet opnieuw worden gemaakt om de montagegaten voor het koellichaam aan te brengen, zullen mensen niet blij zijn. Dus als je denkt dat er een risico is, vraag dan om de gaten. Misschien zijn ze toch niet nodig, maar ongebruikte gaten in de printplaat zijn niet erg. Andersom brengt een veel groter projectrisico met zich mee: als je het koellichaam wel nodig hebt, maar de gaten zijn niet opgenomen, dan moet de lay-out opnieuw worden gedaan, en dat kan vertraging in de ontwikkelingstijd veroorzaken’. Met een goed thermisch ontwerp is veel mogelijk, maar je moet ervoor zorgen dat het thermische concept vanaf het begin van de ontwikkeling goed is om herontwerpen te voorkomen.’

Hoge temperaturen hebben een negatieve invloed op de levensduur en betrouwbaarheid van componenten. Daarom integreren sommige chipfabrikanten software voor temperatuurregeling in hun IC’s. Intel begon met het inbouwen van een thermische sensor in zijn P6-processors die ze eenvoudig uitschakelde als ze te warm werden. Intels Pentium 4, Xeon en Pentium M processors hadden een extra over-temperatuurbeveiliging die de kloksnelheid van het IC vertraagde als het te warm werd.

Maar temperatuurbeveiligingen hebben niet automatisch een positieve invloed op het thermische gedrag, geeft Luiten aan. Veel mensen denken dat het gebruik van een IC met temperatuurbeveiliging het thermische probleem oplost, maar dat is niet het geval. De beveiliging koelt het IC niet, maar verlaagt het energieverbruik door de prestaties te verlagen. Als het thermisch ontwerp van het product op systeemniveau zwak is, zal het component eerder en vaker heet worden en komen de eindprestaties op systeemniveau in gevaar.’

Luiten ondervond dit aan den lijve tijdens een recente consultancy-klus aan een beeldverwerkend apparaat. Zodra de videoprocessor te heet werd, ging het scherm op zwart. Het bleek een bedoelde eigenschap te zijn, geen bug. De videoprocessor had ingebouwd geheugen dat gevoelig was voor hoge temperaturen, dus de leverancier van de componenten had een temperatuurbeveiliging toegevoegd. Zodra de interne temperatuursensor een te hoge temperatuur waarnam, trad de thermische beveiliging in werking. Normaal gesproken zou dit geen probleem zijn geweest, maar in dit geval was het product ontwikkeld voor gebruik bij hogere temperaturen, dus het zwarte scherm was een onaangename verrassing.

Vanwege de temperatuurbescherming van deze componenten werd het thermische ontwerp van het product kritischer. Als de temperatuur van het IC te hoog werd, schakelde het uit. De bescherming leek dus slim om te doen op componentniveau, maar tegelijkertijd maakte het het thermisch ontwerp op systeemniveau kritischer. Uiteindelijk was een gedeeltelijk herontwerp nodig om ervoor te zorgen dat het product werkte zoals bedoeld.

Wat is het belangrijkste onderwerp in de training?
Thermische problemen oplossen en betere koeling ontwerpen. Warmte is een belangrijke prestatiebeperker in veel elektronische systemen, van computers tot verlichting. Op het moment dat je je product beter kunt koelen voor dezelfde prijs, vertaalt zich dat in betere prestaties voor dezelfde prijs en dat is een commercieel voordeel.

Waar werken de deelnemers?
We hebben mensen van alle niveaus in het systeemontwerp, van component tot module tot compleet systeem. Veel voormalige deelnemers werkten aan componenten, kleine elektronische producten en LED-toepassingen, maar we hebben ook mensen gehad die aan grote systemen werkten, zoals radarsystemen of koellichamen in grote voedingen en we hebben mensen gehad van leveranciers van koelcomponenten. Met de toename in auto-elektronica zien we ook meer mensen uit die sector komen.

Waarom melden mensen zich aan?
Een deel komt van mond-tot-mondreclame. Clemens Lasance en ik zijn allebei bekend in de internationale gemeenschap van elektronicakoeling en dat geldt ook voor deze thermische training. De training is in het Engels en trekt een internationaal publiek. We hebben mensen uit de Verenigde Staten gehad die gehoord hadden dat ze naar Eindhoven moesten om een echt goede thermische training te krijgen.’

Wat maakt de training speciaal?
Clemens en ik geven echt toepassingsgericht les in elektronicakoeling. De training omvat alle aspecten en is zeer praktijkgericht: we gaan van systeemarchitectuur op hoog niveau naar details op implementatieniveau, zoals lay-out en locaties en afmetingen van ventilatieopeningen. En dit wordt ondersteund met fysica en best practices.

Je leert niet zwemmen door alleen maar naar andere zwemmers te kijken. Ons doel is om de deelnemers naar huis te sturen met toepasbare vaardigheden, waaronder de praktische vaardigheid om basisberekeningen uit te voeren.

Ik wil dat mensen een gevoel voor dimensionering krijgen, een buikgevoel voor thermische schattingen. Als je dit vermogen hebt, kun je veel betere ontwerpbeslissingen nemen en zul je ook veel meer vertrouwen hebben in het uitvoeren van thermische simulaties omdat je beter weet wat er gebeurt.

Kun je je eigen casestudy meebrengen?
We vragen deelnemers altijd van tevoren of ze zelf een casus hebben om te delen. Als dat van toepassing is, bespreken we dat tijdens de training. Dat is leuk, want het leidt tot levendige discussies. Daarnaast hebben we een aantal standaardcases.’

Tijdens de training: specificaties thermisch leren interpreteren

Lasance en Luiten bespreken de fysica van elektronicakoeling, hoe u kunt profiteren van de best practice op het gebied van thermische werkwijzen en hoe u deze kunt implementeren tijdens de productontwikkelingsfasen. Dit verklaart ook waarom timemanagement en projectmanagement deel uitmaken van de cursus. We bespreken specificaties en de manier om ze ook thermisch te interpreteren. We hebben mensen van systeem-, subsysteem- en componentniveau – dit leidt tot interessante discussies over de interpretatie van specificaties. De laatste leeractiviteit van de cursus is een casestudy. We verdelen de groep in twee teams en besteden twee tot drie uur aan het kraken van een case. Dit is voor veel mensen een eyeopener omdat het de eerste keer is dat ze rekening houden met de factoren en specificaties op alle niveaus en voor het eerst zien hoe mechanische en elektronische overwegingen op elkaar inwerken in het thermische gedrag van component tot systeem.

Na afloop van de training…
‘Je hebt toepasbare vaardigheden over het inschatten van thermische effecten die je kunt gebruiken om in te schatten hoe je een product op de juiste manier kunt koelen. Veel deelnemers geven aan dat dit het unique selling point van onze training is. Zowel mensen die nieuw zijn in het vakgebied als ervaren thermische architecten en ontwerpers geven aan hoeveel ze hebben geleerd tijdens onze cursus en raden het aan hun collega’s aan. Bovendien vergroot de kennis het vertrouwen in je resultaten als je thermische simulaties uitvoert, omdat je beter weet wat je doet.

Welke mensen zijn aanwezig?
Deelnemers hebben meestal een hogere opleiding in een technisch vakgebied zoals elektrotechniek, werktuigbouwkunde, natuurkunde, optica of industrieel ontwerp. We zien vaak productontwikkelaars en architecten met een paar jaar ontwikkelingservaring in de thermische discipline stappen. In Europa hebben we geen hoger beroepsonderwijs of academische opleiding op dit gebied. De Verenigde Staten hebben wel universiteiten die cursussen over koeling van elektronica aanbieden, maar die hebben een meer academische benadering.

Werken jullie de cursus regelmatig bij?
Absoluut. Onlangs hebben we besloten om de training op te splitsen en je kunt kiezen om meer de diepte in te gaan met Clemens Lasance of om meer praktische oefeningen met mij te doen. Die verandering is goed ontvangen. Op dit moment werk ik aan Design for 6-sigma en thermisch ontwerp. In de thermische architectuurfase moet je al controleren hoe mechanica en elektronica samenwerken, de eisen aan het thermische gedrag identificeren en ontwerpen, optimaliseren en verifiëren hoe je dit voor elkaar krijgt. Dit is goed te combineren vanwege de systeemniveaubenadering in DfSS. En je kunt geweldige resultaten behalen in de ontwerp- en optimalisatiefase met de combinatie van computer CFD-simulaties en Design of Experiments.

Foto door: Bart van Overbeeke

Wendy Luiten begon haar carrière halverwege de jaren 80 als thermisch specialist bij het Philips Centrum voor Fabricagetechnieken, destijds net afgesplitst van het bekende Philips Research Laboratorium (Natlab). Eind jaren negentig droeg ze als thermisch architect bij aan het ontwikkelingsteam van de eerste flatscreentelevisies van Philips Consumer Electronics. Deze vroege plasmaschermen hadden ventilatoren aan boord, en het geluid van de ventilatoren werd niet op prijs gesteld, dus de uitdaging was om ze eruit te halen.’ Luiten schreef een paper over het thermische ontwerp van de eerste plasmatelevisie ter wereld zonder ventilatoren. Hiermee won ze de best paper award op de Semi-Therm conferentie.

Het koelen van elektronica in consumenten-tv’s werd aanvankelijk gezien als een tijdelijk verschijnsel. Managers gingen ervan uit dat bestaande warmteproblemen niet voor altijd zouden blijven bestaan. In werkelijkheid stelden productmanagers, zodra een generatie tv’s de warmteproblemen ontgroeid was, nieuwe eisen aan de ontwikkelingsteams, van plasma- naar LCD-schermen, de opkomst van HD-tv, LED-tv, 3D-tv en smart-tv.

Elke nieuwe generatie had zijn warmteproblemen’, zegt Luiten. Uiteindelijk werkte ze zestien jaar aan een tijdelijk probleem. Ze lacht erom. ‘Ik heb zestien jaar achter elkaar een tijdelijke, niet-structurele activiteit gedaan.’

Sinds 2000 geeft Luiten cursussen Koeling van elektronica. Hiervoor is ze de hele wereld over gereisd, onder andere naar China, Singapore, Taiwan, Korea, de Verenigde Staten en verschillende landen in Europa. Luiten heeft ook lesgegeven in Saoedi-Arabië, op een zomerschool in Turkije en vorig jaar presenteerde ze de pre-conference short course Fundamentals of thermal system design op de European Therminic conference.

Samen met Clemens Lasance geeft Luiten al vijftien jaar de workshop Thermisch ontwerp en koeling van elektronica. Deze specifieke training is opgesplitst in twee modules en wordt online en in Eindhoven gegeven, maar het tweetal presenteerde ook een pre-conference short course op de Semi-Therm conferentie in de Verenigde Staten. De combinatie van Luiten’s jarenlange ervaring in elektronische productontwikkeling en Lasance’s brede en diepe kennis van hun vakgebied werkt bijzonder goed. Hierdoor onderscheidt hun training zich duidelijk van andere beschikbare cursussen over de hele wereld.

Luiten is gepassioneerd door haar vak, omdat ze graag puzzels oplost. Het ontwerpen van de juiste koelarchitectuur voor een serie tv’s van een bepaalde generatie lijkt op puzzelen op hoog niveau. Samen met de elektrische en mechanische architect moet je zoveel mogelijk modellen afdekken met zo weinig mogelijk verschillende componenten. Je hebt een flexibele en schaalbare koelstrategie nodig om de productdiversiteit tegen aanvaardbare kosten te dekken.

Tegenwoordig is Luiten directeur van haar eigen bedrijf: Wendy Luiten consultancy. ‘Niet helemaal een originele naam, maar wel heel praktisch.’

Het juiste thermische ontwerp voor het internet der dingen

Thermische aspecten zijn slechts een deel van het totale probleem, maar Luiten verwacht dat het belang zal blijven toenemen. Elektronicakoeling is belangrijk in de energietransitie. Voor het omzetten van zonne- en windenergie naar het elektriciteitsnet is vermogenselektronica nodig en die heeft thermische beperkingen. Daarnaast staan de materialen die licht omzetten in elektriciteit en andersom ook bekend als temperatuurgevoelig. ‘De overgang naar elektrische en zelfrijdende auto’s is ook een hot item. Momenteel maakt elektronica 30 procent uit van de totale kosten voor een auto, en dat stijgt.

Luiten: “Automobielelektronica kan kritisch zijn voor de veiligheid, uitval door thermische of andere oorzaken is onaanvaardbaar.

Ondertussen is koeling in datacommunicatie een welbekend kostenprobleem: datacenterkoeling kan evenveel kosten als gegevensverwerking, en in telecom zal 5G naar verwachting ook een thermische uitdaging zijn. Ook voor het internet der dingen is het belangrijk om het thermische ontwerp goed te krijgen. In de toekomst zullen er overal sensoren zijn.

Partnerschap High Tech Instituut

De training Koeling van Elektronica is onderdeel van het T2Prof portfolio. T2Prof heeft de technische trainingen op het gebied van elektronica en optica voortgezet die oorspronkelijk zijn ontwikkeld door het Philips Centrum voor Technische Opleidingen. T2Prof brengt haar trainingen op de markt in exclusieve samenwerking met haar partner High Tech Institute. High Tech Institute richt zich op de marketing, verkoop en organisatie van deze cursussen.

Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech-redacteur van Bits&Chips.