Entwicklungsbegleitende Beratung

Aktuelle Trends der Elektrifizierung, Miniaturisierung und Erhöhung von Schaltfrequenzen führen dazu, das ein sorgfältiges Thermisches Management erforderlich ist, um den zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, auch wenn hohe Verlustleistungen, hohen Wärmestromdichten und hohe Umgebungstemperaturen auftreten. Mittels numerische Simulation kann das thermische Verhalten kostengünstig und vielseitig analysiert werden.

Im Rahmen des Angebotes gelöste Fragestellungen betreffen häufig:

• Radar- und Antennenmodule: Durch Steigerung der Übertragungsbandbreite nimmt die Verlustleistung zu. Dabei ist zu klären, welche Aufbau- und Verbindungstechnologien eingesetzt werden sollen, um die Wärme zuverlässig ableiten zu können, ohne dass das Schaltverhalten beeinflusst wird.
• Leistungsmodule: Wie soll die Ankontaktierung des Moduls an eine Wärmesenke (Kühlkörper) erfolgen, sodass die hohen Verlustleistungen effizient abgeführt werden, während gleichzeitig die elektrische Isolation sichergestellt werden muss?
• Smart Power Module: Wie kann der thermischen Widerstands des gemoldeten Packages minimiert werden, sodass dieses bei erhöhten Umgebungstemperaturen betrieben werden kann?
• LED: Wie kann die Wärme möglichst gut gespreizt werden und wie soll die Ankontakierung an die Wärmesenke gestaltet werden?

Relevante Werkstoffdaten für das Thermische Management, wie Wärmeleitung und Wärmekapazität, können am Fraunhofer IZM bestimmt werden. Dabei sind insbesondere die Thermischen Interface Materialien (TIM) von Bedeutung, deren Eigenschaften in Abhängigkeit von der Kontaktkraft und des Weges gemessen werden können.

Die thermische Simulation erfolgt je nach Bedarf statisch oder transient, um die Wärmekapazität der Materialien bei schnellen Schaltvorgängen zu berücksichtigen. Die im Package auftretenden Verlustleistungen können auch durch eine elektrisch-thermische Simulation berechnet werden.

Sensitivitätsanalysen und Optimierungen werden effizient durchgeführt und ausgewertet mittels ANSYS OptiSLang. Dies ermöglicht die Auswahl optimaler Geometrien und Materialien mit Bezug auf das thermische Verhalten.

Neben der Berechnung der Wärmeleitung im Package müssen auch die Kühlungsrandbedingungen berücksichtigt werden. Mit ANSYS ICEPAK/CFX werden Wasser- und Luftkühlungen für einzelne Packages und Gehäuse simuliert und optimiert.

Mit IR-Thermographie kann das statische und transiente Verhalten von Produkten und Materialien charakterisiert und der thermische Widerstand (Rth) bzw. die thermische Impedanz (Zth) an Aufbauten direkt verifiziert werden.