Thermische Modellierung und Charakterisierung

Thermische Modellierung undCharakterisierung

feinwerktechnischer Baugruppen

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-DesignProf. Dr.-Ing. habil. Jens Lienig

E. BindlH. NeubertJ. Ziske 04.11.2008

Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen

Folie 2 / 20

Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design

Gliederung

1. Einleitung

2. Thermische Modellierung

– Aufgabe und Ziel

– Ansätze und Methoden

– Beispiele

3. Thermische Charakterisierung

– Aufgabe und Ziel

– Temperaturmessung

– Beispiele

4. Zusammenfassung


Folie 3 / 20


• Verlustleistung wird in Form von Wärme abgegeben und erzeugt thermische

sowie thermomechanische Beanspruchungen in feinwerktechnischen

Baugruppen

• Verlustleistung beeinflusst Funktion und Zuverlässigkeit in der Regel negativ

• Thermische Dimensionierung ist wesentlicher Bestandteil des konstruktiven

Entwurfsprozesses

Teilaufgaben des thermischen Entwurfs

• Analyse der Verlustleistungsquellen, Wärmetransportvorgänge sowie

Beschreibung der stationären und transienten Temperaturfelder

• Erarbeitung von Ansätzen zur verbesserten Verlustwärmeabfuhr

Einleitung


Folie 4 / 20


Einleitung

Stationäres Temperaturfeld derHeizbacke (FE-Modell)

Transientes Temperaturverhalten (Netzwerk-Modell)

Methoden des thermischen Entwurfs

• Modellierung thermischer Zusammenhänge

• Experimentelle Charakterisierung von Werkstoffen,

Bauelementen, Baugruppen und Geräten

– Bsp. Tiefzieheinheit einer Tape-Forming-Maschine für

Blistertape


Folie 5 / 20


Aufgabe und Ziel

• Berechnung der zeit- und ortsabhängigen Temperaturfelder, die durch dieWechselwirkung von Wärmequellen, Wärmetransport und Wärmesenkenentstehen

Wärmetransportvorgänge

• Wärmeleitung

– Wärmeleitungsgleichung (Fouriersches Gesetz)

• Wärmestrahlung

– Strahlungstransportgleichung

• Konvektion

– Wärmeleitungsgleichung

– Navier-Stokes-Gleichung

Modellierung gelingt nur unter Vereinfachung der Gleichungen undAbstraktion des Aufbaus

Thermische Modellierung

TQ ∆∝r

4TQ ∝r

TQ ∆∝r ( ).const=α


Folie 6 / 20


Leitung

T0

Konvektion

T0

StrahlungT0


Bsp. TO220

Ansätze und Methoden

• Modelle mit räumlich konzentrierten Elementen nach

der Netzwerkmethode

- System lokalisiert in räumlich nicht ausgedehnten

Elementen (ortsunabhängig)

- Elemente bilden ein Netzwerk (Netzwerkgraph)

- dynamisches Verhalten ⇒ gewöhnliche DGL

- stationäres Verhalten ⇒ algebraische Gleichungen

- Analytische oder numerische Berechnung der

Feldgrößen


Folie 7 / 20



• Modelle mit räumlich verteilten Elementen nach der

Finite-Elemente-Methode

- Systemverhalten nicht lokalisiert, sondern von orts-

und zeitabhängig

- Modellierung einer vereinfachten Geometrie unter

Beachtung der Anfangs- und Randbedingungen

- dynamisches, stationäres Verhalten ⇒ PDGL

• Gekoppelte Modelle

– Thermisch-Fluidmechanisch (Wärmeleitung+Konv.)

– Thermisch-Elektrisch (Joulsche Wärme)

– Thermisch-Strukturmechanisch (Zuverlässigkeit)

– kombinierte Modelle (NW + FE)


Bsp. TO220


Folie 8 / 20



Stationäres Temperaturfeld (FE-Modell)


• Vergleich NW- und FEM-Methode

– Bsp. Chipmodul auf LP


Folie 9 / 20


Beispiel - Automobilsteuergerät

• Einflußanalyse verschiedener RB und Berechnung

der Gehäusetemperatur am Netzwerkmodell

– Verlustleistung in BE

– Wärmeleitung, Konvektion (freie vs. erzwungene) und

Strahlung im Gehäuse und an die Umgebung

– stationäres Modell ohne Wärmekapazitäten


Gehäuse innen und außen isotherm

PCB isotherm


Folie 10 / 20



Beispiel - Automobilsteuergerät

• Einflußanalyse verschiedener RB und Berechnung

der Gehäusetemperatur am Netzwerkmodell

– Temperaturen bei freier und erzwungener Konvektion

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18 erzwungene KonvektionfreieT0 = 22,5°C

Automobilsteuergerät, Pges=5W

[K]

[s]

∆Tcu ∆Tpcb ∆Tk1 ∆Tk2 sim ∆Tcu sim ∆Tpcb sim ∆Tk1 sim ∆Tk2

∆T

t

• freie Konvektion im Gehäuse

• erzwungene Konvektion durch das Gehäuse


Folie 11 / 20


Beispiel - Überlastauslöser mit Thermobimetall

• Berechnung des Temperaturfeldes und der

Ausbiegung mit transientem elektrisch-thermo-

mechanischen FE-Modell

– Joulesche Wärme im gesamten Strompfad

– Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung

– Kontaktelemente zwischen Heizleiter und Bimetall

– Modelldaten:

61300 Knoten, 16400 Elemente

– Rechenzeit:

transienter Auslösevorgang ca. 1h

komplette Auslösekennlinie ca. 12h


1 101

10

100

1000

Überlastauslöser, Inenn = 16 A

Simulation Kennlinie Datenblatt

Aus

löse

zeit

[s]

n x Inenn [A]


Folie 12 / 20


Aufgabe und Ziel

• Parameterbestimmung von Werkstoffen, Bauelementen und Anordnungen

• Entwicklung zugeschnittener Versuchsstände

• Verifizieren der Berechnungsmodelle durch Messungen

Thermische Charakterisierung

Parameter

• Thermischer Widerstand

– Verhältnis aus Temperaturdifferenz δΤ zwischen zweiisothermen Grenzflächen eines Elementes, die vom selbenWärmestrom Q durchdrungen werden

• Messgrößen

– Temperatur

– Wärmestrom (indirekt über Temperatur gemessen)

T1

T2

Q


Folie 13 / 20


Temperaturmessung - Thermoelement

• Oft nicht beachtete Meßfehlerquellen

– Wärmeaustrag durch das Thermoelement

dünne Drähte und entlang kleiner dT/dx

führen

– Meßfehler durch ungenügenden thermischen

Kontakt

verstemmen, anlöten

– Meßfehler durch galvanisch induzierte Ströme

galvanisch trennen oder Messung und

Auswertung mit wechselnder

Stromrichtung


1 – geklebt2 – geschraubt3 – verstemmt4 – Klebeband


Folie 14 / 20


Beispiel - Durchgangswiderstand Kontaktwerkstoffe

• Messung des thermischen Durchgangswiderstandes

nach ASTM D5470-01

– Thermischer Durchgangswiderstand einer dünnen Probe

zwischen zwei Meßblöcken

– Heizer mit Schutzheizer

– Meßblöcke homogen mit je zwei eingebohrten

Thermoelementen

– Berechnung des Wärmestromes aus bekanntem λ des

Materials der Blöcke

– Grenzschichttemperatur aus geometrischer Beziehung


P

DAD

TTRφ−

=


Folie 15 / 20


Beispiel - Durchgangswiderstand Kontaktwerkstoffe

• Messung des thermischen Durchgangswiderstandes

nach ASTM D5470-01

– modellbasierte Auswertung

– Messunsicherheit < 10%

– Wärmeleitmedium bestimmt Rth


0 1 2 3 4 5 6 70,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

|

_

kein WLM WLM 1 WLP 2 WLF 3 WLF 4

Rth

-D [K

cm2 /W

]

pm [MPa]


Folie 16 / 20


Beispiel - Therm. Widerstand Schaltkontakte

• Messung des thermischen Gesamtwiderstandes an

Niederspannungs-Schaltkontakten

– Anlegen einer konstanten Temperatur an die Brücke und

Messen der Temperaturdifferenz über der Kontaktstelle

– Definierte Wärmepfade mit geringen Wärmequerflüssen

– Thermische Referenzwiderstände zur Kontrolle des

Wärmestromes

– Auslesen der Temperaturen nach Einstellen des

stationären Zustands

– Einstellen verschiedener Kontaktkräfte


E-M

agne

t

PV

F

T1_a

T1_b

T1_c

T1_d

TQuelle

T0_a

T0_b

T0_c

T0_d


Folie 17 / 20





– modellbasierte Auswertung (Netzwerk- und FE-

Modelle)

– Kalibriermessung zum Nachweis der Meßunsicherheit

(< 15%)

Thermische Charakterisierung T1

T2

T3

T4

T5

T01. Netzwerk-Modell inPSpice

2. Parameterfindung mitFE-Modell in COMSOL

Schaltkontakt

Kalibrierwiderstand zwischen den Schaltkontakten


Folie 18 / 20





– Schütz, Versuchsstand

Setzungen durch Mikrobewegungen erzeugenWiderstandsschwankungen (elektrisch und thermisch)


Mikrobewegungen

Anordnung im Schütz

Aufbau im Klimaschrank


Folie 19 / 20


Bedeutung des Thermischen Entwurfs

• Alle elektronischen Systeme geben Verlustleistung in Form von Wärme ab.

• Bauelemente, Leitungs- und Verbindungselemente funktionieren nurinnerhalb bestimmter zulässiger Temperaturbereiche.

• Im zulässigen Temperaturbereich nimmt die Ausfallwahrscheinlichkeit mitder Temperatur zu.

• Die Verlustleistungsdichten in der Elektronik erhöhen sich:

– Miniaturisierung

– Erhöhung von Integration und Packungsdichte

– höhere Schaltfrequenzen.

• Elektronische Baugruppen und Geräte arbeiten zunehmend unter höherenEinsatztemperaturen und Schutzgraden.

Thermische Modellierung und experimentelle Charakterisierung sindunverzichtbare Methoden, um den Entwurfsprozess zu unterstützen.

Zusammenfassung


Folie 20 / 20


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Documents

Thermische Modellierung und Charakterisierung