.jpg "Umfassendes Interfacing zur 3D-Temperatursimulation")
.jpg "Luftführung simulativ prüfen und optimieren")
Im Laufe der letzten 25 Jahre mauserte sich diese Art von Spezialsoftware (CFD = Computational Fluid Dynamics, was soviel heißt wie „Berechnung und Vorhersage des Temperaturverhaltens und der Fluidbewegung in einem fest bestimmten Berechnungsraum, wie zum Beispiel einer Klimakammer) von einem kaum anwendbaren akademischen Algorithmus der Wissenschaft zu einem in der Elektronikentwicklung täglich einsetzbaren Analysewerkzeug. Dabei wurde die Leistung solcher Software meist nur von der am Markt verfügbaren Hardware und den Möglichkeiten des Betriebssystems (erst 16 bit, dann 32bit und nun 64bit) eingeschränkt. Die Vision, eine „One-Button-Solution“ mit dem Namen „Thermal Solve“ zu generieren, wurde zum Antreiber dieser Industriesparte. Viele Lösungsansätze sind hierzu auf dem Markt zu finden. Die Einen schwören auf die 100-prozentige Integration dieser Analysefunktion in ihrer CAD-Welt, andere versprechen eine virtuelle Werkbank verschiedener Analysewerkzeuge, welche auf nur ein Urmodell zurückgreifen. Dritte bieten Werkzeuge mit umfangreicher Anbindung in die CAD- (Konstruktion) und EDA-Welt (PCB-Routing) an und konzentrieren den Fokus auf die Aufgabenstellung, der Temperatur- und Strömungsberechnung.
Diese dritte Art der Analysewerkzeuge zeichnet sich durch ihren Fokus durch einfache Bedienbarkeit, effiziente industriespezifische Modellierungsmöglichkeiten sowie einer stabilen und schnellen Berechnung aus. Hier ist im Speziellen die Software CelsiusEC, bisher bekannt als 6SigmaET, zu nennen.
CelsiusEC ist ein branchenspezifisches CFD-Simulationswerkzeug. Dies bedeutet, dass sich alle Modellierungsmöglichkeiten, alle Automatismen sowie selbst der CFD Solver sich auf die Aufgabenstellung für Entwickler im Elektronik-Gerätesektor konzentrieren.
Die Kunst ist es, den Mix aus Automatismen, Integration und Solverleistung so zu komponieren, dass ein ausgebildeter Ingenieur binnen weniger Stunden zu aussagekräftigen Simulationsergebnissen über den thermischen Charakter seines Produktes kommt. Es gibt keine perfekte Lösung, welche auf alle Anforderungen im gesamten Elektronikumfeld passt, aber durch die stetig wachsende PC-Leistung am Arbeitsplatz wachsen auch zukünftig die kleinen automatischen Helfer in solch einem Analysewerkzeug, welche es dem Ingenieur immer leichter machen, sein Produkt virtuell fehlerfrei abzubilden. Waren bisher noch wenige Millionen Lösungszellen an einer Workstation kaum handhabbar, so bieten heutige Systeme mit 64bit und Unmengen an Arbeitsspeicher einer starken CPU und GPU und Parallelisierung die Basis, um komplette Elektronikgeräte in CAD-realer Geometrie numerisch aufzulösen und in einer überschaubaren Zeit vollständig zu berechnen.
Aber eine tägliche, effiziente Nutzung einer CFD-Software parallel zu den Designänderungen aus der mechanischen Konstruktion und der Hardwareabteilung ist ohne einen smarten Datenaustausch kaum zu realisieren.
Da wir nicht nur von der thermischen Simulation eines Kühlkörpers mit wenigen angebundenen Wärmequellen sprechen, sondern auch detaillierte Geräte mit mehreren detaillierten Leiterplatinen, integrierten Lüftern, Heatpipes und komplexer Gehäusegeometrie analysieren und optimieren möchten, ist ein intelligenter Filter Grundvoraussetzung, um die Datenflut schon beim Import zu bändigen und in eine brauchbare Form zu bringen.
Auch sollten verschiedene Schnittstellen für den CAD-Import bereitgestellt werden. Warum? Ganz einfach, weil eine Step-Datei aus verschiedenen Designtools oft eine sehr unterschiedliche Datenqualität aufweist und dadurch schon gewisse Modellfehler (fehlende Objekte, offene Flächen oder komplett beschädigte Modellgeometrie) mit sich bringt.
Eine gute und qualitativ hochwertige Schnittstelle ist Parasolid, welche zusätzlich neben dem in der Step-Datei übergebenen CAD-Konstruktionsbaum auch die Objektfarben und Materialdaten mit übergibt. Aber auch native Schnittstellen zu allen gängigen Konstruktionswerkzeugen können dem Simulationsspezialisten das Leben erleichtern.
Während des Importvorgangs kann bei intelligenten Schnittstellen noch ein „Sanity Check und Healing“ vorgenommen werden, was meist die Datenqualität stark verbessert. Ist das CAD-Modell importiert, kann dieses über einen eigenen Editierungsbereich (ACIS-Kernel) noch den eigenen Bedürfnissen angepasst werden (Über Filter, die komplexe Geometrie vereinfachen, oder eventuelle kleine Anpassungen für die angestrebte optimierten Kühlwege).
Der Import der Hardwaredaten aus dem Platinen-Design ist weitaus vielschichtiger. Im Gegensatz zur mechanischen Konstruktion ist eine Platine in ihrer Form nicht erst grob und wird nur feiner und komplexer designed – eine Leiterplatine wird über deren Designprozess mehr und mehr in ihrer Funktionsweise vervollständigt (Komponentenauswahl und Routing) und bietet erst mit dem finalen Routing die endgültigen thermischen Kontakte und Wärmewege in dem Lagenaufbau. Somit muss ein früher Datenimport Möglichkeiten anbieten, mit wenigen PCB-Details schon ein brauchbares Simulationsmodell aufbauen zu können.
Ein erstes grobes Platinen-Modell für eine thermische Simulation beinhaltet zum Beispiel nur die Position der Komponenten auf einer geometrisch in ihren Umrissen definierten Leiterplatine (Schnittstellen hierfür: IDF oder STEP) und einer über ein Menü vordefinierten Lagenschichtung (zum Beispiel 8 Signallagen á 0,035mm dicke mit je 80 Prozent Kupferanteil. Mit diesen ersten Annahmen können thermische Simulationen schon Genauigkeiten in der Vorhersage von +/- 5-10 Prozent zur späteren Messung erreichen.
Steht aus der Hardwareabteilung schon ein funktionsfertiges Platinendesign zur Verfügung, kann dieses detailliert via IPC2581 oder ODB++ Schnittstelle mit allen nötigen Details eingelesen werden. Hierdurch können per Mausklick alle Leiterbahnen, Bohrungen, Vias (ob Micro-Vias oder durchgehendes Via, gefüllt oder nur geplated) und plazierte Komponenten direkt in das Simulationsmodell importiert werden. Lediglich der Import (zum Beispiel via CSV-Tabelle) oder die manuelle Vergabe der Komponentenverluste muss noch vorgenommen werden. Beinhaltet die Aufgabenstellung der thermischen Simulation auch die spezielle Erwärmung von höher bestromten Leiterbahnen, muss lediglich der Ein- und Ausgang der Stromquelle für die Joulsche Wärmeberechnung manuell
definiert werden.
Durch diese Interfacemöglichkeiten spart sich der Simulationsexperte mehrere Stunden Arbeit beim Modellaufbau. Viele Details können vom Anwender per Mausklick direkt in einem Simulationsmodell übernommen werden. Änderungen während der Designphase aus der Konstruktion werden vom Interface erkannt und bei erneutem Import im Simulationsmodell direkt ausgetauscht. Vernetzungseinstellungen sowie Materialdaten bleiben bestehen.
Somit ist die Frage, ob eine entwicklungsbegleitende CFD-Simulation mit den heutigen Tools und Möglichkeiten erreicht werden kann, klar zu bejahen.
