thermische modellierung und charakterisierung
TRANSCRIPT
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
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 3 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
• 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
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 4 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
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
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 5 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
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
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 6 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Leitung
T0
Konvektion
T0
StrahlungT0
Thermische Modellierung
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
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 7 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Ansätze und Methoden
• 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)
Thermische Modellierung
Bsp. TO220
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 8 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Thermische Modellierung
Stationäres Temperaturfeld (FE-Modell)
Ansätze und Methoden
• Vergleich NW- und FEM-Methode
– Bsp. Chipmodul auf LP
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 9 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
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
Thermische Modellierung
Gehäuse innen und außen isotherm
PCB isotherm
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 10 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Thermische Modellierung
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
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 11 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
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
Thermische Modellierung
1 101
10
100
1000
Überlastauslöser, Inenn = 16 A
Simulation Kennlinie Datenblatt
Aus
löse
zeit
[s]
n x Inenn [A]
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 12 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
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
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 13 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
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
Thermische Charakterisierung
1 – geklebt2 – geschraubt3 – verstemmt4 – Klebeband
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 14 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
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
Thermische Charakterisierung
P
DAD
TTRφ−
=
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 15 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Beispiel - Durchgangswiderstand Kontaktwerkstoffe
• Messung des thermischen Durchgangswiderstandes
nach ASTM D5470-01
– modellbasierte Auswertung
– Messunsicherheit < 10%
– Wärmeleitmedium bestimmt Rth
Thermische Charakterisierung
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]
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 16 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
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
Thermische Charakterisierung
E-M
agne
t
PV
F
T1_a
T1_b
T1_c
T1_d
TQuelle
T0_a
T0_b
T0_c
T0_d
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 17 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Beispiel - Therm. Widerstand Schaltkontakte
• Messung des thermischen Gesamtwiderstandes an
Niederspannungs-Schaltkontakten
– 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
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 18 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Beispiel - Therm. Widerstand Schaltkontakte
• Messung des thermischen Gesamtwiderstandes an
Niederspannungs-Schaltkontakten
– Schütz, Versuchsstand
Setzungen durch Mikrobewegungen erzeugenWiderstandsschwankungen (elektrisch und thermisch)
Thermische Charakterisierung
Mikrobewegungen
Anordnung im Schütz
Aufbau im Klimaschrank
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 19 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
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
Dipl.-Ing. E. Bindl Thermische Modellierung und Charakterisierungfeinwerktechnischer Baugruppen
Folie 20 / 20
Fakultät Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !