Programm Cooling Days 2023

Im Vortrag wird die grundlegende Physik der Wärmeübertragung zusammengefasst. Dazu gehören die Wärmeleitung, der Wärmeübergang von einer Festkörperoberfläche in das angrenzende Fluid und die Wärmestrahlung. In der Praxis ist der thermische Kontaktwiderstand zwischen zwei Festkörperoberflächen oft der Flaschenhals im Wärmepfad von der Wärmequelle bis zur Wärmesenke. Einfache Gleichungen dazu werden anhand praktischer Beispiele diskutiert. Diese ermöglichen mit Überschlagsrechnungen thermische Verhältnisse abzuschätzen bzw. Simulationsergebnisse zu überprüfen.

Thermische Kontaktwiderstände zwischen Festkörperoberflächen erzeugen in der Praxis oft einen unerwünschten Temperatursprung. Interfacematerialien (TIM), wie beispielsweise Wärmeleitpasten, Gapfiller, GapPads, Wärmeleitfolien oder Phase Change-Materialien verbessern den Wärmetransport an der Kontaktstelle. Sie wirken dem Temperaturanstieg entgegen. Der Vortrag gibt einen Überblick über thermische Interfacematerialien, deren Auswahl und praktische Anwendungen.

Ob Großkonzern oder KMU: Die zunehmende Komplexität fordert die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter mehr denn je. Mehr Kunden und mehr Technik: Das führt zu steigender Arbeitsbelastung, und gerade in der Entwicklung fehlt dann der Systemüberblick. Für eine saubere Produktentwicklung bleibt kaum noch Zeit. Der schnelle Versuch, intuitiv eine brauchbare Lösung zu finden, verbessert die Lieferfähigkeit nicht. Ganz im Gegenteil. Komplette Projekte stehen auf der Kippe. Ist das wirklich nötig?

Die Eröffnungskeynote am 17. Oktober auf dem Kongress Power of Electronics wirft aus der Sicht von Paul, dem Entwickler, und Carla, der Managerin, einen Blick auf einen scheinbar ewigen Interessenkonflikt: Paul ist Elektronikentwickler und will nur seinen Job erledigen. Doch stattdessen klagt er über immer neue Aufgaben und verliert Zeit durch wechselnde Aufgaben. Seine Chefin Carla spürt den Druck von Kunden und Mitbewerbern und muss immer mehr Projekte gleichzeitig starten. 

Konflikte und Stress nehmen auf beiden Seiten zu. Die beiden werden getrieben, statt die Kontrolle zu behalten. Dabei möchten sie eigentlich das Gleiche: Ihre Arbeit erledigen und Qualität liefern.

Mit Verständnis für das Gesamtsystem lässt sich der Konflikt lösen und damit die Lieferfähigkeit verbessern. Die Grundlagen dafür sind geeignete Führung, Fokussierung auf den Kundennutzen (Value), Transparenz und geeignete Werkzeuge zur Visualisierung und Steuerung des Wertflusses (Flow). 

Die Keynote macht das Unsichtbare diskutierbar und gibt Lösungsimpulse. Denn Erfahrungen aus der Praxis zeigen: Paul und Carla können mit weniger Stress und kühlem Kopf mehr erreichen!

Die detaillierte Analyse von Wärmepfaden wird bei immer kleiner werdenden Systemen und stark heterogenen Strukturen zunehmend zur Herausforderung. Mit den klassischen makroskopischen Analysemethoden lassen sich oft nur effektive thermische Widerstände ermitteln. Für zielgerichtete Optimierungen von Wärmepfaden sollten jedoch die Beiträge aller Schichten und vor allem der Übergänge zwischen den Schichten bekannt sein. Im Vortrag werden neue mikroskopische Mess- und Simulationsmethoden, speziell für dünne Interfaceschichten vorgestellt. Mikrothermische Aufnahmen erlauben es, Übergangswiderstände zwischen einzelnen Schichten aufzulösen und mikroskopisch zu analysieren. Zusammen mit begleitenden mikrothermischen Simulationen liefert die neue Methode Einblicke in die thermophysikalischen Vorgänge in dünnen Interfaceschichten und wertvollen Input für die Entwicklung zukünftiger Materialien und Strukturen.

Der Vortrag beschreibt aus der Sicht eines Entwicklers die gängigen Herausforderungen der lüftergestützten Entwärmung und zeigt anhand von Best Practice Beispielen, wie diese bewältigt werden können.

Vorgestellt wird, wie Prozessoren und FPGA´s gekühlt werden ohne dabei bestehende Bauraumvorgaben zu sprengen.

IGBT und MOSFET mit hohen Verlustleistungen sind nicht nur durch den Einsatz großvolumiger Aluminiumprofile zu kühlen. Lüfterunterstützte Durchströmung mit gezielter Lenkung der erwärmten Luft erlauben leichte, kostengünstige und kleinere Kühlkonzepte. Dabei ist es wichtig, die Lebensdauererwartung und die Geräuschentwicklung nicht aus dem Auge zu verlieren und „beliebte“ Fehler zu vermeiden. Für die Zuhörer können sich hierbei Optimierungspotentiale eröffnen, die in der eigenen Arbeit hilfreich sind. Auch bestehende Herangehensweisen werden hinterfragt und etwas anders beleuchtet.

Kupfer und Aluminium sind seit jeher die Leitwerkstoffe für thermische und elektrische Leitfähigkeit. Im Vortrag wird eine neue Technologie vorgestellt, mit der Hybridkühlkörper aus Aluminium und Kupfer hergestellt werden können. Mit der Cold-Spray-Technik können sowohl Beschichtungen als auch 3D-Drucke von Kühlkörpern und Busbars aus Kupfer und Aluminium hergestellt werden. Hybride Kühlkörper verbessern die Wärmeleitfähigkeit und die Weiterverarbeitung gegenüber reinen Aluminiumkühlkörpern erheblich und sind zudem deutlich günstiger in der Herstellung als reine Kupferkühlkörper.

Michael Dasch ist als International Sales Manager bei der Impact Innovations GmbH seit mehreren Jahren Ansprechpartner für Wärmetransfer-Applikationen. Dazu zählen Kühlkörper-, EV-, Busbar- und Kochgeschirrapplikationen. 

Die 3D CFD-Simulation hat heutzutage in vielen Entwicklungsbereichen nicht nur Einzug gehalten – sie ist auch unverzichtbar geworden.

Speziell in der Elektronikentwicklung wird diese an verschiedensten Stationen von der Konzeptphase bis hin zur realistischen Kopie des Prototyps eingesetzt.

In diesem Vortrag werden drei Entwicklungsstadien beleuchtet, welche unterschiedlichste Schnittstellen und Objektdetails in das Simulationsmodell einfließen lassen und so der Realität immer näherkommen.

Doch man wird überrascht sein, mit wie wenigen Details man schon genug Ergebnisse produzieren kann, um fundierte Entscheidungen für den weiteren Entwicklungsweg zu treffen. 

Das Wärmemanagement in technischen Produkten gewinnt unbestritten an Bedeutung. Diese Entwicklung ist auf die Veränderung der Kundenwünsche hinzu smarten Produkten, höheren Schutzarten und hoher Leistungsdichte zurückzuführen. In diesem Beitrag wird eine durchgehende Strategie für die entwicklungsbegleitende thermische Analyse im Rahmen von Digital Engineering beschrieben und an Beispielen aus der Praxis bei Festo SE & Co. KG erläutert. In diesem Zusammenhang sind elektronische Produkte von höherer Relevanz, jedoch beschränken sich die Analysen nicht auf diese Produktgruppe.

Für thermische Analysen werden bei Festo modernste digitale Werkzeuge eingesetzt. Die Berechnung der konjugierten Wärmeübertragung (Kopplung des Wärmetransports mit Strömungsphänomenen, Conjugate Heat Transfer – CHT) erfolgt sowohl mit kommerzieller als auch mit kostenfreier Simulationssoftware. Jede Software hat hierbei in spezifischen Einsatzbereichen ihre Stärken. Doch thermische Berechnungen sind vom ersten Entwurf oft in jeder Produktentwicklungsphase und darüber hinaus notwendig. Die Hardwareentwicklung, die Realisierung der Steuerungen, Condition Monitoring, etc. erfordern jeweils effiziente Vorgehensweisen und Modelle mit einem angemessenen Detaillierungsgrad für unterschiedliche Produktlebensphasen. Die CHT-Analyse wird bei Festo von der Systemsimulation entscheidend ergänzt.

Die entwicklungsbegleitende thermische Berechnung beginnt in der Entwurfsphase mit dem sogenannten virtuellen „Brick“-Test. Hierbei werden für das Produkt die Wärmeabgabe mit einer unternehmenseigenen Software berechnet und das Kühlungskonzept sowie die Gehäusegröße für die zu erwartende Verlustleistung iterativ festgelegt. Gleich nach dem ersten Produktentwurf entsteht auch das erste thermische Systemmodell. Hierfür werden die Entwurfsparameter – Gehäuseabmessungen und Verlustleistung – in ein zunächst sehr einfaches thermisches Netzwerk überführt.

Das Netzwerkmodell repräsentiert das thermische Verhalten des Produktes als ein Systemmodell und wird in jeder Entwicklungsphase detailliert und erweitert. So werden der interne Produktaufbau und die externen Betriebsbedingungen modelliert. Das Systemmodel ermöglicht mit dem zunehmenden Detaillierungsgrad genauere Vorhersagen für die Temperatur der Baugruppen und Komponenten des Produkts. Oft sind hierfür analytische Elementarmodelle der Wärmeübertragung ausreichend. Diese Elementarmodelle werden bei Festo in einer unternehmenseigenen Modelica-Modellbibliothek bereitgestellt und weiterentwickelt.

Bei höherem Genauigkeitsanspruch werden Reduced Order Models (ROMs) als Teile des thermischen Netzwerkmodells verwendet oder ersetzen dieses. Die ROMs werden unter anderem mithilfe der Software für klassische CHT generiert. Im Vergleich sind mit solchen thermischen Systemmodellen sehr kurze Berechnungszeiten möglich, sodass hochdynamische thermische Lasten und/oder Langzeitverhalten analysiert werden. Im Entwurf der Gerätesteuerung finden thermische System- oder Baugruppenmodelle oft Einsatz. Damit werden z.B. virtuelle Temperatursensoren realisiert oder erforderliche Derating-Zeitintervalle nach Überlastzyklen ermittelt. Ferner können mit den Systemmodellen thermische Analysen für eine typischerweise hohe Variantenzahl von modular aufgebauten Geräten mit geringem Aufwand durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Erweiterbarkeit der thermischen Systemmodelle zu multiphysikalischen Modellen. Diese multiphysikalischen Verhaltensmodelle können z.B. in digitalen Zwillingen eingesetzt werden. Damit werden Wechselwirkungen zwischen physikalischen Effekten analysiert und können ganzheitlich optimiert werden, wie z.B. der Einfluss der Temperatur auf die Kraftwirkung eines Elektromagneten oder die Auswirkungen der zyklischen Druckänderungen in einem pneumatischen Netzwerk auf die Temperatur des Gerätes.

Im Beitrag wird die Anwendung der beschriebenen Modellierungs- und Analysemethoden für ein praxisnahes Produkt in unterschiedlichen Entwicklungsphasen diskutiert. Der Einsatz erforderlicher Simulationssoftware wird erläutert. Im Besonderen wird die Erstellung der thermischen Systemmodelle beschrieben und deren Verwendung in der Produktentwicklung dargelegt. Vorteile und Grenzen der Vorgehensweisen werden erörtert.

Temperaturprobleme können in vielen Fällen bereits in der frühen Designphase von elektronischen Geräten vermieden werden. Bereits während der Schaltplanentwicklung helfen Spice-Simulationen, die Temperaturen in den Chips der Leistungselektronik sowohl im Dauerbetrieb als auch im getakteten Betrieb zu berechnen. Dabei ist die richtige Auswahl der elektronischen Komponenten unter Berücksichtigung der Erwärmung und der zu erwartenden Umgebungstemperaturen wichtig, damit diese sicher arbeiten können. Intelligente Kühlkonzepte sind erforderlich und sollten bereits in der Designphase erarbeitet werden. 

Dabei ist unter anderem das Layout der Leiterplatte zu berücksichtigen. Ein hoher Spannungsabfall kann zur Erwärmung der Leiterplatte beitragen. Durch geeignete Maßnahmen können solche Hot Spots frühzeitig erkannt und beseitigt werden. Eine optimierte Verlegung der Leiterbahnen hilft, den Wärmestau zu minimieren und eine effektive Wärmeableitung zu ermöglichen. Thermisch basierte Regelwerke unterstützen den Leiterplattenentwickler zusätzlich bei der Einhaltung von Bauteilabständen, um eine Erwärmung von vornherein zu vermeiden.

Die Teilnehmer lernen, wie sich thermische Probleme systematisch vermeiden lassen und wie ein durchgängiges thermisches Konzept von der Bauteilauswahl bis zur bestückten Baugruppe die Entwärmung unterstützt. Jeder Entwicklungsschritt kann virtuell begleitet werden, so dass kostspielige Fehler vermieden werden.

Wie funktioniert eine Heat Pipe? Wie wird eine Heatpipe gebaut? Was sind die notwendigen Randbedingungen? Welche Grenzen gibt es? Wo ist der Einsatz sinnvoll? Wie werden Heat Pipes in der Konstruktion/Simulation berücksichtigt? 

Der Übersichtsvortrag gibt einen Einblick in die Technologie „Heat Pipe“ und zeigt neben den unterschiedlichen Bauformen die industrielle Fertigung, Qualitätsmerkmale und die für den Anwender sehr wichtigen leistungsbeeinflussenden Faktoren. Neben der Bestätigung von Vorurteilen werden auch Mythen und Fehleinschätzungen diskutiert.

Der Vortrag beschäftigt sich mit den verschiedenen Basischemikalien, den Füllstoff-Technologien zur Wärmeleitung, den verschiedenen Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten, aber auch mit den wichtigen Aufbereitungsprozessen und der fehlerfreien Verarbeitung, beispielsweise unter Vakuum oder mit verschiedenen Vernetzung-Szenarien. Es geht um die Fragen: 

• Welche unterschiedlichen Anforderungen gibt es an wärmeleitende Vergussmaterialien?
• Was muss ich bei der Auswahl beachten?
• Welche Prozesse stehen hinter den verschiedenen Lösungen?

Im Vortrag werden die Werkstoffe Thermoplastische Elastomere (TPE) und hexagonales Bornitrid (hBN) vorgestellt. TPE vereinen die Verarbeitungseigenschaften von Thermoplasten mit der Weichheit und Flexibilität von Elastomeren. Klassische TPE-Produkte sind Isoliermaterialien, die keine Wärmeleitfähigkeit besitzen. Wie Thermoplaste werden TPE durch Wärmezufuhr spritzgieß- und extrudierbar. Nach dem Abkühlen kehren sie zu ihren ursprünglichen elastischen Eigenschaften zurück und können daher wie Thermoplaste recycelt werden.

Für den Einsatz als Wärmeleitmaterial ist Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Hier kann Bornitrid seine Vorteile ausspielen. Neben der hohen Wärmeleitfähigkeit bietet Bornitrid-Pulver in diesem Fall weitere nützliche Eigenschaften wie gute Temperatur- und Abriebbeständigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante sowie ein hervorragendes elektrisches Isolationsvermögen. Die Wärmeleitfähigkeit erreicht in Verbindung mit Thermoplasten Werte von über 10 W/m*K. Bornitrid macht somit aus einem Kunststoff mit unzureichenden Wärmeleiteigenschaften einen guten Wärmeleiter bei gleichzeitiger elektrischer Isolation und bietet damit erhebliche Designfreiheit im Elektronikbereich. Anhand von Beispielen werden Ergebnisse von TPE mit Wärmeleitfähigkeit vorgestellt. Neben der guten Wärmeleitfähigkeit zeichnen sich die TPE-Compounds durch ihre Haftung zu Thermoplasten wie PP oder PA aus. Mögliche Anwendungen reichen von der E-Mobilität über LED-Beleuchtung bis hin zu Powertools.

Für zuverlässige leistungselektronische Produkte müssen Entwickler den thermischen Widerstand kennen. Dieser bestimmt den Temperaturanstieg im Betrieb und eine Überschreitung der Grenztemperatur der Sperrschicht lässt Halbleiter ausfallen. Der stationäre Wärmewiderstand lässt sich direkt oder indirekt durch Messung der Sperrschicht- und Kühlmitteltemperatur bestimmen. Es fehlen jedoch Informationen über den thermischen Pfad, also das thermische Verhalten der Aufbau- und Verbindungstechnik sowohl des Moduls als auch seiner Anbindung an die Wärmesenke.

Der stationäre Wärmewiderstand trifft nur eine Aussage darüber, ob ein Defekt vorliegt. Strukturfunktionen bilden die thermischen Zeitkonstanten einer Anwendung ab und geben einen Einblick in das Innere des thermischen Pfades. Die Berechnung von Strukturfunktionen sowie die messtechnische Erfassung der dazu notwendigen Abkühlkurven werden im Vortrag grundlegend behandelt. Darüber hinaus wird ein Überblick über die Möglichkeiten gegeben, die Strukturfunktionen im Rahmen der Zuverlässigkeitsanalyse sowie der Entwicklung von Leistungsmodulen und deren Kühltechnologien bieten.

Die Teilnehmer des Vortrags lernen die Zeitkonstanten thermischer Systeme und deren Abbildung in der Strukturfunktion kennen. Außerdem helfen Strukturfunktionen bei der Fehleranalyse und schließlich unterstützen Strukturfunktionen aus Simulationen den Entwicklungsprozess.

Von der ersten Verlustleistungsabschätzung bis zum simulationsoptimierten Kühlkörper für Elektronikgehäuse. Das Thermomanagement von Phoenix Contact unterstützt Elektronikentwickler im gesamten Entwicklungsprozess ihrer Geräte mit den richtigen Werkzeugen zur richtigen Zeit. Hier helfen integrierbare passive Kühlkörper für Elektronikgehäuse. Mit ihnen lässt sich eine allzu starke Erwärmung verhindern und gleichzeitig eine größere Verlustleistungen aus dem Gerät abführen. Die an die Gehäuse angepassten Kühlkörperprofile fügen sich in das Gerätedesign ein und sorgen für eine zuverlässige Entwärmung von Hot Spots auf der Leiterplatte. 

Ergänzend können mithilfe einer Online-Thermosimulation bereits in einem frühen Stadium der Geräteentwicklung wichtige Erkenntnisse über die spätere Erwärmung gewonnen werden. Dabei definiert der Kunde seine Simulationsparameter vollständig selbst und erhält anschließend sein individuelles thermisches Ergebnis für den angenommenen Lastfall. Sollte die Simulation detaillierter sein, bietet Phoenix Contact mit seinen Simulationsexperten einen Service, mit dem das Gerät des Kunden in feinster Leiterplattenauflösung simuliert wird und sich gradgenaue Ergebnisse erzielen lassen.