@inproceedings{SchachtPunchMertenetal., author = {Schacht, Ralph and Punch, Jeff and Merten, Enrico and Rzepka, Sven and Michel, Bernd}, title = {Thermo-fluidisch gekoppelte Untersuchung von Flip-Chips auf einer Leiterplatte}, series = {Elektronische Baugruppen und Leiterplatten EBL 2016, 8. DVS/GMM-Tagung vom 16.-17. Februar 2016 in Fellbach}, booktitle = {Elektronische Baugruppen und Leiterplatten EBL 2016, 8. DVS/GMM-Tagung vom 16.-17. Februar 2016 in Fellbach}, editor = {Schacht, Ralph}, publisher = {VDE Verlag}, address = {Berlin, Offenbach}, isbn = {978-3-8007-4147-2}, pages = {267 -- 272}, abstract = {Die Konzentration von elektronischen und mechanischen Komponenten auf einer Leiterplatte (z.B. Main board) nimmt st{\"a}ndig zu. Dies f{\"u}hrt zu h{\"o}heren Verlustleistungsdichten und somit zu strengeren Anforderungen an das thermische Management. In momentanen und zuk{\"u}nftigen luftgek{\"u}hlten Anwendungen wird, neben der reinen konduktiven Interaktion zwischen elektronischen Komponenten {\"u}ber die Leiterplatte, zuk{\"u}nftig auch die fluidische Interaktion der nat{\"u}rlichen und forcierten Konvektion w{\"a}hrend des Leiterplattendesigns mit zu ber{\"u}cksichtigen sein. Der Schaltkreisentwickler ben{\"o}tigt hier zus{\"a}tzliche Informationen {\"u}ber die thermo-fluidisch gekoppelten Einfl{\"u}sse zwischen den kritischen w{\"a}rmedissipierenden Komponenten sowie fluidischer {\"U}berlagerungen in Folge anderer angrenzender Komponenten oder mechanischer Komponentengeh{\"a}use. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Benchmark-Studien zu konvektiven und konduktiven thermischen Interaktionen f{\"u}r verschiedene kommerziell erh{\"a}ltliche mikroelektrische Geh{\"a}usetypen ver{\"o}ffentlicht. Heutzutage hat sich die Flip-Chip (FC) Aufbautechnologie von ungeh{\"a}usten Chips (bare dies) etabliert. Von daher besteht der Bedarf f{\"u}r eine thermische Benchmark Studie f{\"u}r FC Aufbauten. Die vorliegende Studie untersucht die nat{\"u}rlichen und forcierten thermo-fluidischen Einfl{\"u}sse zwischen ungeh{\"a}usten FC's und anderen Komponenten, welche auf mehreren Testleiterplattendesigns aufgebaut und mit der CFD-Simulation verglichen wurden. Ein Vergleich der ersten analysierten Scenarios zeigt eine nachvollziehbare {\"U}bereinstimmung zwischen den experimentellen und den Simulationsergebnissen.}, language = {de} } @inproceedings{AboRasMaySchachtetal., author = {Abo Ras, Mohamad and May, Daniel and Schacht, Ralph and Bast, M. and Eisle, R. and Michel, Bernd and Winkler, Thomas and Rzepka, Sven and Wunderle, Bernhard}, title = {"LaTIMA" an Innovative Test Stand for Thermal and Electrical Characterization of Highly Conductive Metals, Die Attach, and Substrate Materials}, series = {21st International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems, Sept. 30 2015 - Oct. 2 2015}, booktitle = {21st International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems, Sept. 30 2015 - Oct. 2 2015}, publisher = {IEEE}, address = {Piscataway, NJ}, isbn = {978-1-4673-9705-6}, pages = {6}, abstract = {This paper deals with the development of an innovative test stand for the measurement of thermal and electrical conductivity of metals, semiconductors, highly conductive die attaches and substrates using the steady state technique for thermal characterization and four-terminal sensing with pulse delta technique for electrical characterization. We present a systematic study of sintered silver in order to investigate the influence of sintering conditions on thermal and electrical properties. Several sintered silver samples have been prepared under sintering temperature variation between 200°C and 270°C and sintering pressure variation between 5 MPa and 25 MPa. The characterization results diversify up to 200\% for thermal conductivity and up to 330\% for electrical conductivity. The Wiedemann-France law describes the relationship between electrical and thermal conductivities for bulk metals. We proved that this law applies not only for bulk metal but also for porous sintered metal.}, language = {en} } @inproceedings{SchachtPunchMertenetal., author = {Schacht, Ralph and Punch, Jeff and Merten, Enrico and Rzepka, Sven and Michel, Bernd}, title = {Thermo-Fluidic Coupled Analysis of Flip-Chip Mounted Thermal Test Chips on a PCB - a Numerical and Experimental Study}, series = {21st International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems}, booktitle = {21st International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems}, editor = {Schacht, Ralph}, publisher = {IEEE}, address = {Piscataway, NJ}, isbn = {978-1-4673-9705-6}, abstract = {CFD Analysis of Flip-Chip Mounted Devices on PCB - A Numerical and Experimental Study}, language = {en} } @inproceedings{SchachtPunchMertenetal., author = {Schacht, Ralph and Punch, Jeff and Merten, Enrico and Rzepka, Sven and Michel, Bernd}, title = {Thermo-fluidisch experimentelle Untersuchung sowie CFD-Simulation f{\"u}r eine Leiterplatte mit Flip-Chip Aufbauten im Windkanal}, series = {Elektronische Baugruppen und Leiterplatten, EBL 2016, multifunktionale Baugruppen - Leistungsdichte am Limit?, 8. DVS/GMM-Tagung vom 16.-17. Februar 2016 in Fellbach}, booktitle = {Elektronische Baugruppen und Leiterplatten, EBL 2016, multifunktionale Baugruppen - Leistungsdichte am Limit?, 8. DVS/GMM-Tagung vom 16.-17. Februar 2016 in Fellbach}, publisher = {VDE Verlag}, address = {Berlin-Offenbach}, isbn = {978-3-8007-4147-2}, pages = {267 -- 272}, abstract = {Die Konzentration von elektronischen und mechanischen Komponenten auf einer Leiterplatte (z.B. Main board) nimmt st{\"a}ndig zu. Dies f{\"u}hrt zu h{\"o}heren Verlustleistungsdichten und somit zu strengeren Anforderungen an das thermische Management. In momentanen und zuk{\"u}nftigen luftgek{\"u}hlten Anwendungen wird, neben der reinen konduktiven Interaktion zwischen elektronischen Komponenten {\"u}ber die Leiterplatte, zuk{\"u}nftig auch die fluidische Interaktion der nat{\"u}rlichen und forcierten Konvektion w{\"a}hrend des Leiterplattendesigns mit zu ber{\"u}cksichtigen sein. Der Schaltkreisentwickler ben{\"o}tigt hier zus{\"a}tzliche Informationen {\"u}ber die thermo-fluidisch gekoppelten Einfl{\"u}sse zwischen den kritischen w{\"a}rmedissipierenden Komponenten sowie fluidischer {\"U}berlagerungen in Folge anderer angrenzender Komponenten oder mechanischer Komponentengeh{\"a}use. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Benchmark-Studien zu konvektiven und konduktiven thermischen Interaktionen f{\"u}r verschiedene kommerziell erh{\"a}ltliche mikroelektrische Geh{\"a}usetypen ver{\"o}ffentlicht. Heutzutage hat sich die Flip-Chip (FC) Aufbautechnologie von ungeh{\"a}usten Chips (bare dies) etabliert. Von daher besteht der Bedarf f{\"u}r eine thermische Benchmark Studie f{\"u}r FC Aufbauten. Die vorliegende Studie untersucht die nat{\"u}rlichen und forcierten thermo-fluidischen Einfl{\"u}sse zwischen ungeh{\"a}usten FC's und anderen Komponenten, welche auf mehreren Testleiterplattendesigns aufgebaut und mit der CFD-Simulation verglichen wurden. Ein Vergleich der ersten analysierten Scenarios zeigt eine nachvollziehbare {\"U}bereinstimmung zwischen den experimentellen und den Simulationsergebnissen.}, language = {de} } @inproceedings{SchachtRzepkaDeodatetal., author = {Schacht, Ralph and Rzepka, Sven and Deodat, Andreas and Michel, Bernd}, title = {Parametrisches transientes thermo-elektrisches PSPICE Modell f{\"u}r ein zwei-adriges Stromkabel}, series = {Elektronische Baugruppen und Leiterplatten, EBL 2016, multifunktionale Baugruppen - Leistungsdichte am Limit?, 8. DVS/GMM-Tagung vom 16.-17. Februar 2016 in Fellbach}, booktitle = {Elektronische Baugruppen und Leiterplatten, EBL 2016, multifunktionale Baugruppen - Leistungsdichte am Limit?, 8. DVS/GMM-Tagung vom 16.-17. Februar 2016 in Fellbach}, publisher = {VDE Verlag}, address = {Berlin-Offenbach}, isbn = {978-3-8007-4147-2}, pages = {294 -- 298}, abstract = {Aufbauend auf dem bereits einf{\"u}hrten transienten thermo-elektrisch gekoppelten Makromodell f{\"u}r ein ein-adriges Stromkabel wird die Adaption auf ein zwei-adriges Stromkabel, sowie deren Verifikation mittels Experiment und einer Finite-Elemente-Simulation vorgestellt. Das parametrische Makromodell ist f{\"u}r den Einsatz in einem Schaltungssimulator wie z.B. PSPICE geeignet. Die Verifikation der statischen und transienten Simulationsergebnisse zwischen ANSYS, PSPICE und Experiment zeigen, je nach den {\"a}ußeren Randbedingungen eine gute {\"U}bereinstimmung. Sowohl mit dem ein-adrigen als auch dem erweiterten zwei-adrigen Makromodell ist es m{\"o}glich, auf Systemebene schnell f{\"u}r verschiedene thermische Randbedingungen und Kabelgeometrien zu modellieren und somit eine zeitsparende, transient gekoppelte thermo-elektrische Simulation je nach den Randbedingungen des Einbauorts durchzuf{\"u}hren. Hierbei unterst{\"u}tzt die parametrische Modellierung eine Beschreibung der "realen thermischen" Montagebedingungen (z.B. in einem Auto - Motorraum, Fahrzeuginnenraum). Es erm{\"o}glicht dem Entwickler sich einen schnellen {\"U}berblick {\"u}ber die thermischen Einfl{\"u}sse und Temperaturen entlang des Stromkabels zu verschaffen und so z.B. bei der Kabelauslegung hinsichtlich Gr{\"o}ße und Gewicht (Kupfer Durchmesser, verwendetes Isoliermaterial) sowie dem Einbauort (W{\"a}rmeleitung, Konvektion, Strahlung) dieses zu optimieren.}, language = {de} } @inproceedings{SchachtRzepkaMichel, author = {Schacht, Ralph and Rzepka, Sven and Michel, Bernd}, title = {Parametrisches transientes thermo-elektrisches PSPICE Modell f{\"u}r ein Stromkabel}, series = {AME - Automotive meets electronics, Beitr{\"a}ge der 5. GMM-Fachtagung vom 18. bis 19. Februar 2014 in Dortmund}, booktitle = {AME - Automotive meets electronics, Beitr{\"a}ge der 5. GMM-Fachtagung vom 18. bis 19. Februar 2014 in Dortmund}, editor = {Wahl, Michael}, publisher = {VDE Verlag}, address = {Berlin [u.a.]}, isbn = {978-3-8007-3580-8}, pages = {112 -- 116}, abstract = {F{\"u}r ein zun{\"a}chst einadriges Stromkabel wird ein transientes thermo-elektrisch gekoppeltes Makromodell sowie deren Verifikation mittels Experiment und einer Finite-Elemente-Simulation vorgestellt. Das parametrische Makromodell ist f{\"u}r den Einsatz in einem Schaltungssimulator wie z.B. PSPICE geeignet. Die Verifikation der Simulationsergebnisse zwischen ANSYS und PSPICE zeigen eine gute {\"U}bereinstimmung. Der Vergleich zwischen Experiment und der PSPICE Simulation sind akzeptabel. Mit dem vorgestellten Makromodell ist es m{\"o}glich, auf Systemebene schnell verschiedene thermische Randbedingungen und Kabel Geometrien zu modellieren und eine zeitsparende, transient gekoppelte thermo-elektrische Simulation durchzuf{\"u}hren. Da die parametrische Modellierung eine Beschreibung der "realen thermischen" Montagebedingungen (z.B. in einem Auto oder LKW) unterst{\"u}tzt, ist es m{\"o}glich sich einen {\"U}berblick {\"u}ber die thermischen Einfl{\"u}sse und Temperaturen entlang des Stromkabels zu verschaffen und so die Kabelauslegung hinsichtlich Gr{\"o}ße und Gewicht (Kupfer Durchmesser, verwendetes Isoliermaterial) und Einbauort (W{\"a}rmeleitung, Konvektion, Strahlung) zu optimieren.}, language = {de} } @inproceedings{SchachtHausdorfWunderleetal., author = {Schacht, Ralph and Hausdorf, Alexander and Wunderle, Bernhard and Rzepka, Sven and Michel, Bernd}, title = {Efficiency optimization for a frictionless air flow blade fan - design study}, series = {14th IEEE ITHERM Conference, Orlando(Fl), USA, May 30th, 2014}, booktitle = {14th IEEE ITHERM Conference, Orlando(Fl), USA, May 30th, 2014}, publisher = {IEEE}, address = {Piscataway, NJ}, isbn = {978-1-4799-5267-0}, pages = {1019 -- 1026}, abstract = {This paper resumes the frictionless fan concept which was introduced at itherm 2012 [1]. This concept was based on a flexible polymer blade, the vibration of which is, as opposite to the piezoelectric driven fan principle, driven by means of a magnetic field. This type of fan can be of interest in regions where otherwise the fluid flow would be stagnant. This paper presents the results of a further in depth design study to reduce power loss and form factor as well as to optimize fan efficiency. Therefore, different blade materials and shapes, different sheet materials for the inductive stimulation as well as the influence of coil shape, value and number were under investigation. As a result, the size could be reduced by half and the efficiency could be doubled. A maximum flow rate of 14 l/min and a static pressure of 3 Pa at 240 mW fan power could be reached.}, language = {en} } @misc{SchachtRzepka, author = {Schacht, Ralph and Rzepka, Sven}, title = {Transient Electro-Thermal Coupled System Simulation - Modeling Approach and Experimental Validation}, series = {17th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm)}, journal = {17th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm)}, isbn = {978-1-5386-1272-9}, doi = {10.1109/ITHERM.2018.8419490}, pages = {8}, abstract = {This contribution describes an approach for modeling a coupled electro-thermal design problem for the transient system simulation based on the analog circuit simulator SPICE - means: the time-varying electrical functional behavior of several neighboring components influence the time-varying thermal behavior of the setup and interconnection environment, which in turn affects the time-varying electrical behavior of these components. Due to the SPICE model description this is currently not possible. For this purpose, both electrical and thermal modeling methods as well as the coupling of these models are presented. The electrical model is based on the fundamental equations of semiconductor physics. With the help of the respective physical parameters, the electrical model can easily be extended to an existing library component or that of a manufacturer component SPICE description. The thermal model is based on a modified Foster model extracted from transient FEM simulation results, using the thermal step response. Thus, during the coupled transient simulation, both, the electrical behavior of the component, due to its self-heating, and the coupling heating of adjacent components, can be taken into account. The method is shown and experimentally verified by the example of two interacting MOSFETs with D2PAK packages, using a specially developed test board}, language = {en} } @misc{SchachtRzepka, author = {Schacht, Ralph and Rzepka, Sven}, title = {Parametric Transient Thermo - Electrical PSPICE Model F or A Single And Dual Conductor Power Cable}, series = {International Journal of Engineering Research and Development}, volume = {13}, journal = {International Journal of Engineering Research and Development}, number = {2}, issn = {2278-067X}, pages = {44 -- 54}, abstract = {A parametric macro model for a single and dual conductor power cable for transient thermo-electrical coupled simulation in PSPICE will be derived. The article depicts the modelling of a simplified, single- and dual conductor cable and its use during simulation. Its verification against experiment and finite element simulation shows a good agreement. The derived single- and dual conductor PSPICE cable macro model enables a quick modelling at system level. It offers a time saving transient thermo-electrical simulation under various thermal conditions and cable geometries and to optimize e.g. size, weight. The approach support the engineer to overlook the thermal influences and temperatures along the power cable under real 'thermal' assembling conditions in an e.g. car engine room or aircraft.}, language = {en} }