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Die Konzentration von elektronischen und mechanischen Komponenten auf einer Leiterplatte (z.B. Main board) nimmt ständig zu. Dies führt zu höheren Verlustleistungsdichten und somit zu strengeren Anforderungen an das thermische Management. In momentanen und zukünftigen luftgekühlten Anwendungen wird, neben der reinen konduktiven Interaktion zwischen elektronischen Komponenten über die Leiterplatte, zukünftig auch die fluidische Interaktion der natürlichen und forcierten Konvektion während des Leiterplattendesigns mit zu berücksichtigen sein. Der Schaltkreisentwickler benötigt hier zusätzliche Informationen über die thermo-fluidisch gekoppelten Einflüsse zwischen den kritischen wärmedissipierenden Komponenten sowie fluidischer Überlagerungen in Folge anderer angrenzender Komponenten oder mechanischer Komponentengehäuse. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Benchmark-Studien zu konvektiven und konduktiven thermischen Interaktionen für verschiedene kommerziell erhältliche mikroelektrische Gehäusetypen veröffentlicht. Heutzutage hat sich die Flip-Chip (FC) Aufbautechnologie von ungehäusten Chips (bare dies) etabliert. Von daher besteht der Bedarf für eine thermische Benchmark Studie für FC Aufbauten. Die vorliegende Studie untersucht die natürlichen und forcierten thermo-fluidischen Einflüsse zwischen ungehäusten 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 Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den Simulationsergebnissen.
New die attach technologies are necessary to meet the demand for faster and more reliable power electronic devices.Technologies based on sintering such as silver sintering and silver sinter adhesives are currently in the focus of technology development because of their high strength and very high thermal performance. To ensure the reliability of such a die attach reliable, fast and non-destructive failure analysis (FA) are needed. Transient thermal methods (TTM) provide techniques for detection of different types of defects such as delaminations of interfaces, cracks , electrical short circuits and voids in die attach layer [1]–[3]. In this work, pulse thermography (PT), one of the TTMs, was successfully used for nondestructive testing of the die attach layers under industrial conditions. We have studied the physical principles and presented fundamental possibilities and limitations given by formulas, nomograms and parameter sensitivity studies. Finally, we demonstrate the PT as accompanying FA to process qualification of a sintered silver adhesive process.
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.
Feasibility and Design Study of a Frictionless Air Mover for Thermal Management of Electronics
(2014)
A frictionless air mover concept will be introduced. As opposed to a piezoelectric driven fan, the air mover is based on a flexible blade whose vibration is driven by means of a magnetic field. The blade material is based on a polymer material. The paper presents the results of feasibility and an on-going comprehensive design study. The results are compared with a comparable piezoelectric fan [1, 2]. The performance of the feasibility study amounted to 65% to the piezoelectric fan. To enhance the performance, two different blade materials as well as the influence of the coil shape and value were under investigation. A further goal is to reduce the size and to investigate the influence of a cabinet. The design study results in a prototype of a size of 50 x 14 x 35 mm² incl. a cabinet. The performance could be doubled. A volume flow rate of V̊ ~14 l/min and static pressure of Ƿstat = 3 Pa could be reached.
Today, electronic and thermal engineers want to figure out, which location are the most compliant one, to ensure electronic function of the system and get a reliable thermal design. Numerical simulations can help to understand thermal paths and interactions between electronic parts nearby. However, there are often time consuming, to set-up all material parameters and fluid flow properties. The usage of Compact Thermal Models (CTM) are often used for power application and can provide first solutions to heat transfer via solid substrate, thermal spreading and solid to fluid interactions. Those CTM cannot fully replace a complex fluid mechanical analysis with a Computational Fluid Dynamics (CFD) software environment. Furthermore, CTM can take place in preliminary studies during the early design phase of electronic systems within the implementation of key parameters e.g. thermal conductivity of the substrate, fluid flow velocity, power losses and different dimensions of the system. This paper continuous the experimental and numerical study of to complete an approach for CTM based thermal equivalent resistor networks with consideration of dynamic heat spreading along the substrate and laminar convective fluid interactions on typical Printed Circuit Boards (PCB) with micro-electronic Flip-Chip (FC) assemblies
Thermal greases allow a low stress bond at low bond line thicknesses (BLT) at medium thermal conductivities and simple application, all of which make it an alternative to solders, thermal adhesives or pads. It is widely used in power and microprocessor applications, most of which involve large areas to be used for heat transfer. However, for years thermal overload failure of power modules and chips has been a pressing problem due to pump-out of thermal grease as a die or module thermal interface material (TIM): Most thermal greases are Bingham fluids and thus not solids, so they can be squeezed out from in between the gap, driven by thermo-mechanical action of the adjacent layers as e.g. DCB substrate or silicon chip with the heat sink. Today, thermal greases have to be qualified in lengthy stress tests in a product relevant environment which consumes substantial resources as often a system test is required. Therefore, a fast test is necessary which accelerates testing and thus allows a fast screening of commercial greases on one hand, and guidelines for material development on the other. For that purpose this paper addresses this topic in a combined simulative and experimental way, where at the same time a novel test procedure is proposed for accelerated grease pump-out testing (GPOT) in the framework of a completely new approach, combining loading with in-situ failure analytical techniques and decoupling thermal from mechanical loading. This allows for the first time a realistic loading of greases during accelerated testing with testing times below one hour. The method is demonstrated on various commercial and custom greases, varying their composition and structure, and benchmarked against industry standard thermal cycling tests. Further, two fundamental failure mechanisms have been identified being at work simultaneously, notably fluid transport (which constitutes actually a pump-in phenomenon) and air entrapment. We were able to identify key properties of the materials and loading variables, on which their intensity depends.
Kommerziell verfügbare miniaturisierte Axial- oder Radial-Lüfterkonzepte basieren auf einem kugelgelagerten Prinzip, welche, aufgrund von Reibung sich abnutzen und somit eine relativ geringe Lebensdauer (MTTF < 14000 h) haben.
Die am Markt verfügbaren reibungslosen Lüfterkonzepte wie Piezo-Lüfter (Nutzung des Piezo-elektrischer Effektes) oder Synthetic-Jet Lüfter (Lautsprecherprinzip) weisen, aufgrund des Aufbaukonzepts, eine geringere Alterung auf. Im Fall des Piezo Lüfter-Lamellen-Konzepts wird die MTTF mit > 4600h angegeben, da es im Betrieb zu einer Degradation der Klebeschicht zwischen Lamelle und Piezo-Material kommt. Hinzu kommt, dass das Piezo-Element mit einer Betriebsspannung von > 40 V angeregt werden muss und der Anschaffungspreis, im Vergleich zu den miniaturisierten Axial- und Radiallüftern als auch den Synthetic Jet Lüftern um den Faktor sechs (~ 200 €) höher liegt.
Synthetic Jet Lüfter haben zwar eine wesentliche bessere MTTF > 100000 h, allerdings liegen der Formfaktor (Ø 60 mm) und das Gewicht (125 g), verglichen mit dem Piezo Lüfter (60x 15x 30 mm², 10 g, ohne Ansteuerelektronik), wesentlich darüber.
Der Ansatz des entwickelnden reibungslosen Lamellen-Lüfterkonzepts greift die Vorteile eines Piezo-Lüfters (Lamelle) und des Synthetic Jet-Lüfters (magnetische Anregung) auf. Dadurch, dass die Lamelle nicht mehr, wie beim Piezo-Lüfter, auf einen Piezo-Aktuator aufgeklebt wird, sondern in einem Körper fixiert und berührungslos angeregt wird, verspricht das Konzept eine wesentlich höhere Lebensdauer.
Anwendungen finden sich im Bereich von schwer zugänglichen elektronischen Baugruppengehäusen (z.B. Funkstationen), in welchen die natürliche Konvektion durch eine zuverlässige Umwälzung der Luft ergänzt werden soll, um die Lebensdauer der elektronischen Komponenten zu erhöhen.
Im Vortrag werden das Lüfterkonzept, ein miniaturisierter Prototyp (Größe einer Streichholzschachtel) sowie die Performance zur Kühlung von elektronischen Komponenten an einem Anwendungsbeispiel vorgestellt.
Die Konzentration von elektronischen und mechanischen Komponenten auf einer Leiterplatte (z.B. Main board) nimmt ständig zu. Dies führt zu höheren Verlustleistungsdichten und somit zu strengeren Anforderungen an das thermische Management. In momentanen und zukünftigen luftgekühlten Anwendungen wird, neben der reinen konduktiven Interaktion zwischen elektronischen Komponenten über die Leiterplatte, zukünftig auch die fluidische Interaktion der natürlichen und forcierten Konvektion während des Leiterplattendesigns mit zu berücksichtigen sein. Der Schaltkreisentwickler benötigt hier zusätzliche Informationen über die thermo-fluidisch gekoppelten Einflüsse zwischen den kritischen wärmedissipierenden Komponenten sowie fluidischer Überlagerungen in Folge anderer angrenzender Komponenten oder mechanischer Komponentengehäuse. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Benchmark-Studien zu konvektiven und konduktiven thermischen Interaktionen für verschiedene kommerziell erhältliche mikroelektrische Gehäusetypen veröffentlicht. Heutzutage hat sich die Flip-Chip (FC) Aufbautechnologie von ungehäusten Chips (bare dies) etabliert. Von daher besteht der Bedarf für eine thermische Benchmark Studie für FC Aufbauten. Die vorliegende Studie untersucht die natürlichen und forcierten thermo-fluidischen Einflüsse zwischen ungehäusten 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 Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den Simulationsergebnissen.
Aufbauend auf dem bereits einführten transienten thermo-elektrisch gekoppelten Makromodell für 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 für 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 äußeren Randbedingungen eine gute Übereinstimmung. Sowohl mit dem ein-adrigen als auch dem erweiterten zwei-adrigen Makromodell ist es möglich, auf Systemebene schnell für verschiedene thermische Randbedingungen und Kabelgeometrien zu modellieren und somit eine zeitsparende, transient gekoppelte thermo-elektrische Simulation je nach den Randbedingungen des Einbauorts durchzuführen. Hierbei unterstützt die parametrische Modellierung eine Beschreibung der "realen thermischen" Montagebedingungen (z.B. in einem Auto – Motorraum, Fahrzeuginnenraum). Es ermöglicht dem Entwickler sich einen schnellen Überblick über die thermischen Einflüsse und Temperaturen entlang des Stromkabels zu verschaffen und so z.B. bei der Kabelauslegung hinsichtlich Größe und Gewicht (Kupfer Durchmesser, verwendetes Isoliermaterial) sowie dem Einbauort (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung) dieses zu optimieren.
Für ein zunächst einadriges Stromkabel wird ein transientes thermo-elektrisch gekoppeltes Makromodell sowie deren
Verifikation mittels Experiment und einer Finite-Elemente-Simulation vorgestellt. Das parametrische Makromodell ist für den Einsatz in einem Schaltungssimulator wie z.B. PSPICE geeignet. Die Verifikation der Simulationsergebnisse zwischen ANSYS und PSPICE zeigen eine gute Übereinstimmung. Der Vergleich zwischen Experiment und der PSPICE Simulation
sind akzeptabel. Mit dem vorgestellten Makromodell ist es möglich, auf Systemebene schnell verschiedene thermische
Randbedingungen und Kabel Geometrien zu modellieren und eine zeitsparende, transient gekoppelte thermo-elektrische
Simulation durchzuführen. Da die parametrische Modellierung eine Beschreibung der "realen thermischen"
Montagebedingungen (z.B. in einem Auto oder LKW) unterstützt, ist es möglich sich einen Überblick über die thermischen Einflüsse und Temperaturen entlang des Stromkabels zu verschaffen und so die Kabelauslegung hinsichtlich Größe und Gewicht (Kupfer Durchmesser, verwendetes Isoliermaterial) und Einbauort (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung) zu optimieren.
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.
In aktuellen mikro-elektronischen Systemen müssen verschiedene aktive und passive Bauteile auf engstem Raum miteinander auf dem Substrate (bspw. FR4-Leiterplatte) kombiniert werden. Die dabei stetig steigende Leistungsdichte bedarf einer optimierten Kühlstrategie und der Definition von konduktiven und konvektiven Entwärmungspfade, die bereits während der Layout-Designphase der Baugruppe berücksichtigt werden sollten. Strömungsmechanische Simulationen (CFD) können dabei ein erstes Abbild zur Analyse von Kopplungseffekten zwischen den Wärmequellen und der Umgebung liefern. Diese sind jedoch oft zeitaufwendig und es bedarf zumindest ein gewisses Grundverständnis, um die Fluid-mechanischen Parameter, das Vernetzen der Geometrien und die gewonnenen Ergebnisse korrekt zu interpretieren. Erste analytische Ansätze zur reduzierten Beschreibung von ungehäusten Chips auf Leiterplattensubstrat können durch thermische Widerstandsnetzwerke abgebildet und durch Aufteilung der Wärmeströme in Richtung Substrat (Wärmeleitung) und in Richtung des bewegten Fluides (Konvektion) näher beschrieben werden.
In diesem Beitrag werden die Ergebnisse einer Designstudie für einen reibungslosen Lüfter vorgestellt. Im Gegensatz zu einem piezoelektrisch angetriebenen Lüfter basiert der Lamellenlüfter auf einer flexiblen Lamelle, deren Vibration durch ein Magnetfeld angetrieben wird.
Die Lamelle basiert auf einem Polymermaterial. Die Designstudie resultierte in einem Prototyp der Größe 50 x 14 x 35 mm² inkl. Gehäuse. Der Lamellenlüfter erreicht dabei einen max. Volumenstrom von V̊ ~14 l/min sowie einen max. statischen Druck von ρstat = 3 Pa.
Additive manufacturing by laser cladding is a promising tool for rapid prototyping, buildup of bionic structures and replacement part production. To ensure a constant quality of manufactured components and to shorten the development process between CAD model and suitable produced components a quality management system is inevitable. Therefore, a system has been developed to evaluate the cladding process by means of thermographic measurements. Melt pool temperature measurements by a thermal imaging camera has been processed to 2- and 3-dimensional temperature maps of the manufactured component, like a tomographic image, to easily reveal weak spots in the process and the component itself. The quality management system was tested and evaluated on several laser-cladding processes with various failures.
Transient Electro-Thermal Coupled System Simulation - Modeling Approach and Experimental Validation
(2018)
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
The amount and concentration of electronic components and passive objects on board level increases rapidly. Furthermore, the complexity between conductive heat spreading and the use of forced thermo-fluidic coupling effects with application near behavior will become a challenge to prevent thermal bottlenecks during layout processing. For printed circuit board (PCB) designer, it would be helpful to consider the estimation of real thermal behavior without time consuming CFD analysis.
A thermo-fluidic correction factor according to thermal resistance which should be a function of air velocity, power loss, and distance between active or passive components as well as the dimensions of electronic parts could help thermal engineers during layout process. Backwards, results were published for several benchmark studies with the investigation on convective and conductive interaction on commercially available microelectronic packages. Today, Flip-Chip (FC) assembly process of bare dies become being more up-to-date. A new investigation started to figure out interactions between natural and forced thermo-fluidic behavior of bare FC dies and near different components, mounted on a test PCB. To generate first rough estimations of the real fluid situation behavior current CFD modelling and simulation software are used. A suitable agreement between CFD simulation results and experimental analysis will be presented.
Parametric Transient Thermo - Electrical PSPICE Model F or A Single And Dual Conductor Power Cable
(2017)
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.
This research focuses on the structural analysis of aircraft electrical harnesses for the 270 VDC network. A combined experimental and simulation-based approach is used, where numerical models for the harnesses are developed and experimental data are acquired for basic test cases (steady load, pendulum test, etc.) as well as for different vibration load cases. Validation of the numerical models is done using the preliminary experimental data, resulting in a mature refined model in order to simulate complex scenarios. The goal of the project is thus to develop a suite of tools that allows detailed structural analysis of the aircraft harnesses, both stand alone as well as in combination with other systems