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4-2018

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Dienstleistung Was darf

Dienstleistung Was darf man von einem Simulationsdienstleister erwarten? Mit der Miniaturisierung der Elektronik, der stetig steigenden Funktionsvielfalt und den wachsenden Anforderungen im Feld stößt jeder Elektronikentwickler früher oder später an die maximal zulässigen Temperaturen seiner Produkte. diese Erfahrung in praxisgerechten Arbeitsmethoden und Bearbeitungszeiten widerspiegeln. Niemand hat Zeit für wissenschaftliche Herleitungen und theoretische Betrachtungsweisen. „Der richtige Partner“ sollte seit vielen Jahren im Thema Elektronikkühlung zuhause sein und dies nicht als Nebenstandbein betreiben. Fundiertes Wissen über aktuelle Technologien in der Elektronikkühlung sowie Flexibilität, Servicegedanke und hohe Leistungsbereitschaft sollten sein Auftreten unterstreichen. Beispiel einer Simulationsdienstleistung mit 6SigmaET als Werkzeug Tobias Best geschäftsführender Gesellschafter Alpha-Numerics GmbH www.alpha-numerics.de Sei es die Sperrschichttemperatur der Komponenten, der Schmelzpunkt des Lots oder die Gewährleistung, welche einen Mindestlebenszyklus der Produkte vorschreibt – Temperatur ist ein Thema, welches zum festen Bestandteil in der Elektronikentwicklung geworden ist. Nun kommen nicht nur Megakonzerne in dieses Dilemma, sondern auch mittelständische und kleine Unternehmen, welche sich pro Kalenderjahr nur zwei oder drei Mal mit diesem Thema befassen müssen. Für diese Unternehmen stellt sich die Frage, ob die eigene Kompetenz neben dem Messlabor, durch die Installation eines Simulations- Arbeitsplatzes erweitert werden soll oder ob man sich externe Dienstleister ins Haus holen möchte. Dieser Artikel befasst sich nicht mit der Evaluierung dieser Frage, sondern soll es ermöglichen, den Ausdruck „Dienstleistung“ in seinem ganzen Erscheinungsbild zu erschließen. Was versteht man unter Dienstleistung für Elektronikkühlung? Welche Eckdaten muss man kennen/liefern um welche Erfahrungen machen zu können? Wie kann man den Prozess der Optimierung begleiten und was kann man für zukünftige Projekte daraus ableiten? Im Folgenden wird versucht, den Weg einer Simulationsdienstleistung für Elektronikkühlung vom ersten Kontakt bis hin zur Rechnungsstellung/Ergebnis anhand einer LED- Kühlung zu erläutern. Die Struktur der Simulationsdienstleistung Folgende Elemente sollte jede professionelle Beratung beinhalten: • Situationsbesprechung/Aufgabenstellung • Geheimhaltungserklärung • Datenerfassung für Aufwandsabschätzung • unverbindliches Angebot mit z.B. Projekt- und Aufwandsbeschreibung, Aufwands- und Zeitabschätzung, Zahlungskonditionen • Auftragserteilung • endgültige Datenerfassung (detailliert) • Modellerstellung und Datenabgleich • Ist-Analyse – erster Bericht • Brainstorming Elektronikkühlung zwischen Berater und Kunde • Variantenanalyse, Vergleich und Empfehlung • Lieferung der Ergebnisse – Medien wahl Der richtige Partner Aufgrund der Natur der Aufgabenstellung ist ein wichtiger Faktor die Wahl des richtigen Partners. Weil die Temperatur stark von den Luftströmungen beeinflusst wird, sollte es zum einen ein Spezialist der Strömungsmechanik und Thermodynamik sein, zum anderen sollte sich Das richtige Werkzeug Projektbezogenes Arbeiten fordert von Projektsitzung zu Projektsitzung neue erarbeitete Ergebnisse sowie innovative Ideen. Änderungswünsche müssen in das Modell einfließen und Variantenstudien durchkalkuliert werden. Hierzu bleibt dem Spezialisten meist nur ein bis zwei Wochen Zeit. Daher muss das Simulationswerkzeug für die Aufgabenstellung zugeschnitten sein. Am besten, man benutzt eine „branchenspezifischen“ CFD-Software (Computational Fluid Dynamics), welche es erlaubt, mit wenigen Informationen sehr schnell und präzise physikalische Ersatzmodelle zu erstellen. Hierzu sollte eine Anbindung an die CAD- und EDA-Welt obligatorisch sein. Auch bestimmt die Leistungsfähigkeit solch einer Software die Machbarkeit einer Aufgabenstellung. Mehrere Millionen Knotenpunkte (Zellen) werden iterativ für die gekoppelte Betrachtung von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlungsaustausch berechnet. Ist dann noch komplexe Geometrie eine grundlegende Ausgangsbedingung, so ist diese Aufgabe für die meisten CFD Programme kaum noch zu bewältigen. Fallbeispiel LED-Kühlung Aufgrund der wachsenden Nachfragen nach applikationsbezogene 6 4/2018

Dienstleistung Kühlungsmethoden in der LED-Technologie wurde dieser Schwerpunkt gewählt. Die Firma Alpha-Numerics erhält Anfragen von Herstellern aus den Bereichen Leuchten in abgehängten Decken, Straßenbeleuchtung, Leuchtmittel in der Automobiloder Flugzeugtechnik sowie Arbeitsplatzbeleuchtung. Der typische Inhalt einer Anfrage umschließt meist folgende Ausgangssituation: • Ein bestehendes Leuchtmittel soll gegen ein LED-Modul ausgetauscht werden. • Das LED-Modul hat z.B. 48 W und ist von Hersteller X. • Das Modul soll maximal 50 °C warm werden, um die Leuchtkraft und die Lebensdauer nicht negativ zu beeinflussen. • Im Einbauraum kann es auch mal 40 °C Umgebungstemperatur geben. • kein Lüfter wegen Lärm und Ausfallrisiko • Man hat bisher gebastelt und gemessen. • CFD-Simulation wurde noch nie mit eingebunden. Aus diesen Grundfakten heraus werden dann weitere Fragen abgeglichen. Hier ist es wichtig, den genauen Einbauort und damit die Einsatzbedingungen zu definieren. Auch sollte man sich das LED-Modul genauer ansehen und die genaue „Verlust“-Leistung ermitteln. Nachdem man sich ein grobes Bild der Aufgabenstellung gemacht hat, ist eine Aufwandsabschätzung möglich. Diese beschreibt eine Mischkalkulation aus den aktiven Arbeitsstunden des Spezialisten (Projektanalyse, Modellerstellung, Kalibrierung, Projektgespräche und Erstellung einer detaillierten Auswertung), sowie einem Anteil der tatsächlichen Projektlaufzeit welche sich teilweise aus der Belegung der Hardware-Ressourcen ergibt. Nach der Auftragserteilung wird das Modell erstellt und anhand weiterer Daten, z.B. CAD Daten, Materialdatenblätter und Leiterplattendetails (z.B. via Gerber oder ODB++) detailliert. Nachdem das erste Modell steht, wird dieses mit dem Kunden anhand einer virtuellen Sitzung noch einmal durchgesprochen. So vermeidet man Missverständnisse und läuft nicht Gefahr, auf falscher Basis weiter zu arbeiten. Das erste Resultat der Simulation ist eine Darstellung der thermischen 4/2018 Thermische Simulationen mit den Werkzeugen 6SigmaET oder 6SigmaROOM Wärmepfade in der Leuchte sowie die Analyse der ersten Kühlungsidee. Bei Bedarf wird diese schon in einem ersten Bericht sauber protokolliert und dem Kunden zur Verfügung gestellt. Die Ergebnisse in Form von interaktiven Animationen der Luftströmung sowie virtuellen Temperaturschnitten durch das Objekt werden mit den Kunden im Detail besprochen. Gemeinsam werden weitere mögliche Maßnahmen zur Entwärmung besprochen. Der letzte Schritt ist nun die Erstellung der Varianten und deren Analyse. Als Ergebnis erhält man basierend auf den Anforderungen ein sauberes Kühlungskonzept für die Leuchte. Diese finalen Ergebnisse werden zum einen in einem Bericht protokolliert, können aber auch zum anderen als interaktive Datei zur Verfügung gestellt werden. Der finale Bericht Der Bericht solch einer Dienstleistung sollte sauber und übersichtlich strukturiert sein. Neben der Auflistung aller gelieferten Daten wie Geometrie, Verlustleistungen, Materialdaten und Umgebungsbedingungen sollten auch die benutzen Annahmen, welche an die Stelle fehlender Detaildaten getreten sind, sauber dokumentiert sein (z.B. Materialdaten, Oberflächenemissivitäten, etc.). Die Simulationsergebnisse kann man sich als Messkurven virtueller Messfühler oder projizierte Schnitte sowie in Tabellenform ausgeben lassen. Im Beispiel mit der Software 6SigmaET ist es zudem möglich, sich die Ergebnisse als native Datei übersenden zu lassen. Durch einen Standalone-Viewer von 6SigmaET-Ergebnissen kann der Kunden selbstständig die Simulationsergebnisse dreidimensional anzeigen und zoomen/ rotieren. Dies ermöglicht einen besseren Einblick in die Wärmewege der Leuchte und hilft bei zukünftigen Entwicklungen. Pro und Contra solch einer Dienstleistung Pro: Berater ist auf dem neusten Stand der Entwärmungstechnik und hat alle Tools zur Verfügung, um diese Aufgabe zu lösen (Simulation, Prototypenbau, Messung), flexibler Zugriff ohne Kosten in den Projektpausen, Kostenbelastung projektbezogen Contra: Kein/wenig Aufbau eigener Erfahrungen, wenig eigene Innovationskraft (mal schnell per Simulation testen), da in der Dienstleistung alles Varianten als Arbeitsaufwand berechnet und immer dokumentiert werden müssen, meist hat man nach der ersten positiven Erfahrung mehr Hunger, transferiert diese Ansatzweise auf andere Projekte und hat „mehr“ als nur zwei bis drei Projekte im Jahr, d.h., eine eigene Software lohnt sich, Dokumentation ist aufwändig und somit eine feste Größe in den Kosten Die Entscheidung zwischen einer eigenen Simulationssoftware oder einer externer Dienstleistung hängt davon ab, ob das Unternehmen das Wissen im eigenen Hause behalten und pflegen möchte, oder ob eine gewisse Flexibilität ohne Verpflichtungen gewährleistet sein soll – des Weiteren hängt es natürlich von der Art und Komplexität der Projekte sowie der Amortisation der Kosten ab. Alpha-Numerics ist hier ein guter Partner, um eine neutrale Beratung für den optimalen Designweg zu evaluieren. Aufgrund des Firmenkonzeptes liegt der Schwerpunkt weder auf dem Vertrieb der Software noch auf der Lieferung externer Berater- und Designleistungen. Beide Wege symbolisieren eine ausgebaute Produktlinie der Alpha-Numerics GmbH und lassen diese somit unabhängig und völlig unvoreingenommen eine Empfehlung für Ihre persönliche Situation aussprechen. ◄ 7

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