Motorola's Handheld Portable Technology - Validating CFD Technology

Die exakte Vorhersage bei der Kühlung neuer Handheld Produkte innerhalb kürzester Zeit ist von höchster Wichtigkeit für den Erfolg von Motorola.Tom Lee, Ben Chambers und Mali Mahalingam aus Motorola's "Advanced Packaging Development Center" verglichen kurzfristig mit FloTHERM erziehlte Ergebnisse mit langwierig ermittelten Laborergebnissen. Die Simulations- und die Labor-Ergebnisse deckten sich exzellent.

Handheld Mobilgeräte nehmen einen großen Anteil in Motorola’s Fertigung ein. Der Einsatz von numerischen Strömungssimulations Werkzeugen (CFD), wie z.B. FloTHERM, spielt hierbei eine wichtige Rolle während der Produktentwicklung. In diesem speziellen Fall wurde von Motorola ein Beispielmodel eines Handheld Mobilgeräts für das bereits experimentell ermittelte Daten vorlagen, mit Ergebnissen der numerischen Strömungssimulation verglichen.

Probembeschreibung

Typischerweise sind Handheld Mobilgeräte mit einem geschlossenen Gehäuse ausgestattet, so dass die Kühlung hauptsächlich durch freie Konvektion erfolgen kann. Im Allgemeinen führt dies dazu, dass der Wärmetransport innerhalb dieser Geräte durch eine Reihe von Wärmeleitungs-, Konvektions- und Strahlungsübergangen realisiert wird. Ein Großteil der erzeugten Wärme wird hierbei vom IC z.B. über Wärmeleitung an die Platine und von dort durch Wärmeleitung oder Konvektion und/oder Wärmestrahlung weiter an das Gehäuse übertragen. Durch Wärmeleitung an die Gehäuseaußenseite und Konvektion in die Umgebung kann die Wärme schließlich abgegeben werden.

FloTHERM Modell

In diesem Fall wurde ein geschlossenes Gehäuse mit einer Wandstärke von 0,8 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,6 W/m*°C modelliert.

Im Innern befindet sich eine einzelne Platine mit allen ICs und weiteren Komponenten. Einige Abdeckungen wurden bewusst eingesetzt, um die vordere und hintere Gehäusehälfte voneinander zu trennen und somit einen Luftaustausch zwischen den Bereichen zu unterbinden.

Die Platine wurde als Block mit einer Wärmeleitfähigkeit von 20W/m*°C erzeugt. Weitere größere ICs, Verstärkermodule, Filterelemente etc. wurden ebenfalls als Blöcke modelliert.

Simulations Ergebnisse

Die Simulation ergab, dass die Außenströmung eine Geschwindigkeit von etwa 0,2 m/s erreicht, während die Innenströmung mit 0,02m/s nahezu vernachlässigbar ist. Hieraus resultiert, dass in dieser Anordnung die Wärmeleitung durch die im Gehäuse eingeschlossene Luft den Hauptanteil der Kühlung übernimmt. Die Maximaltemperatur, welche am Verstärkermodul auftritt, wurde mit 98,5 °C ermittelt. Im Versuch wurde diese Komponente mit 92,6 °C gemessen, so dass sich hier eine Abweichung von nur 6,4% zwischen den berechneten und gemessenen Temperaturen ergibt.

Fazit

Die Ergebnisse in diesem und anderen bei Motorola durchgeführten Vergleichen zeigen, dass FloTHERM sowohl die interne als auch die externe Strömung inklusive der Wärmeleitungsbedingungen zufriedenstellend lösen kann. In allen durchgeführten Vergleichen lagen die Simulationsergebnisse weniger als 10% neben den im Versuch ermittelten Werten, so dass FloTHERM eine wertvolle Unterstützung bei der Produktentwicklung und Vorhersage der zu erwartenden Temperaturen ist.
 

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