はじめに
Stocker Yaleは、製品の設計支援として、熱を予測するための熱モデリング/解析ソフトウェアの導入を検討ていました。CHAMは、この要求に対する PHOENICSの能力を実証するためのサンプル事例を作成しました。
問題となる製品は、LED チップ技術に基づく照明機器でした。LED チップは事実上パッケージ化されていない半導体 IC (体積で約 250μm3) であり、Stocker Yaleの製品では、LED チップの配置は通常、多数の異なる層 (セラミック PCB、接着剤、金属など) に取り付けられています。製品は自然対流または強制対流によって冷却され、場合によっては水冷で行われることもあります。お客様の目標は、製品内の LED チップの「ジャンクション」温度を決定することでした。これは信頼性に影響を与えるためです。
計算対象
製品はいくつかのパーツで構成されています。2つの円形に配置された21個の LEDダイがあり、セラミックPCB上の金層に「ダイアタッチ」接着剤で取り付けられています。このセラミックは、熱伝達コンパウンドを介して取り付けられたL字型のブラケットにわずかに埋め込まれており、開放端のハウジングに機械的に固定されています。表示されているモデルの寸法は正しく設定されていますが、一部のレイヤーは厚みが小さいためにわかりにくいものです。
BATステージの設計基準では、指定された適格ゾーン内で最低気温850°C、最低滞留時間2秒が必要です。
セラミックの中心からかなり離れた3列に取り付けられた21個の抵抗コンポーネントは示されていません。これらの抵抗器はそれぞれ約10mWを消費しますが、今回の計算ではデモンストレーションのため無視しました。PCBの主な熱源はLEDダイであり、これらは上面から160mWを放散します。この例では、冷却は自然対流によるものです。周囲温度は20℃を想定しています。今回の計算の冷却は自然対流によるものです。
図１ 計算対象
表１ 物性値
全体的な形状
Solid Edge から .STL 形式でエクスポートされたジオメトリの「スライス」ビューには、ハウジングと LED ブラケットが表示され、LED自体が中央にグループ化されています。
PHOENICSでは、マルチパーツ アセンブリの各パーツは、個別の STLファイルとしてエクスポートすることを好みます。これにより、ユーザーは各パーツに異なるプロパティと境界条件を割り当てることができます。これらの個別の STLファイルに真の座標が含まれている限り、正しい相対位置に簡単に再構築できます。
この例では、各LED の表面または LEDのグループに温度を割り当てるのではなく、「IN-FORM」機能を使用して、LED オブジェクトが存在する場所で放熱量を指定した領域を設けました。
図２ 計算モデル
モデル パラメータ
顧客が指定したジオメトリと境界条件を使用して、定常状態の解析が行われました。インポート後、計算条件をセットアップして実行するのに数時間しかかかりませんでした。最終的な計算モデルの実行では、45 * 90 * 90 の計算グリッドが使用され、メッシュは LED熱源の周りに集中させました。
計算結果
シングル プロセッサ 3Ghz Windows PC での収束時間は 18 時間でした。
計算結果として、最高温度が 78oC であり、周囲温度より 58oC高いことを示しました。これは、周囲温度より50℃程度高いというクライアントの予想値と一致していました。ケーシングの温度は約 5 ℃上昇し、LEDをサポートするブラケットは 8〜9 ℃上昇しました。
図３ 計算結果
この計算モデルは、現在実証研究では無視されている21個の抵抗器を含めるように容易に拡張できます。強制対流などの他の要因を導入するために計算モデルを変更することは、同様に簡単なことです。
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