‘Koelingarchitectuur voor elektronica bedenken is puzzelen op hoog niveau’

Author:

Reading time: 5 minutes

Temperatuur beïnvloedt de prestaties van alles dat drijft op rekenkracht en geheugens, maar is ook een belangrijke factor in beeldsensoren en producten die energie omzetten, zoals lampen of voedingen. Een van de grootste uitdagingen in het thermische ontwerpproces is de ongrijpbaarheid van de materie. ‘Als je het echt goedkoop wilt doen, dan draait het voor een groot deel om zaken die je niet ziet, die ook niet op de bill of materials staan. Dat maakt het lastig’, zegt Wendy Luiten, docent van de workshop ‘Thermal design and cooling of electronics’.

‘Het goedkoopste is om elektronica te koelen met lucht, maar lucht staat niet op de stuklijst’, verklaart Luiten. ‘Ruimtes waar lucht doorheen stroomt, staan er ook niet op. Als een mechanicus voor jou een open ruimte meeneemt in het ontwerp, dan staat die nergens geregistreerd als onderdeel. Technici die daarna in het ontwerp ingrijpen, kunnen dus heel makkelijk een wijziging aanbrengen die jouw koelconcept om zeep helpt. Het staat gewoon niet in de documentatie als je daar niet nadrukkelijk voor zorgt.’

Proactief

Luiten begon halverwege de jaren tachtig als thermisch specialist bij Philips’ Centrum voor Fabricagetechnieken, toen net afgesplitst van het Natlab. Eind jaren negentig werkte ze als thermisch architect in het ontwikkelteam voor de eerst platte televisies van Philips Consumentenelektronica. ‘De eerste plasmaschermen hadden als vanzelfsprekend ventilatoren aan boord, maar die moesten eruit omdat ze hinderlijk geluid maakten.’

Elektronicakoeling bij consumentenelektronica werd aanvankelijk gezien als tijdelijk, want het management ging ervan uit dat de warmteproblemen niet structureel waren. Maar steeds als er weer een generatie televisies van haar warmteprobleem was verlost, kwamen productmanagers met nieuwe eisen. Sinds 2000 geeft Luiten trainingen in elektronicakoeling, over de hele wereld, vaak samen met co-docent Clemens Lasance.

Luiten vindt het vak zo leuk omdat ze ontzettend van puzzelen houdt. ‘De koelingarchitectuur van een hele range binnen een generatie televisies bedenken is puzzelen op een redelijk hoog niveau. Dan moet je samen met de elektrisch en mechanisch architect met een beperkt aantal componenten zo veel mogelijk verschillende modellen coveren. Allemaal met verschillende uitvoeringsvormen, dus je oplossing moet schaalbaar zijn, kunnen meebewegen met een veranderend product.’

Met de training ‘Thermal design and cooling of electronics’ brengt Luiten een manier van werken bij. ‘Het thermisch ontwerp moet vanaf de architectuurfase worden meegenomen’, stelt ze. ‘Met thermische risico’s moet je proactief omgaan. Als ontwerpers ook maar een vermoeden hebben dat een ic een heatsink moet hebben, dan moeten ze onmiddellijk aangeven dat hun printplaat daar gaatjes voor moet krijgen. Dus niet wachten tot het hele bord gelayout is en daarna pas testen. Want als je met een twaalflaags printplaat zit waar nog vier gaatjes doorheen moeten, dan wordt je layout-engineer daar niet blij van. Dus als je denkt dat je een risico loopt, moet je gewoon vier gaten incalculeren voor een sink. Die heb je uiteindelijk misschien niet nodig, maar wat extra gaten door je pcb is no big deal. Als ze er niet in zitten en je hebt ze toch nodig, dan moet er een re-layout worden gemaakt en dat kost je zo een week.’

‘Met een goed ontwerp, domweg de manier waarop je je product bouwt, is er erg veel mogelijk zonder dat je extra geld hoeft te besteden aan onderdelen die moeten helpen de warmte af te voeren’, aldus Luiten. ‘Je moet wel vanaf het begin meenemen of het thermisch concept deugt. Daarna moet je pas met gedetailleerde computersimulaties aan de gang gaan.’

Verrassing

Hoge temperaturen hebben effect op levensduur en betrouwbaarheid. Chipfabrikanten integreren daarom steeds vaker geavanceerde beveiligingen. Intel bouwde voor het eerst een thermische sensor in zijn P6-processoren om ze eenvoudigweg af te schakelen als ze te heet werden. In zijn Pentium 4, Xeon en Pentium M introduceerde het een tweede temperatuurbeveiliging die de kloksnelheid van de chip omlaag schroefde bij oververhitting.

Zo’n bescherming heeft niet automatisch een positieve invloed op het thermische ontwerp, zo wijst Luiten op een bestaand misverstand. ‘Mensen denken goed bezig te zijn door een processor te kopen met een thermische bescherming. Maar die is er niet om te koelen of het energieverbruik te verlagen; die bewaakt vooral de levensduur. In feite ben je daarmee veel afhankelijker van een goed thermisch ontwerp, omdat die bescherming de prestatie van de processor terugdraait als deze te warm wordt, en bij een minder goed thermisch ontwerp is dat eerder en vaker het geval.’

In een recente consultancyjob maakte Luiten kennis met een videosysteem waarbij het beeld compleet wegviel als de videoprocessor te heet werd. ‘Wat bleek? Dat was geen bug, dat was een feature. De videoprocessor had dram-geheugen aan boord. Omdat dram gevoelig is voor temperatuur, had de leverancier er een beveiliging in gezet. Als de embedded drams te heet werden, kapte de chip met beelden verwerken. Dat was in normale omstandigheden geen enkel probleem, maar in deze toepassing werd het systeem bij hogere temperaturen gebruikt en ging het beeld onverwacht op zwart. Dat was best een onaangename verrassing.’

Daarmee kwam het thermisch ontwerp van het videosysteem opeens veel nauwer. ‘Als de processor te warm werd, schroefde hij zijn klok niet terug, nee, dan deed hij het niet meer. Al die beveiligingen klinken heel erg slim, maar ze maken je product ook gevoeliger, dus moet je zeker weten dat het goed uitpakt.’

Hands-on

Luitens cursisten komen uit de hele breedte van de industrie. ‘Van component- tot module- en systeemmakers. Veel mensen die in de verlichtingssystemen zitten en die een oplossing zoeken om led-applicaties te koelen, maar bijvoorbeeld ook mensen die aan heel grote systemen werken, zoals radars voor vliegtuigen of heatsinks in grote voedingen. Op dit moment krijgen we veel deelnemers uit de auto-industrie. Logisch, want de markt voor automotive-elektronica groeit. Je hebt in een auto altijd wel te maken met een elektronische controlbox, maar we krijgen ook mensen die koplampen ontwikkelen.’

De workshop van Luiten en Lasance staat zo goed bekend omdat mensen echt leren hoe ze hun problemen moeten oplossen. ‘De harde praktijk: het gat is zó groot en het moet dáár zitten’, verduidelijkt Luiten. ‘Het is erg hands-on. We bieden theorie, en daarnaast zijn er keuzeopties: verdieping voor de meer ervaren cursisten of oefeningen maken. Ooit vroeg iemand verbijsterd waarom hij moest uitrekenen hoe groot de heatsink moest zijn. Haha. Maar van kijken naar zwemmen leer je geen zwemmen. Ons doel is dat mensen met echte vaardigheden weer naar huis gaan. Dat betekent veel oefeningen voor de mensen die de handberekeningen nog niet kunnen maken.’

‘Ik wil mensen een gevoel bijbrengen voor verhoudingen. Ze moeten een zevende zintuig ontwikkelen: bijvoorbeeld leren aanvoelen of onderdelen met specifieke afmetingen heet worden of niet. Als ze dat soort zaken kunnen relateren, dan kunnen ze veel betere beslissingen nemen.’