Memprediksi Kelelahan (Fatigue) Tegangan Termal Pada Komponen PCB Kendaraan Listrik
Penggunaan elektronik semakin meningkat dalam aplikasi otomotif. Inovasi baru seperti sistem keselamatan aktif dan pasif, propulsi listrik dan kendaraan semi dan kendaraan otomatis penuh berkontribusi pada peningkatan ini. Namun, desainer otomotif tetap harus mematuhi batasan ukuran dan pengemasan yang sama untuk memastikan ukuran dan berat kendaraan tidak bertambah. Karena itu, ada dorongan untuk membuat elektronik komponen dan paket yang lebih kecil, sekaligus meningkatkan kinerja.
Salah satu contoh perusahaan yang berkutat dalam hal ini adalah Continental Automotive. Continental telah terlihat meningkatkan penggunaan komponen Ball Grid Array (BGA) dan papan FR4 High Density Interconnect (HDI) di Printed Circuit Board Assemblies (PBCA) mereka, di mana komponen ditempatkan dengan erat di kedua sisi PCB untuk memastikan penggunaan ruang board yang paling efisien. Perubahan ini bukannya tanpa masalah dan Continental telah memperhatikan masalah keandalan tambahan pada sambungan solder karena kelelahan solder. Oleh karena itu kemampuan untuk memprediksi kegagalan sangat penting.
Saat ini kemampuan untuk memprediksi kelelahan siklus tinggi (getaran) solder dan timah tembaga dapat dicapai menggunakan Aturan Miner’s. Namun kemampuan untuk memprediksi kelelahan siklus rendah karena siklus termal diperlukan. Continental memilih untuk mengatasi hambatan ini dengan menggunakan Ansys Sherlock untuk memodelkan papan mereka dan komponen.
Pendekatan
Ansys Sherlock bisa dengan cepat baca semua informasi dalam file dan membuat papan perwakilan dengan data tumpukan lengkap, semua komponen, dan pemasangan kondisi dengan lokasi dan karakteristik materialnya. Papan menampilkan beberapa komponen BGA tercermin, di mana papan memiliki BGA yang ditempatkan di lokasi yang sama di bagian atas dan sisi bawah papan. Kedua sisi papan juga memiliki lapisan konformal yang diterapkan yang dimodelkan Sherlock menggunakan potting fungsional yang tersedia.
Sherlock dengan mudah memodelkan komponen individual dengan tingkat detail yang tinggi, termasuk memodelkan setiap bola solder pada BGA untuk memastikan kegagalan kelelahan solder kecil direkap. Hal ini dicapai dengan menggunakan pengelola paket bawaan yang berisi banyak paket industri umum dengan instruksi tentang cara terbaik untuk memodelkannya. Untuk komponen non-standar, pengguna dapat memasukkan properti tersebut ke dalam Package Manager dan Sherlock masih dapat memodelkannya secara akurat serta mempertahankan ini informasi untuk penggunaan masa depan.
Insinyur Continental mendefinisikan siklus masa pakai papan yang mencakup getaran, suhu, dan beban kejut. Insinyur juga mendefinisikan tujuan siklus masa pakaidan tingkat kegagalan yang dapat diterima dan waktu. Papan dimodelkan dengan kondisi kondisi mapan serta suhu siklus dari (-40)˚C hingga 127˚C.
b) SRAM & FLASH (Bottom), Sherlock Package Manager, c) BGA terperinci termasuk Pemodelan Bola Solder
Dengan papan, komponen, batas, dan kondisi pemuatan yang ditentukan, Sherlock menganalisis PCBA menggunakan kondisi mekanik termal. Setelah hasil ini diperoleh, papan dimodifikasi dan direnovasi untuk menghilangkan BGA yang dicerminkan. Sebaliknya BGA dipindahkan sehingga semuanya berada di sisi papan yang sama. Analisis mekanik termal kemudian dijalankan kembali menggunakan kondisi yang sama.
Temuan Utama
Menggunakan Sherlock, Continental mengidentifikasi perkiraan masa pakai papan saat mengalami siklus termal. Kemampuan untuk menjadi model komponen dengan tingkat detail yang tinggi memberikan hasil yang lebih akurat. Hasil awal analisis Sherlock menunjukkan bahwa:
- Memiliki komponen cermin memang memengaruhi masa pakai papan yang diprediksi dan menghasilkan kemungkinan kegagalan yang lebih tinggi jika dibandingkan ke papan tanpa cermin.
- Pelapisan konformal juga dapat meningkatkan kemungkinan kegagalan. Namun, beberapa faktor yang berbeda, seperti komponen dan lokasi, dapat mempengaruhi efek ini. Insinyur perlu penyelidikan lebih lanjut untuk memahami sepenuhnya efek dari lapisan konformal sebagai lapisan, ketebalan dan komponen yang dilapisi semuanya mungkin memiliki efek pada kemungkinan kegagalan akhir.
Keuntungan
Continental mengimplementasikan Sherlock selama fase validasi desain untuk menyelidiki efek komponen cermin dan lapisan konformal di bawah kelelahan siklus rendah (Siklus Termal). Sherlock menghasilkan hasil dalam bentuk kurva PoF yang memungkinkan insinyur untuk memahami perkiraan umur PCBA mereka. Hasil ini diperoleh dalam waktu yang jauh lebih singkat daripada secara tradisional mungkin jika mereka membuat dan menguji sampel. Karena Sherlock digunakan selama tahap desain, para insinyur di Continental dapat menggunakan hasil ini untuk memodifikasi papan mereka untuk desain yang lebih baik serta mengidentifikasi area yang membutuhkan penyelidikan lebih lanjut. Sherlock’s kemampuan untuk mengidentifikasi masalah selama tahap awal pengembangan mempercepat proses menghilangkan desain yang cacat dan membantu dalam menghindari komplikasi di masa depan.
PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!
>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI
>> YOUTUBE PT TENSOR
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
https://www.ansys.com/content/dam/product/structures/sherlock/ansys-sherlock-predicting-thermal-stress-fatigue.pdf (diakses pada tanggal 10 Maret 2022)
PENDINGINAN PADA KOMPONEN ELEKTRONIK
Era teknologi yang serba digital dan berkembang sangat sangat cepat saat ini tidak dapat terlepas dari peran hardware-hardware elektronik seperti komputer yang menjadi sangat pesat perkembanganya seiring dengan berkembangnya teknologi semikonduktor yang makin “padat” dan makin kecil. Meskipun teknologi ini cukup berkembang pesat, namun ada beberapa tantangan yang dihadapi dalam pengembangan teknologi ini, antara lain pembuangan kalor yang berlebih saat operasional dan distribusi panas yang tidak merata pada sistem. Daya disipasi dari mikrochip pada tahun 2020 ini diproyeksikan mencapai maksimum 360 Watt. Namun, industri elektronik saat ini masih kesulitan untuk menghilangkan kalor diatas 300 Watt/cm2 sehingga mempertahankan suhu dibawah 85C. Jika terjadi overheat, maka peralatan tersebut akan mengalami mal fungsi atau bahkan rusak, seperti misalkan blue screen atau komputer mati secara tiba-tiba dapat diakibatkan oleh overheating ini.
Sistem pendinginan secara konvensional umumnya gagal untuk melakukan pendinginan yang tinggi seperti dijelaskan di atas, sehingga dibutuhkan mekanisme yang lebih inovatif dan high-performance. Teknologi pendinginan seperti phase-change cooling (liquid) dan microchannel-based forced convection merupakan contoh teknologi yang berpotensi untuk keperluan ini. Disisi lain, untuk kondisi yang ekstrim, bahkan fluida-fluida biasa tersebut tidak memiliki cukup karakteristik termal dan fluida seperti nano-fluid terkadang diperlukan. Fluida ini memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi dan cukup konvektif.
METODE PENGIDINAN
Meskipun progress dalam teknologi elektronika cukup cepat, namun heat-removal pada sitem elektronik dengan teknologi terkini masih kurang dan menjadi tantangan desain tersendiri. Berikut adalah beberapa metode pendinginan yang biasa digunakan pada industri elektronik. Berdasarkan efektivitas heat transfernya, sistem pendinginan dibagi menjadi beberapa kategori sebagai berikut:
- Konveksi natural
- Konveksi paksa dengan udara
- konveksi paksa dengan liquid
- Evaporasi liquid
Berdasarkan heat flux removal rate nya, performa tertinggi ditunjukkan oleh liquid evaporation, disusul oleh konveksi paksa liquid dan kemudian udara. Namun pendinginan udara masih banyak digunakan pada CPU secara umum karena beberapa pertimbangan seperti biaya dan keamananya jika terjadi kebocoran liquid yang berbahaya jika kontak dengan CPU.
DESAIN SISTEM PENDINGIN MENGGUNAKAN CFD
Karena tingginya kompleksitas dan krusialnya desain sistem pendinginan elektronik, diperlukan analisis yang mendalam dan menyeluruh pada sistem pendingin ini. Salah satu metode yang cukup umum digunakan adalah menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), metode ini sangat powerfull karena mampu memodelkan baik geometri secara menyeluruh dari sistem maupun input-input variabel seperti karakteristik termal material, heat-flux dan lain-lain, kemudian output yang diperoleh juga cukup luas, mulai dari distribusi temperatur, kecepatan aliran fluida, hingga perhitungan tegangan pada komponen-komponen tersebut jika dikombinasikan dengan metode finite element analysis (FEA).
Simulasi di atas dibuat menggunakan software openFOAM. Dapat dilihat dari hasil simulasi di atas bahwa kehadiran komponen-komponen elektronika di dalam box akan menghalangi atau mungkin mempercepat aliran yang akan mengubah karakteristik konveksinya, kemudian sumber kalor dari masing-masing komponen juga mempengaruhi distribusi temperatur secara keseluruhan. Menggunakan metode CFD ini, kita dapat dengan mudah memindah-mindah lokasi komponen sampai ditemukan konfigurasi yang optimal, baik dari sudut pandang fungsionalnya sebagai rangkaian elektronik dan manajemen kalornya.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang CFD, klik di sini.
aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah CV MARKOM dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.