Rekenen aan de levensduur: doodeenvoudig en buitengewoon moeilijk

Hoe maak je een betrouwbaar product? Het is een vraag van alle tijden die in de toekomst alleen maar uitdagender wordt. Er komen immers steeds meer elektronicacomponenten in machines die in potentie allemaal de boel in het honderd kunnen laten lopen. Een kapotte tv is nog tot daar aan toe, maar een fout in een zelfrijdende auto is andere koek. Innovatieve oplossingen zijn nodig om een betrouwbare voorspelling van de levensduur te kunnen doen.

Alexander Pil

In de basis is het redelijk eenvoudig om te rekenen aan de betrouwbaarheid van een product. Op de achterkant van een envelop kun je wat simpele sommetjes maken waarmee je in grote lijnen kunt inschatten of je met je design op de goede weg bent. Bijvoorbeeld of het systeem niet faalt omdat de temperatuur te hoog oploopt. Als je goed binnen de spec zit, is er natuurlijk niets aan de hand. Zit je er ruim boven, dan moet je terug naar de tekentafel. En als je op de grens uitkomt, is het tijd om een expert in te huren. Want als je zeer precies wilt rekenen aan de betrouwbaarheid, blijkt hoe ongelooflijk complex de materie is.

Neem temperatuurberekeningen. Warmteontwikkeling is een belangrijke stoorbron in mechatronische systemen. Bij ASML zijn veranderingen in de orde van millikelvin al funest. Uiteraard zijn niet alle machines zo gevoelig, maar warmte zorgt ervoor dat onderdelen uitzetten en dat kan de nauwkeurigheid en de veiligheid van je design in gevaar brengen.

‘In de mechanica ziet het er allemaal ingewikkeld uit, maar daar liggen de randvoorwaarden meestal vast’, zegt Clemens Lasance, expert thermisch beheersen van elektronische systemen. ‘Als je wilt rekenen aan tv’s of servers, heb je het over een heel andere orde. Daar komt computational fluid dynamics om de hoek kijken en moeten we de Navier-Stokes-vergelijkingen oplossen. Dat is buitengewoon ingewikkeld. De randvoorwaarden worden bepaald door de stroming, en de stroming door de temperatuur. In tegenstelling tot in de mechanica is er geen eenduidige oplossing voor al die vergelijkingen. Dat wordt vaak onderschat. Ontwikkelaars willen graag met een aantal vuistregels werken, maar komen dan van een koude kermis thuis.’

In de academische wereld, zeker in de VS, hebben onderzoekers flinke steken laten vallen, vindt Lasance. ‘Er is een enorme kloof tussen de theorie op de universiteit en de praktijk. Die academici werken vaak met één warmtebron in een simpele geometrie en een duidelijk gedefinieerde stroming in bijvoorbeeld een windtunnel. Daar kun je allemaal leuke dingen mee doen, maar je moet vooral niet denken dat je het kunt toepassen in de echte wereld. Over het algemeen heb je niets aan al die handboeken als je een probleem in de praktijk wilt oplossen. Er is immers geen windtunnel, misschien wel honderd bronnen, en vooral een zeer complexe geometrie. Bovendien heb je in de meetruimte last van straling, aanwezige personen, opengaande deuren en allerlei andere externe factoren.’

Lasance geeft een voorbeeld van hoe het mis kan gaan als je de warmtehuishouding in een ontwerp niet op orde hebt. ‘De eerste keer dat ik bij de voorloper van ASML was – begin jaren tachtig – stonden ze op het punt een machine naar IBM te verschepen. Tien miljoen kostte dat ding. Ze hadden toegezegd dat de resolutie een halve micrometer zou bedragen, maar toen ze het systeem hadden gebouwd, bleek het twintig micrometer te zijn. Toen ik in de kast keek, was het gelijk duidelijk. Ze waren vergeten dat de lineaire slede zijn warmte kwijt moest. In vacuüm is dat een stuk moeilijker. We hebben een dikke koperen kabel ingebouwd om de warmte naar de behuizing af te voeren en gezegd dat IBM nooit en te nimmer in de kast mocht kijken. Dat is een goede les voor iedere mechatronicus.’

Compacte modellen

Natuurlijk zijn er allerlei multifysische pakketten die designers kunnen helpen om hun ontwerp te simuleren, vaak met een extra plug-in voor luchtstromen. Volgens Lasance zijn daarmee lang niet alle problemen de wereld uit. ‘Die pakketten werken vaak met een eindige-elementenbenadering, maar die is minder geschikt voor bijvoorbeeld vrije convectie of lage luchtstromen’, verduidelijkt hij. ‘Ook heb je voor dit soort tools een PhD-opleiding nodig om ermee te kunnen werken.’

Een cfd-tool waarvan Lasance wel enthousiast wordt, is Flotherm van Mentor Graphics. Dat pakket is specifiek ontwikkeld voor elektronicakoeling en heeft een enorm bereik, van componenten en processoren tot pcb’s en servers. Voor een processor heb je al gauw een miljoen meshpunten nodig. Als je dan een pcb wilt modelleren, loopt het snel uit de klauwen. ‘In een serie Europese projecten zijn daarom compact thermal models ontwikkeld’, vertelt Lasance, die in zijn tijd bij Philips CFT en Natlab bij die projecten betrokken was. Die compacte thermische modellen hebben slechts negen meshpunten nodig om een processor met vrijwel dezelfde nauwkeurigheid te beschrijven. Daarmee kun je op bordniveau prima uit de voeten. Het pcb beschrijf je ook weer met een compact model zodat je toch met hoge precisie een hele server kunt doorrekenen.

Het pakket is ook interessant voor systeemarchitecten in de mechatronica. Elektronica is immers een potentieel grote warmtebron in machines. Dus ze doen er goed aan om hier aandacht aan te besteden. ‘Een pcb heeft tegenwoordig tientallen lagen met heel veel componenten en verbindingen’, legt Lasance uit. ‘Dat levert allerlei details op die je vanuit een thermisch oogpunt op systeemniveau niet hoeft te weten. Als je bijvoorbeeld alle elektronica in een auto wilt doorrekenen, kun je alle cad-files inlezen in Flotherm en die automatisch laten vereenvoudigen. Zo hoef je niet zelf alles te modelleren, maar profiteer je van al het rekenwerk dat de pcb-ontwerper heeft gedaan.’

Boedapest

De volgende stap is de koppeling naar reliability-software die met faalmodellen uitrekent wat de verwachte levensduur van een product is. Lasance constateert dat Europa dat beter doet dan de VS. ‘Dat komt omdat we leidend zijn op het gebied van software voor thermische berekeningen. We lopen voorop in cfd en we lopen ver voorop in testkennis.’ Dat laatste komt vooral omdat de universiteit van Boedapest veel werk heeft gestoken in een goed meetinstrument. Het Hongaarse T3ster-systeem (inmiddels onderdeel van Mentor Graphics-tooling) is de de facto standaard die in staat is de lokale parameters te meten die nodig zijn als input voor nauwkeurige cfd-berekeningen, die weer als input fungeren voor de reliability-berekeningen.

En metingen zijn cruciaal, betoogt Lasance. ‘De formule voor het statisch meten van de warmtegeleidingscoëfficiënt is heel eenvoudig, maar dat betekent niet dat je hem ook makkelijk heel nauwkeurig kunt bepalen. Je hebt er normaal gesproken meetapparatuur voor nodig van minstens een half miljoen. Dat gebeurt in standaard labs, die een nauwkeurigheid van twee procent claimen. Round robin-tests laten echter een variatie van twaalf procent zien tussen de verschillende labs. Dat zegt wel iets over de moeilijkheid. Daarnaast is er nog een probleem. De labs meten maar in één dimensie, terwijl de praktijk driedimensionaal is, je met warmtespreiding te maken hebt, de materialen anisotroop zijn, enzovoorts. De enige manier om dat op te lossen, is in situ en dynamisch meten, en alleen die parameter die je wilt meten, in zijn praktijkomstandigheden. Daar zijn die Hongaren heel goed in.’

Op de schop

Een ander belangrijk punt is standaardisatie. ‘Op dit moment is die er vooral om alles juridisch dicht te timmeren’, vindt Lasance. ‘De huidige reliability-standaarden die het gros van de designers gebruikt, hebben een bedroevend niveau als het gaat om het voorspellen van de levensduur. Ze zijn gebaseerd op technologieën en aannames uit de jaren zestig. Als een bedrijf zoals Boeing kan aantonen dat het aan de standaarden voldoet, gaat het juridisch vrijuit – ook als iedereen weet dat de standaarden niet goed zijn. Maar als je binnen die standaarden kunt laten zien dat een transistor te warm wordt, heeft het een groot probleem en ligt faillissement op de loer. Nu zijn de standaarden vooral juridische tools, dus ze moeten echt op de schop.’

Meer over dit onderwerp hoor je tijdens het seminar ‘Trends and challenges in reliability’ op 9 en 10 mei in Eindhoven reliabilityseminar.nl.