'Koeling-architectuur voor elektronica bedenken is puzzelen op hoog niveau'

Warmte vermindert de prestatie van veel elektronica
en dus geeft beter koelen direct een commercieel voordeel.

Slimme thermische ontwerpen besparen bovendien. 'Voor minder geld dezelfde prestaties of voor hetzelfde geld hogere prestaties leveren, geeft direct een concurrentievoordeel', zegt Wendy Luiten, samen met Clemens Lasance docent van de workshop Thermal design and cooling of electronics.


Temperatuur beïnvloedt de prestaties van alles wat 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 uitdaging in het thermische ontwerpproces is de ongrijpbaarheid van de materie. Luiten: 'Als je het echt goedkoop wilt doen, dan draait het voor een groot deel om zaken die je niet ziet. Die staan ook niet op de bill of materials. Dat maakt het lastig. Het goedkoopste is om elektronica te koelen met lucht, maar lucht staat niet op de stuklijst. Ruimtes waar lucht doorheen stroomt staan er ook niet op. Als een mechanicus voor jou een open ruimte in het ontwerp meeneemt, 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.'

Je verwacht toch dat ontwerpgereedschappen daar rekening mee houden?
'Maar dat kan in wezen niet, omdat de elektrische en de mechanische ontwerptools gescheiden zijn. Vaak zie je dat ontwikkelaars een thermische simulatie draaien op basis van de CAD- en EDA-files. De detail-implementatie is dan al gedaan. Als uit de thermische (CFD) simulaties blijkt dat je een temperatuur probleem hebt, dan moet je een deel van het ontwikkelproces overdoen – en dat wil je natuurlijk voorkomen.

Hoe speelt jullie training daarop in?
'We brengen een manier van werken bij. Het thermisch ontwerp moet vanaf de architectuurfase worden meegenomen; met thermische risico’s moet je pro-actief omgaan. Als ontwerpers ook maar een vermoeden hebben dat een ic een heat sink moet hebben, dan moeten ze onmiddellijk aangeven dat hun printplaat daar gaatjes voor moet krijgen. Dus niet wachten tot het gehele 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. Maar als ze er niet in zitten en je ze toch nodig hebt, 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 om de warmte af te voeren maar je moet wel vanaf het begin al meenemen of het thermisch concept deugt en daarna pas met de gedetaillerde computer simulaties aan de gang gaan.'

Een goed ontwerp scheelt dure extra onderdelen om de warmte af te voeren. 

Hoge temperaturen hebben effect op de levensduur en de betrouwbaarheid van onderdelen. 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, Intel Xeon en Pentium M processoren introduceerde Intel een tweede temperatuurbeveiliging die de kloksnelheid van de chip omlaag schroefde als hij te heet werd.

Een dergelijke temperatuurbescherming heeft niet automatisch een positieve invloed op het thermische ontwerp, zo wijst Luiten op een bestaand misverstand. 'Mensen denken dat ze goed bezig zijn door een processor te kopen met een thermische bescherming. Maar die is er niet om te koelen of het energiegebruik 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.'

Geavanceerde thermische beschermingsalgoritmes maken je veel afhankelijker van een goed thermisch ontwerp.

In een recente consultancy-job 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.'

'Thermische beveiligingen via software, dat klinkt heel erg slim, maar het maakt je product veel gevoeliger'

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.'

Wat is de belangrijkste insteek van de training?
'Zorgen dat je het probleem aanpakt en daadwerkelijk beter koelt. Want warmte is een grote performance-beperker in systemen van computers tot lampen. Dus op het moment dat jij je product voor hetzelfde geld beter kunt koelen, heb je gewoon een commercieel voordeel.'

Waar werken de technici die aan jullie trainingen deelnemen?
'Eigenlijk de hele breedte. Van component- tot module- en systeemmakers. We hebben veel mensen uit de verlichtingssystemen ontvangen die een oplossing zochten om LED-applicaties te koelen, maar bijvoorbeeld ook mensen die aan heel grote systemen werken, zoals radarsystemen voor vliegtuigen of heatsinks in grote power supplies. Op dit moment krijgen we veel deelnemers uit de autoindustrie. Logisch, want de markt voor automotive-elektronica groeit. Je hebt in een auto altijd wel te maken met een elektronische control box, maar we ontvingen ook mensen die koplampen ontwikkelden.'

Wat triggert die mensen om te komen?
'Een deel komt specifiek omdat ze het hoorden van vakgenoten. We krijgen eigenlijk altijd ook cursisten uit het buitenland. Laatst nog drie uit de VS. Die hebben dan gehoord dat ze voor een echt goede training het vliegtuig naar Eindhoven moeten pakken. Het is een vrij internationale cursus, hij wordt ook eigenlijk altijd in het Engels gegeven.'

Waarom staat de training zo goed bekend?
'In de cursus die Clemens en ik geven, leren mensen ook echt hoe je het moet doen. Dus de echte harde praktijk: het gat is zó groot en het moet dáár zitten. Het is erg hands-on. We bieden theorie, en daarnaast zijn er keuze opties: verdieping voor de meer ervaren cursisten, of oefeningen maken. Ooit vroeg een cursist verbijsterd waarom hij moest uitrekenen hoe groot de heat sink moest zijn. Ha ha. 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 hans berekeningen 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.'

Cursisten kunnen ook praktijkcases meebrengen?
'We hebben standaard cases en we vragen de cursisten bij de intake om hun cases voor te leggen. Daar zitten altijd cases bij die we in de training kunnen behandelen. Dat is altijd heel leuk, want dan krijg je levendige discussies, vooral ook vanwege de mix aan cursisten die er allemaal weer iets anders tegenaan kijken.'

Tijdens training: Leer thermisch interpreteren van specificaties

Lasance en Luiten behandelen de achterliggende natuurkunde, maar vooral wat je daar in de praktijk, in het ontwerpproces, aan hebt. Ook hoe het past in het ontwikkelproces. Niet voor niets zijn zijn er onderdelen over tijdplanning en projectmanagement. 'We hebben het ook over de specificaties en hoe je ze thermisch moet interpreteren. Aan het eind doen we een case study, iets waar deelnemers altijd heel enthousiast over zijn. We verdelen de groep dan in twee ploegen en geven ze elk dezelfde opdracht om in twee tot drie uur door te akkeren. Voor heel veel mensen is dat een eye opener, omdat ze met zoveel variabelen en specificaties op systeemniveau rekening moeten houden. Ze komen alles tegen. Het is voor veel mensen ook de eerste keer dat ze zien hoe de elektrische en de mechanische architectuur samenspelen in het thermisch gedrag.'

Als je ermee klaar bent...
'Dan ben je inderdaad in staat om in te schatten hoe je een product moet koelen. Heel veel mensen zeggen ons dat dit de training volkomen uniek maakt. De meeste deelnemers hebben een of twee jaar ervaring, maar hetzelfde compliment horen we van mensen die al tien jaar ervaringen hebben als thermisch architect. Ook zij zeggen: ik heb verschrikkelijk veel geleerd. En we zien ook dat die vervolgens hun collega’s ook op cursus sturen.'

Welke vooropleiding hebben cursisten?
'Vaak rollen mensen met enkele jaren ontwerpervaring het thermische vakgebied in. In Europa is er geen hbo of academische opleiding voor. In de VS zijn er wel universiteiten waar koeling van elektronica op het programma staat, maar niet op de manier waarop Clemens en ik het behandelen. Daar gaat het meer over maatregelen achteraf, over hoe je ventilatoren of heat sinks kunt toepassen.'

Vernieuw je de training ook?
'Absoluut, in het recente verleden hebben we keuze opties ingevoerd om te kunnen differentieren tussen ervaren en minder ervaren cursisten, en dat is goed bevallen. Ik ben nu bezig met Design for 6-sigma en warmte. Dat blijkt goed samen te gaan. In de architectuurfase moet je immers al nagaan hoe mechanica en electronika samengaan, welke eisen dat je aan het thermische ontwerp stelt en wat de mogelijkheden zijn om die eisen te realiseren. Verder in het traject zijn er ook mooie reslutaten te bereiken met de combin van computersimulaties en Design of Experiments.'

Electronics - coel1webgr

Photo by: Bart van Overbeeke

Wendy Luiten begon halverwege de jaren tachtig als thermisch specialist bij het Philips centrum voor Fabricage technieken, toen net afgesplitst van het bekende Philips Natuurkundig Laboratorium (NatLab). Eind jaren negentig werkte ze als thermisch architect in het ontwikkelteam voor de eerst platte televisies van Philips Consumentenelektronica. 'De eerste plasma schermen hadden als vanzelfsprekend ventilatoren aan boord maar die moesten eruit, omdat ze hinderlijk geluid maakten. Luiten won met haar paper over het thermisch ontwerp van de eerste plasma TV ter wereld zonder ventilatoren prompt een best paper award op de Amerikaanse Semi-Therm conferentie.

Ik heb een tijdelijke, niet structurele activiteit gedaan, maar dan wel zestien jaar lang.

Elektronicakoeling bij consumenten elektronica werd aanvankelijk gezien als een tijdelijk fenomeen, want het management ging er vanuit dat de warmteproblemen niet structureel waren. Maar steeds als weer een generatie televisies van zijn warmteprobleem was verlost, kwamen productmanagers weer met nieuwe eisen zoals de overgang van plasma op LCD-schermen, de opkomst van HD TV, LED TV, 3D TV en smart-TV. 'Steeds had de volgende generatie ook weer een warmteprobleem', zegt Luiten, die zo in totaal zestien jaar aan de problematiek werd verbonden. Ze kan er wel om lachen: 'Ik heb een tijdelijke, niet structurele activiteit gedaan, maar dan wel zestien jaar lang.'


Sinds 2000 geeft Luiten trainingen cooling of electronics. Die training heeft ze inmiddels over de hele wereld gegeven, in China, Europa, Singapore, Taiwan, Korea en de VS, maar ook gaf Luiten de cooling-training in Soedi-Arabië, gaf ze een summer school in Turkije, en afgelopen jaar de pre-conference short course ‘Fundamentals of thermal system design’ voor de Europese Therminic conferentie.

Samen met Clemens Lasance geeft ze inmiddels 15 jaar de workshop Thermal design and cooling of electronics. Die training loopt in Eindhoven, maar ze gaven ook samen een pre-conference short course op de Semitherm-conferentie in de VS. De combinatie van haar productontwikkelervaring en Lasances zeer brede en diepe kennis van het vak onderscheidt zich van wat er elders op de wereld aan elektronica koeling cursussen beschikbaar is.

Ze vind het vak zo leuk, omdat ze ontzettend van puzzelen houdt. 'De koeling-architectuur van 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 zoveel mogelijk verschillende modellen coveren. Allemaal met verschillende uitvoeringsvormen, dus moet je oplossing schaalbaar zijn, kunnen meebewegen met een veranderend product.'

Ze heeft ook een eigen adviesbureau, Wendy Luiten consultancy. 'Dat is niet erg origineel, maar wel praktisch. Mijn naam is nu eenmaal bekend in het warmtewereldje.'

Ook bij Internet of Things moet het thermisch kloppen

Thermische aspecten zijn een deelprobleem, maar Luiten verwacht wel dat het belang zal toenemen. 'De energietransitie zet dit vakgebied nadrukkelijker op de kaart. Bij het omzetten van zonne- en wind- energie naar het lichtnet gaat het om vermogenselektronica die thermisch gelimiteerd is. Daarnaast zijn ook de materialen die licht in elektriciteit omzetten en omgekeerd bekend om hun temperatuurgevoeligheid. De hele stap naar elektrische en zelfrijdende auto is ook een hot item – elektronica maakt tegenwoordig 30 procent uit van de kosten van een auto en ook dat aandeel is stijgende.

De hele stap naar elektrische en zelfrijdende auto is ook een 'hot' item.

Het gaat in automotive ook om veiligheid. Luiten: ‘We kunnen ons niet permitteren dat de automotive elektronica faalt, omdat het te warm wordt.’ In de datacommunicatie zijn de koelingsproblemen rond datacenters inmiddels bekend. ‘De kosten voor de koeling liggen in dezelfde orde van grootte als de kosten voor de dataverwerking. Het is de verwachting dat 5G de mobiele wereld nog veel complexer gaat maken. Daarnaast is de verwachting dat de hele wereld straks vol hangt met sensoren. Ook bij internet of things moet het thermisch kloppen.'

Partnership High Tech Institute

De training Cooling of Electronics maakt onderdeel uit van het portfolio van T2Prof, dat de technische trainingen op het gebied van electronica en optica in 2010 overnam van Philips Centre for Technical Training. T2Prof brengt zijn trainingen via een wederzijds exclusief partnership met High Tech Instute op de markt. High Tech Institute verzorgt daarbij marketing, sales en organisatie.

Aanbeveling door oud-cursisten

Aan het einde van de training vullen cursisten een evaluatieformulier in. Op de vraag: 'In welke mate wil je deze training aanbevelen aan anderen?' kwam een gemiddeld cijfer van 8.9 op een schaal van 1 - 10. 

Op 12 - 14 mei 2020 vindt de cursus 
'Thermal design and cooling of electronics' 
plaats in Eindhoven.

Bekijk cursusomschrijving

Aanmelden kan via ons online registratieformulier.

Aanmelden voor de cursus

Lees meer over Wendy's achtergrond & carriere.

Biografie Ir. Wendy Luiten