전산유체역학 열 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하면 디자이너가 여러 가지 설계 접근 방법을 시험해 볼 수 있고 품질과 성능, 경쟁력이 보다 높은 제품을 구현할 수 있다. 다수의 물리적 프로토타입 필요성이 감소해 비용과 타임 투 마켓을 크게 낮출 수 있다. 제품의 높은 신뢰성은 사후 비용을 절감케 하고 회사의 명성도 지켜준다.

최근의 자동차에 있어서 전자장치의 비중은 지속적으로 늘어나고 있고 머지않아 기계 부품들의 가치를 넘어서게 될 것이다. 뿐만 아니라 전자장치는 자동차 모델의 경쟁력에 있어서도 으뜸가는 요소가 되고 있다. 이같은 추세 속에 이제는 기계적 디자인이 아닌 전자장치와 소프트웨어가 모델의 적시 인도를 좌우하는 요소가 되고 있다.
따라서 카 메이커와 서플라이어는 이러한 전자부품들을 신속하게 설계해야할 뿐만 아니라 고성능, 품질 및 신뢰성 표준도 충족시켜야만 한다. 이것들의 신뢰성이 낮고 현장에서 고장을 일으킨다면 회사는 막대한 보증수리 및 리콜 비용을 떠안아야 할 뿐만 아니라 명성에 큰 타격을 입을 수 있다. 예를 들어 지난 2011년 롤스로이스는 25만 달러 상당의 고스트(Ghost) 세단 600대를 리콜해야만 했는데, 이는 이들의 회로기판 과열이 화재를 발생시킬 수 있었기 때문이다. 롤스로이스, 고스트 같은 품질과 신뢰성을 상징하는 차에 이같은 결함이 있으리라고 누가 생각이나 했겠는가?



CFD 열 시뮬레이션 SW의 요구
전자장비에 있어서 주된 열원은 반도체 칩(IC)이다. 이러한 칩들의 온도 민감성은 냉각 메커니즘을 설계하는 데 있어서 중요한 해결과제가 되고 있다. 과열은 칩의 때 이른 고장을 일으키는 원인이 된다. 기능성이 증가함에 따라 이와 관련된 발열 문제도 급증해 전자장치 개발 속도를 제한시키는 요소로 인식될 정도에 이르렀다. 중요 부품들의 과열과 고장을 막기 위해서는 적절한 냉각 전략이 필요한 것이다.
다음은 열 전문가들뿐만 아니라 디자이너들이 개념 정의 단계로부터 디자인의 모색 및 최적화는 물론, 최종 검증에 이르는 설계 프로세스에서 효율적인 전산유체역학(Computational Fluid Dynamic, CFD) 열 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하게 만드는  동인 가운데 일부다.

- 제품의 적시 출시. 일정이 몇 주만 늦어져도 새로운 모델의 인도가 지연돼 자동차 업체는 수백만 달러의 손실을 입을 수 있다.
- 디자이너가 여러 가지 설계 접근방법들을 시험해 볼 수 있도록 해준다. 품질과 성능이 보다 높고, 경쟁력이 보다 큰 제품을 구현할 수 있다.
- 다수의 물리적 프로토타입에 대한 필요성이 감소한다. 이들은 비용이 많이 들어갈 뿐만 아니라 매우 시간 소모적이다.
- 높은 신뢰성을 갖는 제품을 인도할 수 있다. 이는 보증수리 및 리콜 비용을 절감해 주는 것은 물론, 회사의 명성도 지켜준다.

기계설계 자동화(MDA) 소프트웨어를 사용하는 기계 엔지니어들은 제품의 물리적 설계가 갖는 모든 국면을 도맡고 있지만, IC와 PCB는 여기서 제외된다. 따라서 이들은 전자설계 자동화(EDA) 소프트웨어를 사용하는 전자 디자이너들과 협력해야만 한다.
과거에는 EDA와 MDA의 두 영역이 총괄적 데이터 전송(IDF라고 불리는 표준)으로만 연결돼 있었으며, 열 관련 정보만을 전송하는 데 필요한 필터들은 대개 결여돼 있었다. 이로 인해 설계 디테일이 과도해져 CFD 시뮬레이션을 위해서는 디자이너가 수작업으로 모델을 간소화하거나 혹은 과도하게 긴 CFD 실행 시간을 감내하면서 아무런 컨버전스도 달성할 수 없었다.

개념 설계 단계부터 시작해야 하는 이유
우수한 열 관리를 위한 설계는 개발 프로세스의 개념 정의 단계부터 시작해야 한다. 이러한 제품들은 IC 및 FPGA 엔지니어, PCB 레이아웃 디자이너, 제조 엔지니어, 소프트웨어 개발자, 신뢰성 엔지니어, 기계 디자이너, 마케팅, RF 그리고 고속 전기 엔지니어 등과 같은 여러 설계 및 기획 분야의 협력적인 노력이 요구되는 복잡한 시스템들일 경우가 많다. 개념 정의 단계에서 제품의 성공 가능성에 대한 판단이 이뤄지는데, 이러한 판단 가운데 하나가 “주어진 공간과 폼팩터, 원하는 성능과 기능 등을 고려할 때 시스템에서 발생하는 열을 관리할 수 있는가?”이다.
기계 디자이너나 열 엔지니어는 멘토 그래픽스의 새로운 FloTHERM XT 솔루션을 이용해 IC, PCB 및 인클로저의 개념적 모델을 손쉽게 작성한 뒤 시뮬레이션을 통해 열을 발산시킬 수 있는지 확인할 수 있다. 발산시킬 수 있다면, 열이라는 관점에서 그 디자인은 계속 진행될 수 있다. 다른 부문들 가운데 어디에서든 개념 정의 단계에서 진행 불가를 알려온다면 시스템의 기능 사양이나 폼팩터, 사용되는 부품 또는 뭔가 다른 요소를 변경해야만 할 수도 있다. 그러나 재설계가 요구되는 개발 프로세스 후반에 문제를 발견할 경우에는 그 비용이 크게 증가할 수 있다.
개발 프로세스의 개념 정의 단계부터 시작해야 하는 또 다른 이유는 세부적인 설계를 이끌기 위해서다. PCB나 인클로저에 세부적인 설계 노력을 기울이기 전에 디자이너는 손쉽게 여러 개념적 설계들을 작성해 최상의 접근 방법을 선택한 뒤 그 데이터를 이용해 세부적인 시스템 설계를 유도할 수 있다.



FloTHERM XT를 이용한 자동차 부품 설계
그림 2는 FloTHERM XT를 이용해 복잡한 부품을 설계하는 전형적인 프로세스를 보여준다.
이 프로세스는 PCB의 개념적 레이아웃으로 시작한다. 여기서 디자이너는 PCB의 대략적 버전은 물론 발열 가능성이 높은 부품들을 작성할 수 있다. 툴을 사용해 이들을 처음부터 설계할 수도 있고, SmartParts™ 라이브러리로부터 선택할 수도 있다. SmartParts 라이브러리는 완전히 기술된 부품들은 물론, 맞춤변경을 통해 실제 제품을 나타내도록 만들 수 있는 템플릿들도 포함하고 있다. 그리고 이 부품들을 개념적인 PCB 상에 배치하게 된다.
그러고 나면 디자이너는 개념적인 인클로저를 작성해 PCB들을 이 인클로저 안에 배치할 수 있다. FloTHERM XT는 본격적인 기계설계 기능을 갖추고 있으므로 작성된 부품이나 인클로저는 목표 제품을 제대로 나타내기 위해 필요한 만큼의 디테일을 가질 수 있다. 일단 PCB들이 인클로저에 배치되고 나면 경계조건들을 추가하고 CFD 열분석을 수행할 수 있다. 이 결과를 토대로 디자이너는 부품의 배치를 수정하고, 발열이 큰 부품들에는 히트 싱크를 추가하며, 인클로저 등을 수정한 뒤 다시 분석을 실행할 수 있다.
이 프로세스는 디자이너가 우수한 열 관리 솔루션을 구현했다고 만족하게 될 때까지 계속된다. 열 관련 부품들은 PCB 상에 적절하게 배치된다. PCB들은 인클로저 내에 적절하게 배치 및 공간 안배가 이뤄진다. 인클로저의 형태와 소재는 좋은 전도, 대류 또는 복사열 발산 기능을 제공한다. 이제 디자인은 개념 사인오프를 달성할 수 있으며, 그 정보는 세부 설계를 위해 MDA 및 EDA 디자이너들에게 전달될 수 있다.
프로세스가 계속됨에 따라 EDA 및 MDA 환경으로부터 이뤄진 세부 설계들은 자동적으로 FloTHERM XT로 임포트 돼 분석 및 최적화될 수 있다. 세부적인 PCB의 임포트는 FloEDA Bridge™라고 하는 유틸리티를 통해 이뤄진다. 이 유틸리티는 열과 관련이 없는 수많은 감결합 콘덴서, 종단 저항, 필터 등과 같이 PCB 디자인 내의 필요 없는 세부사항들을 걸러내도록 맞춤화할 수 있다. 이러한 불필요한 요소들이 CFD 분석에 남겨지면 그 실행속도를 쓸데없이 저하시킬 수 있다. FloEDA Bridge는 PCB 설계 툴의 네이티브 데이터베이스로부터 직접 동작하므로 IDF 표준과 같은 총괄적 인터페이스들을 작성한 뒤 수정하느라 애쓰고, 그 위에 경계 조건과 부품 열 모델들까지 수작업으로 추가할 필요가 없어진다.
기계 설계(인클로저)를 FloTHERM XT에 통합시키는 데도 동일한 이점이 적용된다. 이때도 역시 주요 MCAD 툴(Creo, CATIA, NX, SolidWorks 등) 가운데 하나의 네이티브 데이터베이스로부터 직접 모델을 추출한 뒤 이 모델로부터 관련 없는 세부사항을 걸러낸다. 그렇게 되면 CFD 시뮬레이터 고유의 기능들 가운데 일부는 매우 빠른 사이클 시간을 제공하는 데 있어서 뿐만 아니라, 디자이너와 전문가들이 정확한 열 분석을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 데 있어서도 열쇠가 된다.

타임 투 마켓의 대폭 단축
기존의 CFD 시뮬레이션 툴들은 솔루션을 위해 모델을 준비하려면 높은 수준의 전문 지식과 상당한 시간을 필요로 했다. 여기에는 수작업에 의한 모델의 정리(cleanup), 수작업에 의한 솔루션 메시의 조정(이는 전문가 한 명에게 수 주일이나 걸릴 수 있다), 그리고 솔버의 컨버전스를 보장하기 위한 수정 작업이 포함된다.
기존의 CFD를 사용할 경우, 한 번의 설계 반복을 위한 사이클 시간은 솔루션에 도달하기까지 수 주일이 걸릴 수 있다. 게다가 이 즈음에는 설계가 진행돼 또 다른 사이클이 요구될 수도 있다.
반면에, FloTHERM XT를 이용하는 설계 엔지니어는 선행 분석을 수행하고, 동향을 파악하며, 문제를 신속하게 해결하고 보다 많은 문제를 더 신속하게 해결함으로써 훌륭한 진전을 이룰 수 있다. 전문가들이 검증 후반 단계에서 하는 일들을 사실상 보완해 줄 수 있다. 이는 수주일이나 걸리던 사이클 시간을 불과 며칠이나 하룻밤 사이로 단축시켜 줄 수 있다. 디자이너들은 다양한 디자인들을 시험해봄으로써 보다 경쟁력 있고 신뢰성 있는 제품에 도달하거나, 혹은 빠른 사이클 시간을 이용해 타임 투 마켓을 앞당길 수 있다(그림 3).

AEM_Automotive Electronics Magazine