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Co-Simulation für Leiterplatten: EDA-Software spürt elektrisch-thermische Hotspots auf

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Mehr als die Hälfte aller Elektronikausfälle entstehen durch thermische Überlastung. Das integrierte PCB-Tool PowerDC und das neue Paket Celsius zeigen dem Leiterplatten-Entwickler verborgene Fehlerquellen.

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Bild 1: Beispiel einer thermisch-elektrischen Co-Simulation eines komplexen Leiterplatten-Systems.
Bild 1: Beispiel einer thermisch-elektrischen Co-Simulation eines komplexen Leiterplatten-Systems.
(Bild: FlowCAD)

Verschärfte Design-Vorgaben mit höheren Datenraten bei niedrigeren Versorgungsspannungen erhöhen die Strombeträge auf der Leiterplatte und im Gesamtsystem. Das verstärkt die unerwünschte Erwärmung erheblich. Die Leiterplatten-Software OrCAD und Allegro in der Release 17.4 finden elektrisch-thermische Hotspots, analysieren ihre Ursachen und beseitigen die Auswirkungen.

Das Release 17.4 der PCB Design Tools von Cadence adressiert die thermischen Herausforderungen auf zwei Weisen: Einerseits mit einer Lösung für den Leiterplatten-Layouter, die es ihm ermöglicht, sein Layout robuster auszulegen und lokale Hotspots zu vermeiden. Zum anderen lassen sich entsprechend dem Trend komplexe Systeme als Ganzes erfassen, analysieren und zuverlässig entwerfen.

Erwärmung eines Leiters durch Strom

In seinem ersten jouleschen Gesetz, dem Stromwärmegesetz, hat der Naturwissenschaftler und Bierbrauer James Prescott Joule beschrieben, dass ein elektrischer Strom in einem elektrischen Leiter Wärme erzeugt, wenn dem Leiter kontinuierlich Energie entnommen wird. Dieses Gesetz beschreibt auch den transienten Vorgang der ohmschen Verluste: in Folge der Erwärmung ändert sich kontinuierlich der ohmsche Widerstand. Damit wiederum wird die Stromdichte im elektrischen Leiter solange beeinflusst, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat.

Dies gilt nicht nur für Gleichstrom, sondern auch für sich ändernde Stromdichten, wie sie heute auf Leiterplatten vorkommen. Auf PCBs mit ihren komplexeren geometrischen Leitern und stromführenden Flächen mit nicht gleichmäßiger Stromverteilung muss diese Stromdichte beispielsweise mittels Finite-Elemente-Methode berechnet werden, um die Verlustleistung und den Widerstand der Leiterbahnen/Versorgungsflächen mit Aussparungen bestimmen zu können.

Letztendlich führt die Erwärmung der Leiterplatte zunehmend zu lokalen Überlastungen an den sprichwörtlichen Hotspots und beeinflusst dadurch die Zuverlässigkeit und Funktion der Schaltung. Weil Halbleiterhersteller die Versorgungsspannungen der Bauteile zusehends absenken, um höhere Übertragungsraten und mehr batteriebetriebene Geräte zu ermöglichen, steigen die Ströme im Stromversorgungssystem der elektrischen Schaltungen. Diese höheren Ströme in den Leitern der Leiterplatte führen zu deren zuvor beschriebenen Eigenerwärmung.

Simulation der Leiterplatte ohne Modelle

Zur Lösung der thermischen Probleme gibt es für den Leiterplatten-Entwickler mit der Software PowerDC eine Gleichspannungssimulation auf Basis des Sigrity-Field-Solver von Cadence. Damit werden die komplexen Strukturen der elektrischen Leiter, Isolatoren, Induktivitäten und Kapazitäten der PCB extrahiert und zu einem Rechenmodell zusammengefasst.

Im Release 17.4 von OrCAD und Allegro ist PowerDC jetzt in einem verbesserten Flow integriert, der den Ablauf der Simulation weiter vereinfacht. Diese Tool-Lösung ist für Entwürfe aus anderen PCB-Layout-Systemen offen, sofern sie ihre Daten mittels ODB++ bzw. IPC-2581-Schnittstelle exportieren können. In wenigen Minuten ist eine Simulation, bestehend aus Lagenaufbau, Spannungsversorgungen und den maßgeblichen Verbrauchern, durchgeführt und die Ergebnisse der thermischen Analyse liegen vor.

Die Simulation berechnet alle Ströme in den Leitern und Flächen sowie die Rückströme im Ground-System. Dabei wird die Überlagerung des Rückstroms von verschiedenen Verbrauchern mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen berücksichtigt. Ein Leiterplatten-Layouter kann selbst mit größter Erfahrung solche komplexen Situationen nicht mehr abschätzen. Die Vielzahl der nicht idealen Verhältnisse, die etwa durch Aussparungen, Durchkontaktierungen und parallel geschaltete Ground-Lagen entstehen, sind nur noch durch Field-Solver exakt berechenbar.

Doch sind die durch Field-Solver gelieferten Ergebnisse sehr einfach zu interpretieren, sodass die Erkenntnisse sofort in eine Verbesserung des Designs einfließen können. Thermische Hotspots, die allein durch die Geometrie des Layouts entstehen, sind durch die farbliche Kennzeichnung leicht zu erkennen. Diese lokalen jouleschen Erwärmungen sind von der Stromdichte abhängig. Dabei kann es sich beispielsweise um für den hohen Strom zu schmal ausgelegte Leiterbahnen handeln.

Ein häufiges Problem ist, dass der Versorgungsstromlauf (Power Loop) über mehrere Lagen mit Durchkontaktierungen führt. Wenn diese ungünstig für die überlagerte Stromdichteverteilung platziert sind, wird der Strom nicht gleichmäßig auf die elektrisch parallelgeschalteten Vias verteilt, da der ohmsche Widerstand der Kupferstrecken auch hier den Spannungsteiler vorgibt. Bei ungleicher Stromverteilung werden einzelne Durchkontaktierungen überlastet und glühen ggf. in längerem Betrieb aus oder reißen ab.

Beispiel: Thermische Simulation von Via-Feldern

Unterschiedliche und weiter sinkende Versorgungsspannungen für Prozessoren und FPGAs führen zu weiteren Herausforderungen beim PCB-Entwurf. Niedrige Spannungen bei leistungsstarken Bauteilen verursachen höhere Ströme auf den Versorgungsleitungen in der Größenordnung von mehreren Ampere. Bei nur einer Versorgungsspannung auf der Leiterplatte ist ein Power/Ground-Paar mit zwei dafür reservierten Lagen realisierbar. Gibt es aber verschiedene Versorgungspotenziale auf einer Leiterplatte, ist dies nicht mehr möglich. Dann nämlich müssen die Versorgungsspannungen als breite Leitungen oder Kupferflächen auf einer Lage vom Stecker bis an den Verbraucher geführt werden. Hierbei ist der Leitungsquerschnitt zu beachten, der sich aus der Kupferdicke von etwa 35 µm und der Breite der Leitung ergibt.

Die zweite neue Herausforderung ist die Auslegung der Ground-Lage. Der Rückstrompfad berechnet sich aus der Summe der Einzelströme jedes GND-Pins und der Summe der unterschiedlichen Versorgungsspannungen, die sich ein GND-System teilen. Auch hier fließt der Strom mit Verlusten, die zur Erwärmung der Leiterplatte führen.

Die Auswertung mittels Software ist sehr einfach, da die Vias in einer Ansicht zum einen eingefärbt werden (rot = heiß; blau = kalt), sich zum anderen aber auch in Tabellenform mit Zahlenwerten sortiert anzeigen lassen, sodass die Hotspots gezielt im Layout dargestellt sind. Für den Layouter sind solche Hinweise schnell zu verstehen, sodass er durch Umplatzieren der Durchkontaktierungen oder weitere Vias die Probleme entschärfen kann.

Bild 2: Die unterschiedliche Stromverteilung von 0,1 bis 2,3 A in einem Via Feld (links) und die Optimierung (rechts) nach der Simulation.
Bild 2: Die unterschiedliche Stromverteilung von 0,1 bis 2,3 A in einem Via Feld (links) und die Optimierung (rechts) nach der Simulation.
(Bild: FlowCAD)

Thermische Analyse findet die wahre Fehlerursache

Ein Beispiel zeigt Bild 2. Der Strom von 10 A soll gleichmäßig durch eine 3x3-Via-Matrix-Anordnung von neun Durchkontaktierungen von einer Lage in die nächste führen. Doch tatsächlich variieren die Ströme zwischen 0,104 bis 2,3 A für die blaue und rote Durchkontaktierung. Warum ist das so?

Das Fehlerbild sieht häufig so aus, dass im Betrieb die Micro-Vias von einer der beiden Lagen abreißen. Dann fällt schnell der Verdacht auf den Leiterplattenhersteller, der den Micro-Via-Prozess nicht im Griff zu haben scheint. Wenn die Vias dann nach dem Wechsel zu einem anderen Leiterplattenhersteller erneut abreißen, traut man der Technologie insgesamt nicht mehr und platziert THT-Durchkontaktierung mit höherem Platzbedarf und ungenutzten Stubs.

Bild 3: 
Unterschiedliche Darstellung von Stromdichte auf Leitung und Rückstrompfad.
Bild 3: 
Unterschiedliche Darstellung von Stromdichte auf Leitung und Rückstrompfad.
(Bild: FlowCAD)

Eine thermische Untersuchung zeigt jedoch den tatsächlichen Fehler, dass nämlich die Ströme nicht gleichmäßig verteilt sind. Der Stromunterschied führt zu einer Überlastung des ersten Vias, welches durch die thermische Belastung abreißt oder ausglüht. Wenn das erste Via ausgefallen ist und nicht mehr leitet, steigt der Strom in den restlichen acht Vias an. Wiederum durch die ungleiche Stromverteilung werden die nächsten Vias übermäßig gestresst. Dies setzt sich so lange fort, bis das ganze Via-Feld abgerissen ist. Da der zeitliche Ablauf verborgen bleibt und die Analyse nur zeigt, dass alle Vias abgerissen sind, liegt die Vermutung eines Produktionsfehlers nahe. Tatsächlich aber ist die Ursache ein Design-Fehler des Versorgungssystems. Wie ist er vermeidbar?

Thermischer Stress von einzelnen Micro-Vias auf Innenlagen ist mit keiner Wärmebildkamera erfassbar. Mit Sigrity PowerDC jedoch können die Vias zwischen zwei Simulationen leicht neu angeordnet, kopiert oder gelöscht werden. So bekommt man schnell ein Gefühl für die Geometrien auf den beiden zu verbindenden Lagen und kann eine Optimierung der Kupferflächen mit Vias durchführen, damit sich der Strom möglichst gleichmäßig aufteilt und alle Vias gleich belastet.

Bild 4: 
Die komplette elektrisch-thermische Co-Simulation eines LCD-Projektors.
Bild 4: 
Die komplette elektrisch-thermische Co-Simulation eines LCD-Projektors.
(Bild: FlowCAD)

Die Stromdichte kann für einen Stromkreis, beziehungsweise überlagert für mehrere Stromkreise, analysiert und angezeigt werden. In der Vergangenheit waren die Versorgungssysteme meist vernachlässigbar; aber heute bedingen höhere Ströme, unterschiedliche Versorgungsspannungen und Miniaturisierung für die meisten Leiterplatten eine genauere Betrachtung. Praxiserfahrungen zeigen, dass viele thermische Schwierigkeiten und EMV-Probleme aus einem ungeeigneten Spannungsversorgungssystem hervorgehen.

Eine neue Simulationsmethode komplexer Systeme

Mit dem Tool Celsius gibt es von Cadence jetzt eine neue Methode für thermisch-elektrische Systemsimulationen eingeführt, die für Leiterplattensysteme wie auch für Baugruppen anwendbar ist. Celsius ist ein thermischer Field-Solver, der die Methoden für Finite Elemente und Computational Fluid Dynamics in einem Tool kombiniert. Gemeinsam mit Clarity, Voltus und Allegro/Sigrity lassen sich komplexe Systeme aus Leiterplatten mit Bauteilen (IC und Package) sowie Gehäusen und Lüftern im Hinblick auf elektrische und thermische Eigenschaften simulieren. Die Wechselwirkung zwischen Strom und Erwärmung wird realistisch abgebildet. Dabei können sowohl statische (steady-state) als auch zeitliche-dynamische (transiente) Veränderungen in einer elektrisch-thermischen Co-Simulation selbst für komplexe Systeme durchgeführt werden.

Bild 5: 
Erwärmungsprofil von drei unterschiedlichen Layouts (rot, gelb, grün) bei gleicher Taktung.
Bild 5: 
Erwärmungsprofil von drei unterschiedlichen Layouts (rot, gelb, grün) bei gleicher Taktung.
(Bild: FlowCAD)

Der neue thermische Solver Celsius baut auf einer neuartigen Architektur auf, die eine Parallelisierung ermöglicht und so die mit steigender Komplexität auch steigende Rechenzeit minimiert. Die Parallelisierung kann von einem normalen Rechner mit Standard-CPU und 16 GByte RAM in die Cloud ausgelagert werden. Dies ermöglicht es Firmen, die Simulationen zu sehr günstigen Hardware-Kosten durchzuführen. Mit der neuen Architektur lässt sich die Rechengeschwindigkeit massiv und dabei fast linear steigern, da auf beliebig viele Rechner verteilt werden kann.

Dadurch sind die Gesamtkosten und die Rechenzeiten für eine transiente, detaillierte elektro-thermische Simulation eines komplexen Systems deutlich reduziert und werden für viele neue Anwender interessant. Die reduzierten Rechenzeiten ermöglichen es, ein System am virtuellen Prototypen im Hinblick auf thermische Stabilität und elektromagnetische Abschirmung zu optimieren. Gehäuseöffnungen lassen sich z.B. so dimensionieren, dass die Wärme abgeführt wird und trotzdem eine EMV-Schirmung gegeben ist, ohne die Kosten in die Höhe zu treiben.

Der thermische Solver besitzt eine mechanische 3D-Bearbeitung, in die auch Daten aus gängigen mCAD-Systemen über Formate wie Acis, IGES und STEP sowie Allegro und Sigrity eingelesen werden können. Entwickler können mit der beschriebenen Software sowohl Leiterplattensysteme als auch Baugruppen mit Gehäusen simulieren. Hinsichtlich der Komplexität gibt es keine Limitierung. Die erzielten Ergebnisse der Simulation haben µm-Genauigkeit.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 2/2020 (Download PDF)

* Dirk Müller ist Geschäftsführer bei FlowCAD in Feldkirchen bei München.

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