Wärmemanagement Thermische Simulation bereits beim Leiterplatten-Layout

Autor / Redakteur: Günther Schindler * / Kristin Rinortner

Mit PCBi-Physics lässt sich eine Thermo-Simulation per Knopfdruck aus der CAD/CAM-Softwareumgebung durchführen. Das erschließt Optimierungspotenziale und verringert die Prototypenanzahl.

Firmen zum Thema

Thermosimulation: Mit PCBi-Physics steht ein Simulationswerkzeug zur Verfügung, mit dem thermische Probleme bereits in der Layoutphase ausgeräumt werden können. Im Bild zu sehen ist ein Thermoscan als Ergebnis der Simulation mit PCB-Investigator Physics.
Thermosimulation: Mit PCBi-Physics steht ein Simulationswerkzeug zur Verfügung, mit dem thermische Probleme bereits in der Layoutphase ausgeräumt werden können. Im Bild zu sehen ist ein Thermoscan als Ergebnis der Simulation mit PCB-Investigator Physics.
(Bild: EasyLogix)

Den Ursachen für Hotspots auf Leiterplatten erst nach der Begutachtung eines Prototypen nachzugehen und sich womöglich über mehrere Iterationen dem „wohltemperierten“ Board anzunähern, ist teuer und aufwändig.

Eine thermische Simulation, die diesen Aufwand reduziert, ist bisher meist die Aufgabe spezialisierter Physiker und Teil der mechanischen Evaluierung eines PCB-Designs. Mit PCB-Investigator Physics (PCBi-Physics) steht jetzt ein Simulations-Tool zur Verfügung, mit dem thermische Probleme bereits in der Entwicklungs- und Layoutphase ausgeräumt werden können.

Bildergalerie

PCBi-Physics ist eine Erweiterung der CAD/CAM-Software EasyLogix PCB-Investigator von Schindler & Schill. Diese CAD/CAM-Software ist vor allem darauf ausgerichtet, mit umfassenden Visualisierungs-, Export- und Importmöglichkeiten Review-Prozesse bei der Entwicklung von elektronischen Baugruppen einfacher und effizienter zu gestalten.

Die leicht bedienbare Software liest Layoutdaten in verschiedensten Formaten (ODB++, DXF, GenCad 1.4, Gerber 274x etc.) und ist damit unabhängig von den sonst verwendeten Systemen. Die Funktionalität beschränkt sich nicht nur auf Leiterbahnen und Flächen, sondern umfasst alle Informationen über Bauteile und Netze des Layouts. So kann im Review ganz einfach auf alle Lagen und Datenobjekte wie Bauteile, Pins, Netze und Kupferelemente zugegriffen werden.

Diese ganzheitliche Sicht ermöglicht zugleich einen neuen Ansatz im Wärmemanagement. Mit der Erweiterung PCBi-Physics können Entwickler problematische Wärmeentwicklungen im späteren Produkt bereits sehr früh in der Entwicklung entdecken und gezielt vermeiden. Eingebettet in die CAD/CAM-Software steht die thermische Simulation auf Knopfdruck zur Verfügung – ohne dass der Entwickler einen Experten hinzuziehen müsste.

Bewährte Technologie unter der Oberfläche

Die Engine unter der Oberfläche von PCBi-Physics ist die seit vielen Jahren bewährte und branchenweit anerkannte Spezialsoftware TRM („Thermal Risk Management“) von ADAM Research. TRM und damit auch das Tool von EasyLogix sind in der Lage, Multilayer Boards, SMD-Wärmequellen, eingebettete Bauteile, Pins, Inlays, Stromschienen, Durchkontaktierungen, Sacklöcher und vergrabene Löcher einzubeziehen.

Im Vergleich stimmen Simulation und Infrarot-Thermographien fertiger Leiterplatten im Normalfall im Rahmen von ca. ±10 % oder besser überein. Die Visualisierung der Ergebnisse entspricht einer Thermographie und übertrifft diese sogar in manchen Fällen an Aussagekraft: Die Simulation in PCBi-Physics zeigt zum Beispiel Hotspots auch in Innenlagen, die durch Thermographie an der Oberfläche nicht zuverlässig zu erkennen sind.

Auf Basis der in der CAD/CAM-Software vorhandenen Informationen stellt PCBi-Physics die Temperaturerhöhungen dar, die durch die Verlustleistung der Bauteile und durch Ströme ausgelöst werden. Die Stromdichte, wie beispielsweise bei Kupferengstellen oder in Bohrungen sowie Spannungsabfall und Leitungswiderstand zwischen Pins auf jeder Lage werden in einem Zug mit berechnet.

Wie verteilt sich die Wärme auf der Leiterplatte?

Die sich einstellende Leiterbahn- und Bauteiltemperatur charakterisiert das thermische Gleichgewicht zwischen der Wärmeabgabe der Bauteile und Ströme einerseits und der Kühlung durch die Umgebung andererseits. Um hier ein sinnvolles Ergebnis zu erhalten, muss insbesondere die Wärmespreizung in den Lagen und im FR4 berechnet werden.

Das bedeutet: Placement, Layout und Bohrungen müssen geometrisch wie physikalisch in der Berechnung berücksichtigt werden – und genau das tut die Software für alle Lagen, alle Leiterbahnen und alle Bohrungen.

Zweidimensionale versus dreidimensionale Simulation

Herkömmliche Software zur Computational Fluid Dynamics Simulation wie Autodesk CFD, FloTHERM, 6SigmaET, ANSYS Icepak oder COMSOL Multiphysics sind in den Händen von Experten mächtige Werkzeuge, um das Temperaturverhalten von PCB vorherzusagen.

Das Problem: Sie alle gehen von 3-D-Modellen aus oder erfordern wegen der Strömungsberechnung mehr Eingabeaufwand, erhebliche Speicherressourcen und lange Rechenzeiten.

Das bedeutet nicht nur einen höheren Aufwand, sondern erschwert die frühzeitige Einbindung der Simulation in den Entwicklungsprozess. Das Leiterplattenlayout erfolgt zweidimensional, die Thermodynamiksimulatoren bieten aber keinen 2-D-Editor.

PCBi-Physics hingegen geht von 2-D-Modellen aus, führt die Simulation aber dreidimensional aus. Es verfügt dazu über einen Full-Shape-Modeler-Modus, der die Leitergeometrien auf allen Lagen und die Positionen aller Durchkontaktierungen für eine präzise Spannungssimulation übergibt.

Da in PCBi-Physics immer auch der Stromfluss berücksichtigt wird, behält man beispielsweise EMV-Probleme im Blick. Plakativ gesagt: Eine längere Leiterbahn mag in einer rein thermischen Betrachtung als wärmeableitend begrüßt werden – während sie aber gleichzeitig unerwünscht als Antenne wirkt.

Virtuelles Wärmebild erleichtert die Analyse

In der Temperaturberechnung werden die Beiträge aus der Stromheizung und der Wärmeeintrag der Bauteile kombiniert und die Wärmeausbreitung in allen Lagen, Bohrungen und Prepregs berechnet. Thermische Hotspots, kritische Leitungswiderstände und zu große Spannungsabfälle können geometrisch genau lokalisiert werden.

Als Ergebnis erhält man die berechneten Wärmebilder (typischerweise so fein wie mit „Bleistiftdicke“ 0,2 mm oder genauer) für jede Kupfer- und Prepreg-Ebene und detaillierte Karten von Stromdichte, Potenzial und Spannungsabfall sowie von temperaturabhängigen Materialeigenschaften und lokaler Heizleistung.

Oft sind es mehrere Faktoren, die die Temperatur beeinflussen. Durch die Simulation gelingt es schnell, die wichtigen und die unwichtigen Einflüsse zu unterscheiden. In den Editierfunktionen können mit ein paar wenigen Klicks Layout oder Lagenaufbau einer Leiterplatte optimiert werden – 2-D-Änderungen direkt im ODB++.

Frühzeitige Optimierung bringt Vorteile

Dies sind die großen Vorteile dieses Plug-ins für PCB-Investigator: Die Integration einer ausgereiften Speziallösung (TRM von ADAM Research) ermöglicht die Durchführung von Simulationen auf Knopfdruck – ohne die Einarbeitung in numerische Methoden.

Die direkte Editierbarkeit macht es möglich, potenzielle Hotspots schnell auszuschalten. Daraus ergibt sich: Die thermische Simulation kann auch zur Kontrolle iterativer Designzyklen verwendet werden, wenn es um Optimierungen geht. Hitzestaus frühzeitig zu vermeiden ist nämlich nur die eine Seite der Medaille: Die Simulationsergebnisse geben Aufschluss darüber, ob Temperaturvorgaben auch mit dünnerem Kupfer, weniger Lagen oder ohne Kühlkörper erreicht werden könnten.

Sind beispielsweise in der geplanten Leiterplatte Kupferlagen mit einer Dicke von 105 µm vorgesehen und die Simulation zeigt, dass sie sich nur schwach erwärmt, dann kann man die Dicke in der Simulation ohne weiteres gegen den Wert 70 µm austauschen und damit neu durchrechnen.

Die Simulation zeigt also Einsparungspotenzial – sowohl bezogen auf den Rohstoffverbrauch wie auf den Platzbedarf. Ein weiterer Kostenfaktor, der sich beeinflussen lässt, ist die Anzahl der Bohrungen für Thermal Vias. Mit der Simulation erkennt man unwirksame Bohrungen, kann diese eliminieren oder einen besseren Platz für sie finden.

Fazit

Miniaturisierung ist ein Dauerthema in der Elektronikentwicklung, kritische Temperaturentwicklung einer ihrer begrenzenden Faktoren. Wenn thermische Simulation ohne besonderen Aufwand schon in frühen Phasen vom Entwickler selbst durchgeführt werden kann, erschließt das Optimierungspotenziale und verringert die Zahl der nötigen Prototypen und Messungen.

* Günther Schindler ist Geschäftsführer bei Schindler&Schill in Regensburg.

(ID:44027140)