Wärmemanagement

Thermische Simulation bereits beim Leiterplatten-Layout

| Autor / Redakteur: Günther Schindler * / Kristin Rinortner

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.

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