Wärmemanagement

Thermische Simulation bereits beim Leiterplatten-Layout

| Autor / Redakteur: Günther Schindler * / Kristin Rinortner

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.

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