Wie Sie Hot Spots auf der Leiterplatte schneller identifizieren

| Autor / Redakteur: Marcus Dettmer * / Kristin Rinortner

Hot Spots auf der Leiterplatte: Die Thermosimulation bietet verschiedene Möglichkeiten, Hot Spots auf der Leiterplatte zu identifzieren.
Hot Spots auf der Leiterplatte: Die Thermosimulation bietet verschiedene Möglichkeiten, Hot Spots auf der Leiterplatte zu identifzieren. (Bild: ©M. Johannsen - stock.adobe.com)

Hot Spots auf der Platine: Was können Sie tun? Für das thermisch richtige Layout einer Leiterplatte gibt es kein Patentrezept. Unser Artikel zeigt beispielhaft Möglichkeiten zur Entwärmung.

Elektronische Produkte kommen in immer kürzeren Abständen in neuen Varianten auf den Markt. Meist sind in diesen auch viele, mindestens aber eine Platine(n) enthalten. Dennoch erwartet der Käufer ein entsprechend wertiges, also auch haltbares und verlässliches Gerät.

Die Temperatur hat einen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer elektronischer Bauelemente. So verdoppelt sich beispielsweise die Lebensdauer eines Elektrolytkondensators wenn die Betriebstemperatur um 10 °C reduziert wird, also von 105 auf 95 °C.

Jeder Entwickler einer elektronischen Schaltung wird daher unweigerlich mit Begriffen aus der Thermodynamik konfrontiert und muss am Ende eine Aussage über die voraussichtliche Nutzungsdauer seines Produkts treffen können. Aus Datenblättern entnommene Angaben bieten immer nur Referenzwerte für das jeweilige Bauteil selbst, nicht aber für die Anordnung und das Zusammenspiel der einzelnen Glieder des Gesamtsystems. Wie können also Hot-Spots identifiziert und gesicherte Aussagen über die voraussichtliche Lebensdauer getroffen werden? Welche Möglichkeiten bietet dafür die thermische Simulation und was sollte man beachten?

Thermische Simulation hat längst Einzug in den Entwicklungsprozess neuer Geräte gefunden. Nicht zuletzt die Möglichkeiten der Material- und Umwelt schonenden Varianten-Erstellung sind Gründe dafür. Auch die visuelle Darstellung und die Möglichkeiten, Daten- und Wissen weiterzugeben, sind gute Argumente dafür, bei jeder Entwicklung die thermische Simulation frühzeitig mit einzubinden, nicht zuletzt, um Folgekosten zu vermeiden.

Doch auch wenn die Simulationsprogramme, wie zum Beispiel 6SigmaET, dem Entwickler schon viele Arbeiten ersparen, so ist noch immer das Wissen über thermische Grundlagen hilfreich, um das gesetzte Ziel mit möglichst wenigen Durchläufen zu erreichen. Dazu gehören Begriffe wie Wärmespreizung, Wärmeleitung und Strahlung. Je besser das Konzept bereits vor der Eingabe der Daten in den Rechner ist, umso schneller wird das gewünschte Simulationsziel erreicht werden.

Wie eine Simulation funktioniert

Im Prinzip nutzt auch der hinterlegte Rechenalgorithmus den ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz), der besagt, dass im stationären Zustand die Energie, die in ein System eingebracht wird, der Energie entspricht, die das System wieder verlässt. Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant.

Simulationsprogramme nutzen zur Berechnung die sogenannte „Finite-Elemente-Methode“, bei der das Modell in kleine Einheiten unterteilt (man spricht von Vernetzung) wird. Pro Element werden die entsprechenden Differentialgleichungen gelöst. Das physikalische Verhalten des Gesamtmodells wird demnach stückweise nachgebildet und am Ende im „stationären Zustand“, also im Zustand des Energiegleichgewichts, hat jedes Element (jede Zelle) seine so errechnete Temperatur erhalten. Die Auswertung erfolgt dann entweder grafisch über farbliche Unterscheidung der Temperaturen oder auch numerisch.

Bei 6SigmaET zum Beispiel können die Wärmewege für jeden Körper einzeln ausgelesen, Sensoren gesetzt und ausgewertet und Temperaturschnitte sowie Oberflächentemperaturen erzeugt werden.

Vorteile der Simulation sind: Es werden in einem Arbeitsgang alle Wärmewege (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung) mit berücksichtigt. Gerade die Wärmestrahlung wird oft unterschätzt. Die Praxis zeigt jedoch, dass dieser Wärmeweg keinesfalls vernachlässigbar ist und daher unbedingt in das Kühlkonzept mit einbezogen werden sollte.

Ebenso bieten sich zahlreiche Auswertemöglichkeiten, wie Temperaturschnitte, um nur ein Beispiel zu nennen, die über Messungen an einem Prototypen nicht realisierbar wären.

Wie Sie eine Platine simulieren

Eine Platine zu simulieren ist auf unterschiedlichste Art und Weise möglich. So kann man auch hier nach wie vor zwischen der Konzeptphase, Entwurfsphase und dem Vorserienmodell unterscheiden. Damals wie heute gilt, dass der Prototyp oder die simulierte Variante nur so gut sein kann, wie die Informationen sind, die man zu deren Erstellung erhält.

Schauen wir uns ein mögliches Szenario aus der Praxis einmal genauer an.

Konzeptphase: Meist liegen zu Beginn der Entwicklung nur sehr begrenzte Informationen über die Platine vor. Oft kennt man nur die ungefähre Verlustleistung, die voraussichtlich entsteht. Weder die Verteilung, noch die genaue Anzahl der Lagen ist zu diesem Zeitpunkt klar.

Um dennoch zu berücksichtigen, dass spätere Kupferschichten entscheidend die Wärmeleitung der Platine beeinflussen, geht man nicht von reinem FR4-Material aus, sondern nutzt eine rechnerische Mischung aus FR4 und Kupfer und erhält einen Mischleitwert. Über die ungefähre Anzahl der Lagen wird ein Kupfer-Gehalt prognostiziert, der dann in den Mischleitwert der Platine eingeht.

Vorteil dieser ersten Abschätzung ist, dass mit wenig Kenntnis über die Platine eine schnelle Aussage getätigt werden kann, die in den weiteren Entwicklungsprozess eingebracht werden kann. In Lagenrichtung, man spricht hier dann von der Wärmespreizung, liefert dies noch gute Ergebnisse. In der Durchgangsrichtung jedoch ergibt dieser Mischleitwert eine wesentlich bessere, also unrealistisch gute, Wärmeleitung als eine Betrachtung über verschiedene Schichten (Kupfer abwechselnd mit FR4).

Das zeigt auch eindeutig die Ausgabe dieser Werte, wenn die gleiche Platine in einem Simulationsprogramm aufgebaut wird (Bild 1). Die Durchgangsrichtung weist hier eine um den Faktor 10 kleinere Wärmeleitfähigkeit auf (Bild 2). Schon dieser einfach zu realisierende Platinenaufbau liefert also in der Simulation wesentlich bessere Ergebnisse als es mit der händischen Mischkalkulation möglich ist.

Eine erste Optimierungsmöglichkeit besteht, wenn man die späteren Hot-Spots kennt und dort mit Bauteilen in Form von Quadern, denen eine Verlustleistung aufgeprägt wird, eine Erwärmung simuliert. Es werden bereits warme und auch kühlere Bereiche auf der Platine erkennbar. Der Fehler zur realen Messung wäre aber dennoch groß, da noch immer mit Mischleitwerten und einer mehr oder minder einheitlichen Platine gerechnet wird.

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