Wie Sie Hot Spots auf der Leiterplatte schneller identifizieren

| Autor / Redakteur: Marcus Dettmer * / Kristin Rinortner

Entwurfsphase: Die nächste Entwicklungsstufe ist dann das Einbringen tatsächlicher Lagen. Moderne Simulationsprogramme bieten zahlreiche Möglichkeiten, die Lagen zu modellieren. Die einfachste Variante ist das Einbringen diskreter Kupferflächen in das FR4-Material. Vorteile zu vorher: Der Wärmedurchgang durch die Platine ist realistischer und Bereiche ohne Kupfer (zum Beispiel Randzonen oder Trennungen) werden auch in Lagenrichtung realistischer berechnet.

Durch den Aufbau mit unterschiedlichen Materialien (Cu, FR4) in Durchgangsrichtung sind jetzt die Wärmeleitfähigkeiten durch die Platine realistischer. Ebenso gibt es nun Bereiche, in denen nur FR4 vorhanden ist und Trennungen werden auch im thermischen Abbild der Platine sichtbar.

Prototypphase: Liegt dem Entwickler dann bereits ein konkreter Lagenaufbau in Form von PDF-Dateien, also Bildern, oder sogar bereits als Gerber-Daten vor und die Platzierung der Verlustleistungsträger ist nun bekannt, kann auch die Simulation wieder detaillierter gestaltet werden.

Lagenbilder können vom Programm in Kupferanteile umgewandelt werden, so dass schon mit dem Bild die komplette Lagengeometrie erkennbar wird. Meist hat man auch die Feinheit der Vernetzung = Qualität der Umwandlung innerhalb der Simulation in der Hand, so dass hier gezielt die Feinheit bestimmt werden kann (Bild 3).

Die komplexeste Stufe der Simulation ist, wenn die Daten der Platine aus der CAD-Abteilung bereits als ODB++ oder IDX + Gerber – Daten vorliegen. Selbst dies ist dann in die Simulation einbringbar. Quasi per Knopfdruck werden alle relevanten Platinendaten in das Simulationstool importiert (Bild 4). Vorteil ist, dass dann simulativ alle Möglichkeiten ausgeschöpft werden können, wie die Erwärmungsberechnung über die Bestromung einzelner Leiterbahnen. Hierbei wird der Stromfluss durch die Platine thermisch abgebildet und es ist lediglich nötig, einen Ein- und Ausgang zu bestimmen, sowie den jeweiligen Strom einzugeben.

Nachvollziehbar ist aber auch, dass viele Details bedeuten, dass die Komplexität des Gitters (der Vernetzung) zunimmt. Dort kommt dann wieder der Ingenieursverstand zum Einsatz, um die heutigen Möglichkeiten, also die Platine in allen Details simulieren zu können, wieder auf die wesentlichen Bereiche der Leiterkarte zu beschränken.

Es gilt daher, vor allem, eine Simulation möglichst schlank und effektiv zu gestalten. Simulationstools bieten dies auf einfachste Art und Weise, indem die komplexen Lagen-Dateien mit einem Mausklick in ein Bild umgewandelt werden können. Hier hat man dann die Vernetzung wieder selbst in der Hand und kann die Feinheit nach logischen Gesichtspunkten bestimmen, auch partiell.

Das bedeutet, Signallagen dadurch quasi aktiv zu vernachlässigen, wenn dies gewünscht ist, wenn sich keinerlei Verlustleistungsträger an diesen Stellen befinden, oder dort keine nutzbare Entwärmung über Wärmespreizung zu erwarten ist.

Fazit: Simulation ist heute unabdingbar

Immer kürzere Produktlebenszyklen erfordern auch schnellere Entwicklungszyklen. Um dennoch eine akzeptable Produktlebenszeit zu gewährleisten, ist auch die Betrachtung der Wärmeentwicklung im Betrieb nötig. Die thermische Elektroniksimulation bietet die entsprechenden Möglichkeiten von der Konzeptphase bis hin zum fertigen Produkt die Erwärmung der einzelnen Bauteile schnell und präzise vorherzusagen. Für Platinen wurde dies im vorliegenden Artikel beispielhaft dargestellt.

Das Einlesen komplexer Lagengeometrien über Gerber-Files oder der direkte Weg, die komplette, bestückte Platine inklusive Lagen als ODB++-Datei zu importieren ist eine bequeme und schnelle Möglichkeit. Der Königsweg ist dann die anschließende Umwandlung der Lagen in ein Bild, da der gewünschte Detailgrad über die Feinheit der Vernetzung selbst festgelegt werden kann und die Berechnungszeit weiter reduziert wird.

Die thermische Simulation liefert viel schnellere und dennoch präzise Angaben, was mit einer händischen Berechnung nicht möglich und mit der Fertigung von Prototypen sehr kostspielig wäre.

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* Dipl.-Ing. Marcus Dettmer arbeitet als Applikationsingenieur bei ALPHA-Numerics in Nastätten.

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