Thermodesign von Baugruppen Wie warm werden meine Bauteile?

Autor / Redakteur: Johannes Adam* / Kristin Rinortner

Waren früher beim thermischen Design Faustformeln und experimentelle „Heizwiederstände und Schuhkartons“ noch ausreichend, um die Temperatur in einem elektronischen System vorherzusagen, genügen sie den modernen Erfordernissen längst nicht mehr. Heute sind numerische Simulationsverfahren unverzichtbar. Sie können bereits in einer frühen Phase des Designs eingesetzt werden. Welche Möglichkeiten es derzeit gibt, lesen Sie in diesem Beitrag.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Antwort auf die Frage „Wie warm werden meine Bauteile?“ nimmt in Hinsicht auf die Betriebsfähigkeit und Zuverlässigkeit des zu entwickelnden elektronischen Geräts eine Schlüsselstellung ein. Leiterplatten, Bauelemente und deren Bestandteile weisen eine maximale Betriebstemperatur auf, die je nach Komponente zwischen 80 und 120°C liegt. Man sollte jedoch nicht zu knapp unter dem jeweiligen Limit bleiben, da die Erfahrung zeigt, dass die Lebensdauer abnimmt – und somit das Ausfallrisiko zunimmt –, je näher man der Grenztemperatur kommt.

Man sollte die Antwort auf die Temperaturfrage auch möglichst früh kennen, um eventuelle Gegenmaßnahmen rechtzeitig und kostengünstig einleiten zu können. Nachbessern ist immer die teuerste Lösung. Darüber hinaus sollte man die Temperatur einigermaßen genau kennen.

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Es zeigt sich immer wieder, dass Faustformeln nur für bestimmte geometrische Anordnungen und physikalische Annahmen gültig sind, dass Erfahrungswerte von gestern nicht auf heute extrapoliert werden können und dass experimentelle Mock-ups („Heizwiderstände und Schuhkartons“) zu ungenau sind.

Die numerische Simulation

Die genaueste und früheste Methode um die Temperatur vorherzusagen (ohne Hilfe von Prototypen) ist die numerische Simulation. Sie ist flexibel, ermöglicht Einblicke in die Wege des Wärmeflusses und sie kann schon in einer sehr frühen Konzeptphase der Produktentwicklung eingesetzt werden. Je weiter die Entwicklung dann fortschreitet, desto mehr können Schätzungen für Modellparameter und -geometrie durch gesicherte Werte ersetzt werden.

Berechnungs- und Modellierungsmethoden zur Temperaturvorhersage in verschiedenen Elektronikgeräten wie Flotherm 6.1 sind einfach: der Benutzer setzt aus einem Satz von Bauteiltypen (Gehäuse, Leiterplatte, Lochblech, Lüfter u.v.m.) grafisch ein geometrisches Modell seines Gerätes zusammen, weist die physikalischen Parameter (Verlustleistung, Werkstoff etc.) zu und berechnet das gekoppelte Problem aus Luftströmung, Strahlung und Wärmeleitung auf einem 3D-Gitternetz.

Letzteres geschieht mit ähnlichen Gleichungen wie bei der Wettervorhersage, ist aber durch eingebaute Automatismen viel einfacher. Zum Beispiel muss sich der Benutzer nicht um die Wärmekopplung von der Bauteiloberfläche zur Luft kümmern. Gleichzeitig ist die Vernetzungsmethode ist sehr schnell und intuitiv. Der Projektstatus und der Ingenieur steuern den Detaillierungsgrad der Modellabbildung.

Vom Testmodell zum eigentlichen Applikationsmodell

Licht emittierende Dioden (LEDs) haben zur Zeit einen boomenden Anwendungsbereich, der von der einfachen Gartenleuchte bis zu Großbildschirmen reicht. Sie sind klein, robust und wartungsarm. Aber sie sind temperaturempfindlicher als Glühlampen, denn die Chiptemperatur muss kleiner als 120 °C sein. Vom inneren Aufbau her gesehen ist die LED noch eines der einfachen Bauelemente, und trotzdem wird und kann man nicht alle Details in ein Modell einbauen. Da hilft ein gutes Datenblatt mit sauber definierten Bedingungen für den Wärmewiderstand zwischen Chip und Leiterplatte weiter.

Der Innenaufbau wird damit sozusagen in den Wärmewiderstand zwischen Chip und Heat Spreader transformiert. In diesem Beispiel besteht die Anordnung aus einer LED (Heat Spreader, Chip und Mold) und FR4-Substrat, das auf eine Aluminiumträgerplatte aufgeklebt ist. Zuerst wird man versuchen, die Bedingungen des Datenblatts (Leiterplatte, Lötpad, Aufstellungsbedingung und Umgebung) in einem Testmodell nachzuempfinden und die Ergebnisse des Datenblatts zu reproduzieren. Mit dem nun abgesicherten LED-Modell geht man in das eigentliche Applikationsmodell.

In Tabelle 1 sind Temperaturen einiger Variationen zusammengefasst. Während eine 1-W-LED auf der gewählten 100 mm × 50 mm großen Platte noch eine zulässige Temperatur hat, ist es für ein Array von 2 × 6 Leuchtdioden schon zu warm. Mit einem Kühlkörperprofil (nicht optimiert) kann die Temperatur wieder gesenkt werden.

Bild 1 zeigt die berechneten Oberflächentemperaturen für eine Umgebungstemperatur von 35 °C in freier Konvektion („ruhende Luft“). Die Software bietet standardmäßig Optimierungsmöglichkeiten für beliebig viele Variablen, hier z.B. Dicke der Trägerplatte und Kühlkörperdimension und Zielfunktionen.

Beispiel Leistungselektronik

Das zweite Beispiel soll eine Anwendung aus der Leistungselektronik sein, wo hohe Wärmelasten aus einem kleinen Volumen abgeführt werden müssen. Von den beiden Möglichkeiten – Luftkühlung und Wasserkühlung – wählen wir einen Wassermäander in einer Kühlplatte.

Auf der Deckelplatte des Wasserkühlers ist ein Modell eines IGBT-Moduls montiert, bestehend aus Substrat, Lot, Wärmeleitpaste, IGBT- und Diodenhalbleiter und Vergussmasse. Ingesamt fällt eine Verlustleistung von 1,85 kW an, die vom Wasser mit Eintrittstemperatur von 20°C abgeführt werden sollen (die umgebende Luftströmung wird automatisch mitgerechnet, aber spielt ebenso wie die Wärmstrahlung eine untergeordnete Rolle für den Wärmetransport). Mit einem Volumenstrom von 2 l/min ergibt sich eine zufriedenstellende Maximaltemperatur von 120°C. In Bild 2 sind Oberflächentemperaturen und Wasserströmung in Pfeildarstellung überlagert dargestellt.

Hohe Stromstärken, kleine Leiterplattenquerschnitte

In den bisherigen Beispielen wurde den heizenden Bauteilen die Wärmelast über eine Leistungsangabe (in Watt) zugeordnet. Bei entsprechend hohen Stromstärken und kleinen Leiterquerschnitten heizen sich auch Leiterbahnen erheblich auf und es stellt sich die Frage, welche maximale Stromstärke unter den herrschenden wärmeabführenden Bedingungen noch zu einer Temperatur unterhalb des Glaspunkts des Leiterplattenmaterials führt. Dazu ist in Bild 3 als Beispiel eine 4-lagige Testleiterplatte (Lagendicke 2 × 105 µm und 2 × 400 µm) dargestellt, in der vier Leiterstreifen mit 100 A je Kabel belastet werden.

Der Kontakt erfolgt über einem Steckverbinder von Phoenix Contact. Die Geometrie wird aus einem CAD-Modell erzeugt, die Umgebung ist Laborbedingung mit freier Konvektion und Strahlung. Der Auswertung der Simulationsergebnisse im Vergleich mit der Labormessung ergibt, dass es notwendig ist, die Anschlusskabel als Kühlpfade (!) mit zu berücksichtigen.

Das Berechnungsergebnis ohne Kabel ergibt unrealistische 106°C. Mit Berücksichtigung der Kabel, obwohl durch sie jeweils auch 100 A fließen, ergeben sich ca. 65°C auf der Leiterplatte, in sehr guter Übereinstimmung mit der Thermographie. Nach entsprechender analytischer Berechnung der Wärmeverluste eines stromdurchflossenen Kabels konnte sogar ein (geometrisch kurzes) thermisches Ersatzmodell für die langen Kabel gefunden werden, das mit weniger Gitterknoten zum gleichen Ergebnis kommt.

Steuergerät aus der Kfz-Elektronik

Als letztes Beispiel zeigen wir die Analyse eines Steuergeräts aus der Kfz-Elektronik, in der die Leiterplatte für die Wärmeabfuhr an die Montageplatte optimiert wurde. Die 2-lagige Leiterplatte wird mit einer Metallträgerplatte verbunden, die wiederum auf einen Halter geschraubt wird. Die Füße des Halters haben über den Kontakt mit der Karosserie (als Wärmesenke) eine Temperatur von 85 °C.

Die beiden Leistungsendstufen sind über ein Feld von Durchkontaktierungen mit der Trägerplatte thermisch gekoppelt. Bohrdurchmesser, -abstand und Kupferdicke bestimmen die effektive Wärmeleitfähigkeit des Viafelds durch die Leiterplatte. Dadurch wird in diesem Fall unter den Transistoren die Wärmeleitfähigkeit des FR4 von 0,5 W/(m*K) auf ca. 3 W/(m*K) erhöht. Das genügt, um den Wärmeabfluss in den Halter wesentlich zu verbessern.

Flomerics , Tel. +49(0)711 7791522

*Dr. Johannes Adam ist als Engineering Manager bei Flomerics in Filderstadt tätig

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