Leistungshalbleiter auf miniaturisierten Leiterplatten

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FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH

Projektbegleitende thermische Analyse für Hochstrom-Boards

Wenn auf einer Leiterplatte mehrere Verbraucher mit hohen Leistungen gibt, ist nehmen dem kontrollierten maximalen Spannungsabfall eine thermische Kontrolle erforderlich. Die meisten Entwickler wollen eine thermische Simulation beginnen, wenn ihnen der Prototyp im Labor den „Hitze-Tod“ gestorben ist und sie nach den Ursachen für die Überhitzung suchen. Das ist zwar möglich, jedoch ist das kein gutes CAD-Flow. Besser ist es, ganz zu Anfang des Designs mit der projektbegleitenden thermischen Simulation zu beginnen.

Bereits wenn die groben Abmessungen, der Lagenaufbau und die wesentlichen Komponenten festgelegt worden sind, sollte eine erste thermische Konzeptanalyse erstellt werden. Die bekannten Schlüsselparameter werden in wenigen Minuten erfasst und können mit 6SigmaET unkompliziert zu einer ersten Thermo-Simulation verwendet werden.

Das alles kann die thermische Simulation mit 6SigmaET

Computational Fluid Dynamics (CFD) ist eine etablierte Methode der Strömungsmechanik, die für die thermische Simulation eingesetzt werden kann. Dabei können folgende Effekte berücksichtigt werden: Die Bewegung von Umgebungsluft durch freie oder erzwungene Konvektion, die Berechnung der Wärmeübergänge an Luft-Fest-Flächen, die Berechnung der Wärmeleitung in Körpern und an den Kontaktflächen sowie die Berechnung der Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme durch infrarote Strahlung.

Neben dem eingeschwungenem Zustand benötigt man auch Möglichkeiten, um das Aufwärm- und Abkühlverhalten einer Schaltung zu betrachten, da sich über mehrere Aufwärmzyklen bei nicht vollständiger Abkühlung die absolute Temperatur über den Maximalwert hinaus erhöhen kann. Hier bietet 6SigmaET die Möglichkeit die Verlustleistungsabgabe der Bauteile über die Zeitprofile zu takten. Lüfter sind über virtuelle Sensoren temperaturabhängig steuerbar und werden somit in transienten Berechnungen sehr realistisch abgebildet.

Unterschiedliche Situationen einfach durchspielen

Mit Vereinfachungen wie beispielsweise 30% Kupfer auf einer Lage kann das Wärmeverhalten einer Leiterplatte ausreichend genau beschrieben werden und es lassen sich Problemstellen identifizieren.

Kennt man bereits zu Projektbeginn die thermischen Probleme, lassen sich Kühlungskonzepte durchspielen und eine günstige Lösung finden. Da bei vielen elektrischen Schaltungen aktive Kühlungen nicht eingesetzt werden dürfen, bleibt eine Wärmeabgabe an die Umgebung.

Um die Wärme abzutransportieren können benachbarte Kupferflächen oder breite Leiterbahnen die Wärme aufnehmen und das Kupfer kann mit seiner guten Wärmeleitfähigkeit die Energie weiterleiten. Eine gleichmäßige Verteilung löst zumindest schon einmal das Problem der lokalen Hotspots. Wenn die Wärmeenergie für die Schaltung an sich zu groß ist, müssen Kühlkörper eingesetzt werden.

Kühlkörper geben die Energie über eine große Oberfläche an die Umgebung ab. Die Dimensionierung der Kühlkörper kann durch das Probieren mit den in der Bibliothek bereitgestellten Kühlkörpern effektiv umgesetzt werden.

Die meisten Leiterplatten werden später in Gehäusen verbaut. Zur Kühlung kommen immer mehr mechanische Gehäuse zum Einsatz. So lassen sich einfache Gehäusemodelle schnell manuell aufbauen oder bereits existierende mCAD-Daten (STL) von Gehäusen einlesen. Durch Zuordnung der Materialien und deren Wärmeleitfähigkeit können nun Simulationen des gesamten Systems erfolgen und über Wärme-Verteilungsstrukturen auf der Leiterplatte die Energie vom Hotspot an das Gehäuse übergeben werden. Da eine solche Simulation zu Projektbeginn erfolgt, sind im Problemfall genauere Simulationen mit exakten Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten durchführbar.Die erste Abschätzung ist schnell gemacht und nur bei möglichen Problemen beginnt das Detaillieren der Thermo-Modelle und das Einbeziehen der Mechanik in das Kühlkonzept.

* * Dirk Müller ... ist Geschäftsführer der FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH, Feldkirchen bei München.

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