Elektronik-Design Simulation gezielt im PCB-Entwurfsprozess einsetzen

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

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Strom- und Leistungsaufnahme werden zu kritischen Engpässen bei der Elektronikentwicklung, insbesondere bei modernen industriellen Anwendungen. Hochstrom- und Hochleistungsdesigns sind anfällig für Temperaturspitzen, die zu erheblichen Problemen führen können, wenn sie nicht frühzeitig in der Designphase berücksichtigt werden. Diese Probleme werden noch dadurch verschärft, dass immer mehr Anwendungen auf Batteriebetrieb umgestellt werden, was einen effizienten Stromverbrauch zu einem weiteren kritischen Designfaktor macht.

Allem voran steht das Ziel, so früh wie möglich und während der unterschiedlichen Entwicklungsphasen die Optimierung des Endprodukts stets vor Augen zu haben sowie Designfehler zu erkennen und zu beheben.

Erwärmung der Leiterplatte durch Strom

Auf Basis des ohmschen Gesetzes 𝑈𝑈 = 𝑅𝑅 ∙ 𝐼𝐼 erzeugt ein Strom durch einen Widerstand einen Spannungsabfall. Ein hoher Spannungsabfall kann dabei zur Erwärmung der Leiterplatte beitragen. Dieser Effekt wird auch Joulesche Erwärmung genannt, auch bekannt als Ohmsche Erwärmung.

Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter mit Widerstand (z. B. einen Draht) fließt, stoßen die Elektronen im Leiter mit Atomen und anderen Elektronen zusammen und geben dabei Energie in Form von Wärme ab. Dabei ändert sich kontinuierlich der temperaturabhängige ohmsche Widerstand des Kupfers, und damit wird wiederum die Stromdichte so lange beeinflusst, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Dies gilt nicht nur für Gleichstrom, sondern auch für sich ändernde Stromdichten, wie sie heute auf Leiterplatten vorkommen.

Durch die stetige Absenkung der Versorgungsspannungen der Halbleiterbauteile, beispielsweise um höhere Übertragungsraten zu ermöglichen, steigen die Ströme im Stromversorgungssystem der elektrischen Schaltungen. Diese höheren Ströme innerhalb der Leiterplatte führen zu deren Eigenerwärmung – ein zunehmend störender Effekt, der zu lokalen Überlastungen an den sprichwörtlichen Hotspots führen kann und damit die Zuverlässigkeit und Funktion der Schaltung beeinflusst.

Dabei treten in elektronischen Baugruppen verschiedene Arten von Wärmeübertragungsmechanismen auf. Diese sind von entscheidender Bedeutung, um die ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten und eine Überhitzung der Komponenten zu verhindern. Die wichtigsten Methoden der Wärmeübertragung in elektronischen Baugruppen sind:

Wärmeleitung
Englisch: Conduction; Beispiel: Herdplatte

Konvektion
Englisch: Convection;
Beispiel: Fön

Abstrahlung
Englisch: Radiation; Beispiel: Sonneneinstrahlung

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Wissen um die Produktion von Leiterplatten und Baugruppen ist unverzichtbar für die Konstruktion eines CAD-Layouts. Dabei gewinnt das Testen in der Produktion immer mehr an Bedeutung, was eine transparente und logistische Kooperation zwischen Kunde und Dienstleiter unabdingbar macht. CAD, Leiterplatte und Baugruppe rücken also immer enger zusammen. Zudem hat 3D-gedruckte Elektronik in den vergangenen Jahren viele Fortschritte gemacht und das Potenzial, die Herstellung von Elektronik grundlegend zu verändern. Sie gewährt eine bisher ungekannte Flexibilität im Design, eine um ein Vielfaches geringere Materialverschwendung und eine Beschleunigung der Produktentwicklungszeiten.

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Thermische Auslegung von elektronischen Baugruppen

Für den Entwurf elektronischer Schaltungen greifen Entwickler zunächst gerne auf Referenzdesigns zurück. Aber was sollte man ändern, um die Ausgangsbasis an die eigenen Randbedingungen anzupassen? Welche Designoptimierungen müssen durchgeführt werden, um es in ein Endprodukt zu implementieren? In sehr vielen Fällen müssen diese Herstellerinformationen von den eher idealen Randbedingungen an die speziellen Produkteigenschaften angepasst werden. Hierzu eignen sich unterschiedliche Simulationstools, mit denen dann die vorhandenen Regelsätze angepasst bzw. erweitert werden können.

Natürlich hat auch die Bauteilauswahl einen entscheidenden Einfluss auf das Design. Hierbei gilt es zu berücksichtigen, dass die ausgewählten Komponenten das geforderte Leistungsziel unter allen Umgebungsbedingungen jederzeit erfüllen. Dabei muss der Kostenaspekt ebenfalls einbezogen werden. Nicht immer ist das günstigste Bauteil tatsächlich auf Systemebene betrachtet die beste Wahl. Es kann ja durchaus sein, dass für ein günstiges Bauteil zusätzliche Kühlkonzepte, wie z.B. Kühlkörper oder zusätzliche aktive Kühlung, erforderlich werden.

𝛴𝛴 Günstiges Bauteil € + Kühlkörper €€ = €€€ > Teureres Bauteil = €€

Es muss also frühzeitig ein sinnvoller Kompromiss zwischen Kosten und Nutzen gefunden werden.

Während der Schaltplanentwicklung können Spice-Simulationen helfen, die Temperaturen in den Chips der Leistungselektronik zu berechnen, indem gezielte thermische Stresstests durchgeführt werden. Ziel ist dabei die richtige Auswahl der elektronischen Komponenten unter Berücksichtigung der Erwärmung und der zu erwartenden Umgebungstemperaturen, damit diese sicher arbeiten können.

Mit der sog. PSpice Smoke Analyse können so Bauteile identifiziert werden, die ggfs. außerhalb der Spezifikation betrieben werden müssten oder sogar zerstört werden könnten. Damit lassen sich sehr früh Bauteile erkennen, die nicht unbedingt für die Applikation geeignet sind.

Während des Layoutprozesses unterstützt die Sigrity Aurora In-Design-Software den PCBDesigner beim Auffinden kritischer Stellen auf der Leiterplatte. Dabei kann der PCB-Designer mit der DC IR-Drop-Analyse in seinem PCB Editor diese Hotspots durch farbliche Overlays schnell erkennen und, ohne das Tool zu wechseln, auch direkt korrigieren.

Durch die Reduzierung der Spannungsabfälle wird die Verlustleistung der Baugruppe reduziert, bei gleichzeitiger Erhöhung der Energieeffizienz.

Wie bereits erwähnt, führen die hohen Stromdichten aber auch gleichzeitig zu einer Erwärmung der Leiterplatte in den dargestellten Bereichen. Diese thermischen Effekte auf der Leiterplatte als auch das thermische Verhalten von Bauteilen lassen sich dann sehr genau mit der elektrothermischen (E/T) Co-Simulation analysieren.

Fortgeschrittene Analysen auf Systemebene ermöglichen es den Entwicklern, die thermischen Effekte von komplexen 3D-Strukturen unter Berücksichtigung aktiver Kühlungskonzepte und unterschiedlicher Gehäuseformen und Materialien zu untersuchen und zu bewerten. Diese Methoden werden in dem vorliegenden Artikel nicht weiter erläutert.

Ermittlung thermisch geeigneter Bauteile mit Smoke Analyse

Die ausgewählten Bauteile dürfen nicht am Rande ihrer Belastungsgrenze betrieben werden oder vielleicht auch sogar aufgrund von thermischer Überlastung zerstört werden.

Das Verhalten der Bauteile bei tatsächlicher Belastung der Baugruppe lässt sich vielfach schwer oder gar nicht aus den Datenblattangaben ableiten. Durch die Extraktion von Teilschaltungen können an diesen gezielt thermische Stresstests durchgeführt werden.

Mit der PSpice Smoke Analyse erhält der Anwender eine Indikation, ob ein Bauteil im Laufe der Zeit durch den Alterungsprozess bzw. durch thermischen Stress ausfallen kann. In einer Tabelle zeigt die Smoke Analyse, ob die Bauteile außerhalb der zulässigen Betriebsbedingungen betrieben werden. Anhand der dann besonders kritischen Parameter können Korrekturmaßnahmen abgeleitet werden.

Elektro-thermische Co-Simulation des Versorgungssystems

Die E/T Co-Simulation dient als Brückentechnologie zwischen Elektroingenieueren und Experten auf dem Gebiet der Thermoanalyse. Eine gezielte Zusammenarbeit der unterschiedlichen Disziplinen, so früh wie möglich im Designprozess, ermöglicht so das Vermeiden von Fehlern. Für die E/T-Co-Simulationen beispielsweise sind keine Simulationsmodelle erforderlich, und das Simulationssetup ist leicht zu erstellen.

Ziel dieser Analysen ist es, bereits während des Layouts elektrisch und thermisch kritische Stellen ausfindig zu machen und zu beheben. Die nachfolgend dargestellten Simulationsergebnisse wurden alle mit dem Softwarepaket Celcius Thermal Solver berechnet und erstellt.

In Bild 5 ist die schmale Verbindung entlang des Versorgungspfads recht gut zu erkennen. Durch die hinzugefügten Vias wird dieser Kanal jedoch zusätzlich noch eingeschnürt. Dadurch entsteht an dieser Engstelle ein hoher Stromfluss und ein entsprechend hoher Spannungsabfall. Sowohl der Spannungsabfall als auch die Stromdichte sind in Bild 5 dargestellt. Der Spannungsabfall konnte durch eine einfache Verbreiterung dieser Engstelle um rund 30 Prozent und die Stromdichte sogar um mehr als 50 Prozent verringert werden.

Wie schon erwähnt entsteht die ohmschen Verluste ein Spannungsabfall und gleichzeitig wird durch den Strom bzw. durch die Stromdichte eine Wärme in der Leiterplatte erzeugt, die zu einer Veränderung der temperaturabhängigen Leiterplattenparameter führt.

Das Ergebnis der Stromdichte wird nun bei der E/T Co-Simulation als Eingangsparameter der thermischen Analyse verwendet. Das Ergebnis der thermischen Analyse wird wiederum als Eingangsparameter für die nächste IR-Drop Analyse eingesetzt. So entsteht ein dynamischer, iterativer Prozess, bis ein eingeschwungener Zustand erreicht wird. Der zeitliche Unterschied zwischen der IR-Drop Analyse und der E/T Co-Simulation beträgt nur wenige Sekunden und ist für den Anwender gar nicht sichtbar.

Wie zu erwarten, führt die Engstelle zu einer Erhöhung der Temperatur, die durch die entsprechende Verbreiterung ebenfalls reduziert werden konnte. Auf diese Art und Weise besteht die Möglichkeit, das Design Schritt für Schritt zu verbessern. Zudem können zusätzliche Kosten und aufwändige Layout-Reviews sowie Prototypen zu einem späteren Zeitpunkt eingespart werden.

What-if Analysen

Effekte von generisch erzeugten Kühlkörpern können abschließend noch mit in die Simulation eingebracht werden. So kann das Verhalten der Schaltung beispielsweise bei verschiedenen Kühlkörpergeometrien betrachtet werden, um Erkenntnisse über die reale Notwendigkeit zu erhalten. Auch die Variation der Kupferdicke oder das Umplatzieren thermischer Komponenten kann so einen großen Beitrag zu hilfreichen Entscheidungen im Designprozess liefern.

Zusammenfassung und wichtige Erkenntnisse

Mit einem recht überschaubaren Aufwand ist es mit der E/T Co-Simulation möglich, sehr exakte Simulationsergebnisse unter Berücksichtigung der elektrischen und thermischen Effekte zu berechnen. Designoptimierungen lassen sich aus diesen Erkenntnissen ableiten, wodurch sowohl eine höhere Effizienz erzielt als auch die Lebensdauer des Produkts erhöht wird.

Bild 8 visualisiert die vorgestellten Analysemethoden zu ihren unterschiedlichen Zeitpunkten im CAD Flow. Alle vorgestellten Methoden tragen zu einer Zeitersparnis durch frühzeitige Identifizierung potenzieller Probleme bei. Simulationen helfen bei der Sicherstellung spezifischer Anforderungen. Entwicklungskosten werden reduziert, die ansonsten durch Nacharbeiten, ReDesigns bzw. zusätzliche Prototypen erhöht werden. Vielfach wurde der Nachweis durch Beispiele aus der Industrie erbracht, dass die Simulationsergebnisse sehr gut mit Messwerten korrelieren. Auf ein Beispiel sei hier hingewiesen, dessen detaillierte Betrachtung den Rahmen des Artikels allerdings weit übersteigen würde [1]. (mbf)

Literaturhinweis

[1] Thermally Optimizing a High-Power PCB: Whitepaper: Cadence, STMicroelectronics, 2022

* Dirk Linnenbrügger ist Applikationsingenieur bei FlowCAD in Feldkirchen.

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