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Thermische Simulation

Eigenerwärmung der Leiterplatte

6. Mai 2014, 15:10 Uhr | Beate Wilke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Überdimensionierung und anschließender Test

Um auf der sicheren Seite zu sein, dimensioniert der Hardware-Entwickler oder Board-Designer häufig etwas großzügiger. Erst die Messung am Prototyp gibt Gewissheit über das thermische Verhalten. Ist das thermische Verhalten sehr gut, wird meist nicht über eine Überdimensionierung nachgedacht. Ist das thermische Verhalten schlecht, ist ein Re-Design erforderlich und ein weiterer Prototyp für die Messungen muss gebaut werden. Es entstehen vermeidbare Kosten:
zusätzliche Prototypen – Material und Zeit, Personal
zusätzliche Serienkosten durch Überdimensionierung
Bei einer gut durchgeführten Systembetrachtung sind diese Kosten vermeidbar. Eine Hilfe bieten hier moderne Simulations-Tools. Bei den Tools wird unterschieden zwischen solchen, die sich auf die Berechnung der Eigenerwärmung der Leiterplatte konzentrieren, und Simulator-Tools mit „CFD Solver“ (Computational Fluid Dynamics), die komplexe Gerätemodelle unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen simulieren.
Verschiedene Kupferdicken
An einem einfachen Beispiel wurde das Verhalten von drei Leitern mit unterschiedlichen Kupferdicken, aber gleichem Querschnitt analysiert. Dabei wurde ein Strom von 20 A über drei Leiter mit unterschiedlicher Dicke, aber gleichem Querschnitt geführt (10 mm × 35 μm; 5 mm × 70 μm und 3,33 mm × 105 μm). Da das IPC-221-Diagramm (Bild 1) den Leiterquerschnitt als Parameter zugrunde legt, wird hier für alle Leiter die gleiche Erwärmung von ΔT = 28 K abgelesen. In der Simulation werden dagegen unterschiedliche Erwärmungen berechnet. Simuliert wurde unter der Annahme freier Konvektion ohne Strahlung. Das ΔT der drei Leiterbahnen variiert hier zwischen 24,3 K und 37,9 K (Tabelle).
Woher kommt dieser Unterschied? Die Verlustleistung ist bei jedem Leiter gleich, der breite Leiter hat aber eine wesentlich bessere Kopplung zur Leiterplatte und damit eine bessere Wärmespreizung. Eine eventuell erhöhte Strahlung des breiten Leiters ist hier noch nicht berücksichtigt.
Im Querschnitt ist die sehr unterschiedliche Wärmespreizung zu sehen (Bild 1). Bei der 10 mm breiten Leiterbahn ist der Übergang Leiter zu Leiterplatte großflächiger und damit besser. Die Temperaturen der Leiterplatten sind gleich. Die Simulation zeigt, dass die Erwärmung des einzelnen Leiters sehr wohl abhängig von der Breite und damit von der Kopplung Leiter – Leiterplatte abhängig ist. Die Unterschiede können unter Einbeziehung von weiteren Umgebungseinflüssen noch erheblicher sein. Dies sind zum Beispiel über dem Leiter bestückte Bauteile (darauf folgt eine höhere Temperatur wegen der geringeren Konvektion und Strahlung) oder niedrigere Temperaturen bei erzwungener Konvektion durch Lüfter. Bei erzwungener Konvektion ist wiederum zu beachten, dass nicht alle Teile eines Gerätes gleich belüftet und somit gekühlt werden.

Leiterbahndicke	Leiterbahnbreite	Delta T
35 µm	10 mm	24,3 K
70 µm	5 mm	31,5 K
105 µm	3,33 mm	37,9 K

Mit dem Simulationsprogramm berechnete Erwärmung für drei Leiterbahnen, die bei gleichem Querschnitt mit unterschiedlicher Dicke und Breite ausgeführt wurden.