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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 3

Praxisbeispiel: Starr-Flex-Leiterplatte

Bei der Darstellung einer dreidimensionalen Simulation eines Leiters auf einer Starr-Flex-Leiterplatte in Einbaulage ist deutlich zu erkennen, dass im flexiblen Teil (Biegung) die Temperatur höher ist (Bild 6). Solche Darstellungen helfen, thermische Effekte in der endgültigen Einbaulage im Vorfeld zu analysieren. Bild 7 zeigt das vollständige Design. Es handelt sich um eine gefaltete Starr-Flex-Leiterplatte in der endgültigen Einbaulage. Die Simulation wurde für die Eigenerwärmung der Leiterbahnen (Joule Heating) und der Bauteile durchgeführt. Dabei wurden alle Elemente berücksichtigt:
Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung
Bauteile, Leiterbahnen und Ströme.
Im Schnitt ist die Erwärmung der Luft sehr gut zu sehen. Es ist auch zu erkennen, dass das IC auf der unteren Ebene sehr viel Wärme entwickelt und die obere Ebene mitheizt.
Zur Vorgehensweise bei der Simulation
Für die Simulation des thermischen Verhaltens einer Leiterplatte oder eines Gerätes empfiehlt sich eine mehrstufige Vorgehensweise in folgender Reihenfolge:

Die bekannten Parameter werden als frei definiertes Modell simuliert,
dessen Ergebnisse dann in die ersten Design-Maßnahmen integriert werden;
anschließend werden erste CAD-Daten importiert und das Modell verfeinert.
Unter Einbeziehung der Ergebnisse und der Bewertung der Simulation wird das Design dann abgeschlossen.
Falls notwendig, kann das Design mit allen CAD-Daten noch einmal simuliert werden.

Durch eine Simulation können durch Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen genauere Werte ermittelt werden. Rahmenbedingungen wie Einbaulage, Umgebungstemperatur, Leiterplattenmaterial und -dicke haben einen entscheidenden Einfluss auf die Temperaturverteilung und können in der Simulation berücksichtigt werden. Eine Überdimensionierung des Designs ist somit vermeidbar.
Mit vergleichenden Simulationen für verschiedene Kühlmaßnahmen lässt sich entscheiden, welche Maßnahme die besten Resultate bringt. Theoretische Ansätze können ohne Materialkosten und umfangreiche Aufbauten analysiert und bewertet werden. Mit der Simulation ist auch eine sichere Ermittlung der Sperrschicht-Temperaturen möglich, die sich mit einer Thermographie nicht ermitteln lässt. Mit den dreidimensionalen Simulationsergebnissen sind zudem Aussagen darüber möglich, welchem Stress das Bauteil ausgesetzt ist. Die Bestimmung der Oberflächentemperatur des Bauteils allein ist hier nicht immer aussagekräftig.
Eine weitere Möglichkeit zur Beurteilung eines Designs bietet die Visualisierung von Luftströmungen. Hier lassen sich unmittelbar Luftwirbel erkennen und schlecht belüftete Bereiche identifizieren. Luftwirbel und Windschatten, verursacht durch hohe Bauteile oder mechanische Elemente, können zu einer schlechten bis nicht vorhandenen Belüftung von Teilbereichen der Schaltung führen. Die Simulation hilft von der ersten Produktidee an bei der Entwicklung und Dimensionierung von thermisch stabilen Produkten.
Schließlich reduziert die Simulation die Anzahl der für eine Produktentwicklung erforderlichen Prototypen. Dadurch werden Zeit und Geld gespart und eine frühere Markteinführung des Produktes ermöglicht. Zwar lassen sich einfache Designs durchaus mit Formeln oder Diagrammen dimensionieren. Sobald es aber etwas komplexer wird oder Kosten durch große Stückzahlen eine erhebliche Rolle spielen, sind Formeln oder Diagramme nicht mehr ausreichend. Die Simulation stellt ein wertvolles Werkzeug dar, mit dem sich detaillierte Analysen zu jedem Zeitpunkt des Design-Prozesses erstellen lassen.