Neuer Service: Wärmeexpertise von GED

Zu praktisch jeder Elektronikentwicklung gehört ein adäquates Wärmemanagement. Wird dieser Punkt unterschätzt oder zu spät erkannt, drohen aufwändiges Nacharbeiten, Verzögerungen und zusätzliche Kosten. GED hat daher einen umfassenden und effizienten Service rund um die Berechnung und Simulation der Wärmeentwicklung elektronischer Schaltungen aufgebaut.

Für jede elektrische Baugruppe und jedes elektrische Betriebsmittel gibt es einen bestimmten Temperaturbereich, in dem ihre Funktionalität gewährleistet ist. Der untere Grenzwert kann immer – eine ausreichende Energieversorgung vorausgesetzt – durch Heizung einfach garantiert werden. Alternativ lässt er sich mit einer ausreichenden Isolation gegenüber einer kalten Umgebung durch die eigene Verlustwärme der Baugruppe bzw. des Betriebsmittels einhalten. Eben diese Verlustwärme bereitet jedoch Probleme, sollte der obere Grenzwert erreicht werden. Gegenüber einer Heizung, die verschiedene Energieformen in die Energieform Wärme wandelt, existiert kein Effekt, der Wärme in eine andere Energieform umwandeln und somit unschädlich machen könnte. Lediglich der eigenständige Wärmetransport von warm nach kalt sowie der Wärmetransport von kalt nach warm unter Zuhilfenahme von zusätzlicher Energie sind möglich. Letztere Lösung wird aber nur selten in der Elektronikkühlung eingesetzt. Es wird also in fast allen Fällen der Analyse von Elektronikkühlung der Wärmetransport von warm nach kalt betrachtet. Dieser besteht aus einer Wärmequelle, einem Wärmepfad und einer Wärmesenke, bestehend aus einer fixen Umgebungstemperatur.

Daher ist zunächst von großer Bedeutung, wie stark die Wärmequelle in der zu untersuchenden Baugruppe überhaupt ist. Da zumeist elektrische Verlusteffekte auftreten, kann eine Netzwerkanalyse mit Berechnung der Verlustleistungen diesen Wert bzw. diese Werte liefern.

Lineare Netzwerke lassen sich meist mit überschaubarem Aufwand analytisch hinsichtlich ihrer Verlustleistung bestimmen. Nichtlineare – zu denen fast alle modernen leistungselektronischen Schaltungen zählen – bedürfen einer Simulation in einem numerischen Softwaretool bzw. einer Simulationssoftware. Am Markt erhältlich und bei GED eingesetzt sind grafische SPICE-Simulatoren, die die gängigsten Bauteilmodelle beinhalten bzw. in die sich Modelle spezifischer Bauteile meist problemlos einpflegen lassen.

Da elektrische Bauteile meist stark temperaturabhängige Eigenschaften besitzen, die wiederum ihre Verlustleistung und letztlich auch ihre Erwärmung beeinflussen, ist es möglich und notwendig das Temperaturverhalten der Bauteile in der numerischen Simulation zu berücksichtigen. Jedes Bauteilmodell besitzt gekoppelte elektrische und thermische Eigenschaften sowie Anschlüsse für das elektrische Netzwerk wie ein thermisches Entwärmungsnetzwerk. Dies ist ein grober Ansatz, da das Entwärmungsnetzwerk nur eindimensional gestaltet werden kann; es ist aber ein gutes Instrument, um die Stabilität einer Schaltung zu untersuchen. Beispielsweise ist der RdsOn eines MOSFETs stark temperaturabhängig; in einem stromgetriebenen Regime kann dies fatal sein; ein mit der Temperatur steigender RdsOn hat eine höhere Verlustleistung zur Folge, damit eine steigende Temperatur und einen wiederum höheren RdsOn.

Berechnung und Simulation eindimensionaler Wärmepfade

Wärmetransport und elektrischer Strom weisen viele Analogien auf; mit Ausnahme der Induktivität existiert für jedes Grundbauelement der Elektrotechnik ein thermisches Pendant: Die Stromquelle wird zur Wärmequelle, die Spannungsquelle zur fixen Umgebungstemperatur bzw. Wärmesenke, der Widerstand zum Wärmewiderstand und die Kapazität zur Wärmekapazität.

Mit diesen Grundbauelementen lassen sich einfache Wärmepfade – zum Beispiel die Anordnung Bauteilgehäuse-Kühlkörper-Umgebung analysieren. Bei Verwendung eines numerischen Simulations-programms können auch komplexe Lastverläufe betrachtet werden.

Der Effekt der Wärmestrahlung ist nichtlinear; dieser lässt sich letztlich nur mit numerisch arbeitenden Softwaretools als nichtlinearer Wärmewiderstand berechnen.

Simulation von Wärmepfaden auf Baugruppenebene

Für die bisher genannten Berechnungsverfahren ist eine mitunter komplexe Modellbildung Voraussetzung. GED verfügt jedoch über ein Softwaretool, das aus Fertigungsdaten selbsttätig ein Wärmemodell einer Baugruppe generiert. Gegenüber aufwändigen 3D-Strömungssimulationstools wird die Berechnung der physikalischen Effekte einfach und effizient modelliert. Es handelt sich um ein konservatives Berechnungsverfahren; berechnete Temperaturerhöhungen fallen in der Simulation größer aus als in der Realität. Dies bedeutet eine Berechnung auf der sicheren Seite. Diese ist für eine erste Einschätzung der Erwärmung einer Baugruppe im Betrieb ausreichend.

Die Software betrachtet die Erwärmung der Leiterplatte durch die Leitungsverluste im Kupfer sowie den Wärmeeintrag durch Bauteile. Lastverläufe können allerdings nicht simuliert werden; die Ströme werden als Gleichströme betrachtet. Für eine Berechnung müssen daher die Effektivwerte der Ströme bekannt sein. Da das Programm in jedem bestromten Netz eine Stromsumme 0 verlangt, ist abzuwägen, welche Ströme in der Simulation eingestellt werden, da Effektivwerte von Wechselströmen in einem Netz zumeist nicht die Summe 0 besitzen.

Grundlage für die thermische Simulation bildet eine Stromdichtesimulation im Leitungskupfer. Diese allein bietet schon Hinweise darauf, wie das Design angepasst werden kann, um Flächen und Leiterbahnen optimal auszulegen. Die einfache Datenübernahme aus allen gängigen Layoutprogrammen bietet hier die Möglichkeit, Optimierungsschleifen schnell zu durchlaufen.

Berechnet wird der stationäre thermische Zustand der Baugruppe, also nach Abklingen aller Ausgleichsvorgänge. Hier wird die Wärmeleistung je Flächenelement auf der Baugruppe gegen eine Wärmeabfuhrkonstante mit der Dimension W/m²K gerechnet. Ein Berechnungstool in der Software ermöglicht eine Bestimmung dieses Wertes für die gängigsten Einbausituationen von Baugruppen.

Wenn auch absolute Temperaturen nicht berechnet werden können, ist es möglich, Hotspots auf der Baugruppe auszumachen und so das Design entsprechend anzupassen – sei es durch die Veränderung des Leiterbildes, des Lagenaufbaus oder der Bauteilanordnung.

In Abbildung 2 ist in Punkt 1 eine Engstelle in der Stromdichteverteilung erkennbar, die aber wie in Abbildung 3 erkennbar nicht zu einer starken Temperaturerhöhung führt. In Abbildung 3 an Punkt 2 ist eine starke Temperaturerhöhung zu beobachten. Sie ist hauptsächlich der vergleichsweise schlechten thermischen Anbindung des Leistungstransistors an dieser Stelle geschuldet. Niedrigere Spitzentemperaturen und eine bessere Wärmespreizung ist an Punkt 3 in Abbildung 3 zu sehen; hier ist der Leistungstransistor vollflächig angebunden und in den Innenlagen viel Kupfer vorhanden.

Dies sind einfache Beispiele an einem speziell erstellten Testlayout, in dem Effekte durch das Design provoziert werden. Aber auch für die meisten anderen Layouts verfügt GED über moderne, ausgefeilte Tools, um Engstellen und Hotspots auszumachen und um Möglichkeiten zur Abhilfe aufzuzeigen. Damit kann GED seine Kunden auch in Sachen Wärmemanagement bereits während der Entwicklung frühzeitig und umfassend unterstützen. Möglichen Fehler, die sich später nur aufwändig beheben lassen, werden vom Start weg vermieden – schnell und ohne großen Aufwand.

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