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Elektronikkühlung - Wärmemanagement

Elektronikkühlung - Wärmemanagement

Höhere Packungsdichten durch fortwährende Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen führen dazu, dass die Verlustwärme einer elektrischen Schaltung nicht mehr so gut abgeführt werden kann. Dies führt zu erhöhten Schaltungstemperaturen, die wiederum einen Einfluss auf das elektrische Verhalten der verwendeten Bauteile haben. Wenn sich das Bauteil mit der erhöhten Umgebungstemperatur anders verhält, kann es wiederum zu weiterer lokaler Erwärmung kommen, so dass diese Effekte komplex werden und sich die Temperatur über die Zeit einstellt.

Das Verhalten ist von mehreren Einflüssen wie der Umgebungstemperatur, der Kühlung durch Konvektion oder zusätzlicher Kühlung und der eigenen Wärmeentwicklung der Schaltung im Betrieb abhängig. Wenn eine komplette Simulation der Baugruppe im Betrieb mit allen Einflüssen zu komplex wird, kann die Simulation in Einzelbereiche aufgetweilt werden. FlowCAD bietet hier verschiedene Lösungen für:

  • Erwärmung von Halbleitern im Betrieb
  • Erwärmung der Leiterplatte durch hohe Ströme
  • Kühlungskonzepte von Baugruppen, ggf. mit Gehäuse
PSpice IR-Drop Celsius 2D Celsius 3D Schematic Layout System Prototype Measurement

Simulationen sind zu unterschiedlichen Zeitpunkten im CAD-Flow möglich. Mit einem groben Floorplan kann bereits das Kühlungskonzept mit den Hauptkomponenten aus der Stückliste konzipiert werden. Das Verhalten von einzelnen Bauteilen kann schon auf Basis des Schaltplans betrachtet werden und hilft bei der Dimensionierung der Bauteile. Während der Layoutphase lassen sich Temperaturänderungen auf Grund von Spannungsabfällen (IR-Drop) erkennen und verringern. Mit den Produktionsdaten kann das Kühlungskonzept mit einer 3D CFD-Simulation verifiziert werden.

Jedes Werkzeug ist gut für einen Teilaspekt bei der Suche nach einer Möglichkeit, die Temperatur zu reduzieren. Das richtige Tool, zur richtigen Zeit im Designprozess eingesetzt, bringt frühzeitig die gewünschten Ergebnisse und vermeidet unnötige Iterationen.

Thermische Analyse

Die Wahl des richtigen Werkzeugs
Unterschiedliche Werkzeuge, je nach Aufgabe

Die Wahl des richtigen Tools

Handwerker wählen die entsprechende Säge für ihr Projekt, um das beste Ergebnis zu erhalten. Für unterschiedliche Aufgaben und Materialien wechseln sie das Werkzeug.
Die Ursachen bzw. die Qualität der Kühlung thermischer Probleme auf Leiterplatten ist vielfältig. Zur Lösung gibt es unterschiedliche Herangehensweisen. Die Wahl des richtigen Tools ist von dem Problem abhängig, das es zu lösen gilt. Die Effizienz und Genauigkeit, mit der die Vorgaben erreicht werden, sind ausschlaggebend für die Kriterien bei der Wahl des Lösungswegs und Werkzeugs.

Abstrahlung, Wärmeleitung und Konvektion
Abstrahlung, Wärmeleitung und Konvektion

Abstrahlung, Wärmeleitung und Konvektion

Bei der Wärmeübertragung eines elektrischen Bauteils unterscheidet man drei physikalische Arten, wie die Wärmeenergie übertragen wird: Wärmeleitung ist die Übertragung zwischen festen Materialien, die sich berühren. Also vom Chip über das IC-Package, die Pins / Balls auf die Leiterplatte und über das Glas- / Kupfergemisch über Befestigungen zum Gehäuse. Konvektion ist die Übertragung in flüssigen und gasförmigen Medien wie Luft oder Wasser. Hier sind die Bewegung weg vom heißen Element und Verwirbelungen zu berücksichtigen. Bei der Abstrahlung handelt es sich um elektromagnetische Wärmestrahlung im infraroten Bereich.

MOSFET Schaltverluste
MOSFET Schaltverluste

MOSFET Schaltverluste

MOSFETs sind sehr effizient, wenn sie bei hohem Strom eingeschaltet oder bei hoher Spannung ausgeschaltet sind. Aber in der Übergangsphase beim Ein- oder Ausschalten erwärmt sich ein MOSFET aufgrund der Verluste. Die Schaltfrequenz ist ein wichtiger Faktor, wie heiß die Bauteile werden. Um dieses Verhalten zu beschreiben, bieten die meisten Komponentenhersteller ein PSpice-Simulationsmodell an. Eine PSpice-Simulation zeigt, wie hoch die Sperrschichttemperatur innerhalb des MOSFET in dieser speziellen Schaltung sein wird.

Gehäuseübergangstemperatur
Gehäuseübergangstemperatur

Gehäuseübergangstemperatur

Das Wärmewiderstandsmodell beschreibt die Wärmeübertragung zwischen Teilen des komplexen thermischen Systems. Den Wert für das Modell von der Verbindungsstelle des Chips zur Außenseite des Gehäuses (Tjc) wird im Datenblatt angegeben. Mit diesem Wert kann das thermische Verhalten modelliert werden.

Leiterplatte als Kühlkörper
Leiterplatte als Kühlkörper

Leiterplatte als Kühlkörper

Die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des kontinuierlichen Metallpfads von der Quelle zur Senke auf und in einer Leiterplatte. Kupfer leitet Wärme 1000 mal besser als FR-4. Die Kombination von integrierten Kupferprofilen (Inlay) mit modernen Leiterplattenkonstruktionen wie Mikro- und Thermovias ermöglicht den direkten Kontakt mit einer Lötfläche (Komponenten, Kühlkörper). So wird durch Wärmeleitung (Conduction) die thermische Energie verteilt und von den kritischen Komponenten abgeführt.

Dimensionierung von Kühlkörpern
Dimensionierung von Kühlkörpern

Dimensionierung von Kühlkörpern

Dimensionen Sie einen Kühlkörper für kritische Komponenten in Ihrer Anwendung richtig. Einfache und unkomplizierte Eingaben erleichtern die Durchführung von Simulationen. Importieren Sie einfach ein STEP-Modell des Kühlkörpers, weisen Sie Leistungs- (Wärme-) Quellenwerte und Strömungsbedingungen zu und sehen Sie sich die Ergebnisse an. Analysieren Sie den Luftstrom mit natürlicher Konvektion oder verwenden Sie einen Lüfter, um Kühlkörper in 3D-Ausrichtungen zu kühlen. Bestimmen Sie schnell die beste Kühlmethode für Komponenten der Leistungselektronik.

Elektro-thermische Co-Simulation
Elektro-Thermische Co-Simulation

Elektro-Thermische Co-Simulation

Die elektro-thermische Co-Simulation berücksichtigt neben der Eigenerwärmung auch die thermische Erwärmung. Dies ist der Fall, wenn ein elektronisches Bauteil, d.h. ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) aus Siliziumkarbid (SiC), zum Schalten verwendet wird. Die Strom-Spannungs-Kennlinie zeigt eine Temperaturabhängigkeit des Drain-Stroms und führt zu einer Verlustleistung des MOSFET. Eine elektro-thermische Co-Simulation sagt genaue Temperaturen voraus, wenn die Komponenten verwendet werden, mit minimaler Abweichung zwischen gemessenen und simulierten Ergebnissen.

Elektronikkühlung - Wärmemanagement

Lösungen zur thermischen Simulation

PSpice Smoke Analysis
Auswertung der überlasteten Bauteile

PSpice Smoke Analysis

Die Stressanalyse wird im Englischen scherzhaft Smoke Analysis genannt, da bei zu viel Stress die Bauteile durch thermische Überanspruchung „abrauchen“. Mit dieser Simulation lässt sich das maximale De-Rating von Bauteilen bestimmen und damit eine Aussage über die Bauteilbelastung treffen. Über die Modellparameter kann die Belastung in Prozent angegeben werden. Den Entwickler interessieren Aussagen über die Belastungsarten: thermisch bei maximalem Strom und höchstmöglicher Spannung, Leitung der Junctiontemperatur in °C bzw. die thermischen Übergangswiderstände JC und JA, wie sie in der Schaltung vorkommen.
Mehr zu PSpice

Workflow IR-Drop
Workflow IR-Drop

Workflow IR-Drop

Fließt Strom durch einen Leiter mit einem Ohmschen Widerstand, kommt es zu einem Spannungsabfall. Dieser Effekt wird bei der Leiterplattenanalyse IR-Drop genannt. Bei dieser In-Design-Analyse wird der IR-Drop durch einen Field-Solver berechnet. Die Ergebnisse dieser Analyse, Spannungsabfall, Strom und Stromdichte, können in Tabellen oder als Farbüberlagerungen im Design dargestellt werden. All dies liefert dem PCB Designer wertvolle Informationen zur Verringerung der Stromverluste, zur Vermeidung von Strom-Hotspots bzw. zur Verbesserung des Wirkungsgrads.
Vorteile: Stabile Versorgungsspannung und weniger thermische Probleme. Whitepaper IR-Drop

Celsius Thermal Simulation
Transient elektrisch-thermische Co-Simulation

Celsius Thermische Simulation

Celsius Thermal Solver lässt sich nahtlos in Cadence IC-, Package- und Allegro PCB-Plattformen integrieren. Die schnelle und exakte parallelisierte Simulation ermöglicht neue Einblicke in die Systemanalyse und das Design und befähigt die Designer, thermische Probleme frühzeitig im Designprozess zu erkennen und zu reduzieren. Ingenieure können Cadence Celsius und Sigrity in einer genauen elektrischen und thermischen Co-Simulation (steady-state und transient) auf Systemebene für PCB- und IC-Packaging, basierend auf dem tatsächlichen Stromfluss, kombinieren.
Mehr zu Celsius

Vergleich der Wärmeübertragung

Wärmeleitung Konvektion Abstrahlung
Bedeutung Wärmeleitung findet zwischen festen Objekten mit direktem Kontakt statt Konvektion ist die Wärmeübertragung und Verteilung durch Verwirbelungen in Flüssigkeiten und Gasen Abstrahlung ist die Wärmestrahlung mit einer Wellenlänge im infraroten Bereich
Vorkommen Wärme wird bei direktem Kontakt zwischen zwei festen Objekten geleitet Wärme verteilt sich in Flüssigkeiten und Gasen Wärmestrahlung durch die Luft oder Vakuum
Prinzip in Festkörpern durch molekulare Kollisionen in Flüssigkeiten, Verteilung durch Strömung über Entfernung durch Strahlung
Übertragung der Wärme durch sich berührende Festkörper indirekt über Zwischensumstanz Elektromgnetische Wellen
Geschwindigkeit langsam langsam Schnell
Reflexions- und Brechungsgesetz nein nein ja

Übersetzung thermischer Begriffe

Englisch Deutsch
Junction Sperrschicht
Radiation Abstrahlung
Conduction Wärmeleitung
Convection Konvektion
Heat Sink Kühlkörper

Analogie zum ohmschen Gesetz

Thermische Größen haben Analogien zu denen des elektrischen Widerstandes, die sich auch in ihren Namen zeigen. Es treten Analogien zum elektrischen Strom auf, die die Anwendung des ohmschen Gesetzes und der kirchhoffschen Regeln bei der Wärmeübertragung ermöglichen.

Thermisch Elektronisch
Absoluter Wärmewiderstand Rth Elektrischer Widerstand R
Temperaturdifferenz Δ T Elektrische Spannung U
Wärmestrom Q Elektrischer Strom I
Wärmeleitfähigkeit λ Elektrische Leitfähigkeit σ
Wärmekapazität Cth Elektrische Kapazität C

Wärmeleitfähigkeit

Material Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m*K)]
Gold 314
Silber 429
Kupfer 380-400
Aluminium 200-240
Luft 0.0262
FR4 0.2-0.25
Silizium 148
Bronze 120
Lötzinn 50

Products Matrix (Thermal Features Comparision)

PSpice Designer Sigrity Starter Kit Sigrity Aurora Celsius Power DC Celsius 2.5D Celsius Advanced PTI Celsius CFD Sigrity System PI
PO# PO1520 SIGR001 PA5902 SYS103 SYS125 SYS923 SYS170 SIGR927
Spice Component Derating yes - - - - - - -
IR-Drop - yes yes yes yes yes - yes
E/T Co-Simulation yes - - yes yes yes - -
Static Thermal Analysis yes - - yes yes - - -
Transient Thermal Analysis yes - - - yes yes - -
CFD Analysis Extention - - - - - - yes -
Thermal Model Extraction - - - yes yes yes - -
Layout Import (IPC2581, .brd) - yes yes yes yes yes - yes