Thermische Analyse von Leiterplatten: ein vollständiger Leitfaden

Die thermische Analyse von Leiterplatten zielt darauf ab, vorherzusagen, wann und wo sich eine Leiterplatte während des Betriebs erwärmen wird und wie heiß die Leiterplatte sein wird. Die physikalischen Eigenschaften Ihres PCB-Substrats und der Kupferleiter sind dabei die Hauptfaktoren, die bestimmen, wie sich eine Leiterplatte während des Betriebs erwärmt. Die thermische Analyse trägt dazu bei, die Zuverlässigkeit auf Komponenten- und Leiterplattenebene zu gewährleisten und kann viele Designentscheidungen beeinflussen.

Erfahren Sie in diesem Leitfaden, wie Sie eine thermische Analyse von Leiterplatten durchführen und Ihre nächste Leiterplatte von Vorhinein auf Zuverlässigkeit konzipieren können.

Designentscheidungen, die die Ausbreitung von Wärme auf der Leiterplatte beeinflussen

Die Materialien Ihrer Leiterplatte und Komponenten bestimmen, wie sich die Wärme während des Betriebs auf der Leiterplatte ausbreitet. Leider fungieren PCB-Substratmaterialien als Isolatoren, die verhindern, dass die Wärme von heißen Komponenten abgeleitet wird. Kupferleiter und Kupferlagen können hilfreich sein, es gibt jedoch ein paar einfache Designentscheidungen, die die Gleichgewichtstemperatur Ihrer Leiterplatte im Betrieb beeinflussen.

Diese Designentscheidungen konzentrieren sich auf drei Bereiche:

• PCB-Stackup-Design
• Auswahl des Substratmaterials
• Komponentenauswahl und -layout

Neben Dingen wie elektrischen Lüftern und Kühlkörpern können ein paar einfache Designentscheidungen dazu beitragen, dass Ihre Leiterplatte bei niedrigen Temperaturen gut läuft und nicht vorzeitig ausfällt. Mit den richtigen Designtools ist es einfach, Best Practices für das Wärmemanagement zu implementieren.

Thermische Analyse: Einige grundlegende Aspekte

Das Ziel der thermischen Analyse für das Leiterplattendesign besteht darin, festzustellen, wann Kühlmaßnahmen (wie Lüfter, Kühlkörper, zusätzliches Kupfer oder thermische Durchkontaktierungen) erforderlich sind, um die Temperatur innerhalb der Grenzen zu halten.

Die Analyse erfolgt in folgenden Schritten:

1. Zunächst legen Sie die maximal zulässige Temperatur für die Komponenten auf der Leiterplatte fest.
2. Dann müssen Sie untersuchen, wie sich die Temperatur der Komponenten in Abhängigkeit von der Verlustleistung verändert.
3. Wenn die Temperatur der Komponenten die zulässige Temperaturgrenze überschreitet, sind möglicherweise zusätzliche Kühlmaßnahmen wie Kühlkörper oder Lüfter erforderlich.

Schauen Sie sich zunächst die thermische Impedanz einer Komponente an; diese ist normalerweise im Komponentendatenblatt für integrierte Schaltkreise zu finden. Dieser Wert kann nur ~20 °C/W betragen, beispielsweise für Verstärker oder ICs mit geringer Leistung. Bei leistungsstarken Mikroprozessoren kann er wiederum bis zu ~200 °C/W sein. Um die Betriebstemperatur zu bestimmen, multiplizieren Sie einfach den Stromverbrauch der Komponente mit ihrer thermischen Impedanz.

Dies ist unten für einen Beispiel-MOSFET in einem SOT-Gehäuse definiert.

Die Temperatur einer Komponente, die in Bezug auf ihre thermische Impedanz definiert ist:

Für den Fall, dass die Temperatur der Komponente zu hoch ist, kann ein Designer einige Schritte unternehmen, um die Wärme von der Komponente abzuleiten und so die thermische Impedanz der Komponente im PCB-Layout zu verringern:

• Thermische Vias mit geerdeten Polygonflächen unter der Komponente hinzufügen.
• Ein PCB-Substratmaterial mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwenden.
• Der Komponente einen Kühlkörper hinzufügen.
• Mehr Kupfer unter der Komponente hinzufügen, z. B. eine Kupferlage.
• Einen Ventilator verwenden, um sicherzustellen, dass kühle Luft über das Gehäuse der Komponente strömt.
• Die Leiterplatte mit einem thermischen Schnittstellenmaterial direkt an einem Metallgehäuse befestigen.

Unabhängig davon, welchen Weg Sie wählen, beginnt die thermische Zuverlässigkeit mit dem Entwurf des richtigen PCB-Stackups.

Mit dem PCB-Stackup-Design beginnen

Bevor Sie weitere Kühlmaßnahmen in Ihr PCB-Layout einbauen, sollten Sie passende PCB-Design-Tools verwenden, um den richtigen Lagenaufbau zu erstellen. Mit dem Lagenaufbau-Manager von Altium Designer können Sie die richtige Anordnung von Kupferlagen und Lagendicken erstellen, um zu gewährleisten, dass das PCB-Substrat eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Vias/Durchkontaktierungen können im Lagenaufbau-Manager so definiert werden, dass sie sich auf der Rückseite der Leiterplatte unter heißen Komponenten erstrecken. Diese grundlegenden Aspekte des PCB-Designs tragen wesentlich dazu bei, die Wärme von heißen Komponenten abzuleiten.

Altium Designer ermöglicht Benutzern außerdem den Zugriff auf eine PCB-Stackup-Materialbibliothek mit bekannten dielektrischen Eigenschaften für gängige Stackup-Materialien. Dies gibt Designern die volle Kontrolle über ihr Stackup-Design innerhalb ihrer PCB-Designsoftware. Es unterstützt dabei auch Anwendungen wie Hochgeschwindigkeitsleiterplatten und Hochstromleiterplatten für Stromversorgungssysteme. Entwerfen Sie in Altium Designer beliebige Lagenaufbauten und wählen Sie beliebige Materialien für Ihre Leiterplatte aus.

• Ihr Substratmaterial wird ein wesentlicher Faktor für die Zuverlässigkeit sein. Das richtige Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann dazu beitragen, Wärme von Hochleistungskomponenten abzuleiten und den Betrieb Ihrer Komponenten bei niedrigen Temperaturen zu gewährleisten.

  Erfahren Sie mehr über die Auswahl des richtigen Substratmaterials.

• Keramische Materialien haben eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als etwa Standard-FR4-Substrate. Sie sind daher ideal für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen.

  Erfahren Sie mehr über das Entwerfen von Leiterplatten mit Keramiksubstraten.

• Unabhängig davon, welche Materialien Sie für Ihr Leiterplattensubstrat verwenden möchten, benötigen Sie den besten PCB-Lagenaufbau-Manager, um Ihren Lagenaufbau zu erstellen.

  Erfahren Sie mehr über die Gestaltung Ihres Lagenaufbaus in Altium Designer.

Lagenaufbau-Design in Altium Designer

Standard-Wärmemanagementtechniken für PCBs

Das Definieren eines Lagenaufbaus ist nur ein wichtiger Aspekt beim Design Ihrer Leiterplatte. Sobald der Lagenaufbau in Ihrer PCB-Designsoftware definiert ist, können Sie mit Ihren PCB-Layout-Tools Dinge wie Masseflächen, Kupferflächen, Kühlkörper, Lüfter und thermische Vias platzieren. CAD-Werkzeuge in Ihrer PCB-Layout-Software werden verwendet, um diese Funktionen in Ihrer Leiterplatte zu definieren. Ihre PCB-Bibliotheken sollten auch an die Elektronik-Lieferkette angeschlossen sein, um Ihnen Zugriff auf CAD-Modelle für Lüfter und Kühlkörper zu ermöglichen. Dies erleichtert das Auffinden, Herunterladen und Platzieren der Komponenten, die Sie für das Wärmemanagement in Ihrem PCB-Layout benötigen.

Zusätzlich zur Platzierung von thermischen Vias, Lüftern und Kühlkörpern leitet die Anordnung der Flächen und Leiterbahnen auf jeder einzelnen Lage Ihrer Leiterplatte aufgrund des inhärenten Gleichstromwiderstands von Kupferleitern in Ihrer Leiterplatte Wärme ab. Bei der Festlegung wie Kupfer im PCB-Stackup verwendet werden soll, werden Gleichstromsimulationen wichtig. Sie werden gebraucht, um zu untersuchen, ob an bestimmten Positionen in Ihrem PDN/Leiterplatte Hotspots entstehen können.

Verwendung von DC-Power-Integritätssimulationen, um Hotspots zu identifizieren

Ein Gleichspannungsintegritätssimulator kann nützlich sein, um Bereiche in Ihrem PDN mit hoher Stromdichte zu erkennen, die zu höheren Temperaturen führen können. Wenn sich diese heißen Bereiche in der Leiterplatte in der Nähe einer heißen Komponente befinden, kann ein zusätzlicher Kupfer- oder Kühlkörper erforderlich sein, um die Temperatur niedrig zu halten. Außerdem muss das Kupfer im identifizierten Bereich des PDN möglicherweise neu gestaltet werden, um den Gleichstromwiderstand in diesem Bereich zu verringern.

• Im Rahmen einer passiven Kühlstrategie für aktive Komponenten sollte ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste verwendet werden, um einen Kühlkörper mit heißen Komponenten zu verbinden; dies trägt dazu bei, die Wärme effizient von der Komponente abzuleiten.

  Erfahren Sie mehr über Wärmeleitpads und Wärmeleitpaste.

• Jede aktive Komponente in Ihrer Leiterplatte fungiert als Wärmequelle, indem sie einen Teil der Wärme in das Gehäuse und ins nahe gelegene Kupfer im PDN ableitet. Wenn Sie eine große Anzahl von aktiven Komponenten haben, müssen Sie möglicherweise Lüfter verwenden, um Ihre Komponenten zu kühlen.

  Erfahren Sie mehr über das Arbeiten mit aktiven Kühlkomponenten in Ihrem PCB-Layout.

• Die PDN-Analyzer-Erweiterung in Altium Designer ist einfach zugänglich und benutzerfreundlich. Diese Erweiterung übernimmt Ihre PCB-Layoutdaten und erstellt hochwertige Simulationen für die Gleichstrom-Power-Integrität.

  Erfahren Sie mehr über die PDN Analyzer-Erweiterung von Altium Designer für Gleichstrom-Simulationen.

Simulationen der Gleichstrom-Power-Integrität können Ihnen dabei helfen, Hot Spots in einem PDN auf einer einzelnen oder mehreren Lagen gleichzeitig zu identifizieren.

Die passende Software für die thermische Analyse der Leiterplatte und das PCB-Layout

Ein gutes Wärmemanagement in Ihrem Leiterplattenlayout kann ohne die richtigen PCB-Layout-Tools schnell zu einer schwierigen Aufgabe werde. Die besten PCB-Designanwendungen umfassen dabei mehr als nur eine Reihe von CAD-Werkzeugen für PCB-Layout-Aufgaben. Sie benötigen das beste Dienstprogramm für den Lagenaufbau, einen umfassenden Schaltplan-Editor, Mixed-Signal-Simulationsfunktionen und vieles mehr.

Sobald Sie bereit sind, Ihre Leiterplatte zur Fertigung zu schicken, müssen Sie die Dokumentation für Ihr Design in Standarddateiformaten erstellen. Ihre PCB-Designsoftware sollte all diese Funktionen in einer einzigen Anwendung bereitstellen und nicht etwa alles auf verschiedene Programme aufteilen.

Altium Designer ist das einzige umfassende PCB-Designprogramm für jede Anwendung: von Hochleistungs-Gleichspannungs-Leiterplatten über Hochgeschwindigkeits-Digitalprodukte bis hin zu Hochfrequenz-HF-Systemen. Altium Designer enthält einen erstklassigen Lagenaufbau-Manager, mit dem Sie Standardmaterialien importieren, jede erdenkliche Lagenanordnung definieren und einzigartige Materialien inkludieren können. Sie haben außerdem Zugriff auf einen vollständigen Satz an Routing- und Layoutfunktionen, einschließlich Via- und Polygon-Designtools. Alles, was Sie benötigen, um zuverlässige Leiterplatten zu entwerfen, ist in Altium Designer schon enthalten.

Entwerfen Sie die zuverlässigsten Leiterplatten in Altium Designer

Die Stärke von Altium Designer liegt in seiner regelgesteuerten Designumgebung. Andere Designplattformen teilen wichtige Designwerkzeuge auf verschiedene Programme auf, aber mit Altium Designer bleiben Sie mit nur einer einzigen Anwendung produktiv. Die PCB-Design-Funktionen in Altium Designer sind so konzipiert, dass sie in einem einzigen Paket zusammenarbeiten und Ihnen helfen, Fehler bei der Erstellung Ihres Designs frühzeitig zu erkennen. Keine andere PCB-Designanwendung bietet Ihnen dabei so viele Funktionen für die thermische Analyse, das Layout und die Fertigung von Leiterplatten.

• Altium Designer ist das ideale Paket für professionelle PCB-Designteams, die ein komplettes Set von Designtools in einer einzigen Anwendung benötigen.

  Erfahren Sie mehr über die einheitliche Designumgebung von Altium Designer.

• Die PDNA-Erweiterung für Altium Designer ist innerhalb unseres PCB-Layouts zugänglich. Sie kann Ihnen dabei helfen Bereiche in Ihrem Layout zu identifizieren, die während des Betriebs zu heiß werden.

  Erfahren Sie mehr über die PDNA-Erweiterung für Altium Designer.

• Sie möchten Ihre Leiterplattendesigns mit anderen PCB-Designern oder Ihrem Hersteller teilen? Kein Problem. Über die Altium 365-Plattform können Sie Ihre Design- und Produktionsdaten sofort freigeben.

  Erfahren Sie mehr über die Freigabe Ihrer PCB-Projektdaten mit Hilfe von Altium 365.

Wenn Sie eine gute PCB-Designsoftware verwenden, wird es Ihnen leicht fallen, eine Leiterplatte mit hoher Zuverlässigkeit und niedriger Betriebstemperatur zu entwerfen. Altium Designer verfügt über erstklassige Werkzeuge für das Leiterplattendesign mitsamt einer Materialbibliothek, um die Zuverlässigkeit der Leiterplatte sicherzustellen. So haben Sie alles, was Sie benötigen, um Best Practices für das Wärmemanagement in Ihrem PCB-Layout und Ihrem Lagenaufbau zu implementieren.

Sobald Sie die thermische Analyse Ihrer Leiterplatte durchgeführt und potenzielle Probleme in Ihrem PCB-Layout identifiziert haben, können Sie mit Altium Designer optimale Vorgehensweisen implementieren, um die Temperatur Ihrer Leiterplatte in den entsprechenden Grenzen zu halten. Keine andere Designanwendung bietet Ihnen solch ein komplettes Set an Design-, Sharing- und Verifizierungsfunktionen innerhalb einer einzigen Anwendung.

Altium Designer ist ein einheitliches PCB-Designpaket, das fortschrittliche Layoutfunktionen mit einer umfassenden Substratmaterialbibliothek und Produktionsplanungsfunktionen integriert.

Altium Designer auf Altium 365 bietet eine beispiellose Integration für die Elektronikindustrie, die bisher der Welt der Softwareentwicklung vorbehalten war. Designer können jetzt von zu Hause aus arbeiten und ein noch nie dagewesenes Maß an Effizienz erreichen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Besuchen Sie die Produktseite für eine detaillierte Beschreibung der Funktionen oder nehmen Sie an einem unserer On-Demand-Webinare teil.