Foliensatz TRM
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01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics 3-Dimensionale StromBelastbarkeits- und Temperaturberechnung bei ANDUS Elektronik Berlin 1.7.2011 ≡ Dr. Johannes Adam ≡ ADAM-Research ≡ Leimen ≡ © Dr. J. Adam 1 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA Profil 1989 1989-1997 Promotion theor. Astrophysik, U Heidelberg Cisi Engineering / CAM GmbH, Darmstadt Berechnungsingenieur Simulation: E-Kühlung (THEBES -> MGC Autoflow), AluGuss, Lichtleiter 1997-2009 Flomerics / Mentor Graphics, Filderstadt 2000- Applikationsingenieur, Engineering Manager FloTHERM, FloPCB, FloEFD , 9 FED, OTTI, Haus d Technik, PCIM, TAE, 9 2009- ADAM Research, Leimen. Existenzgründer TRM: Leiterplatten ALPHA-Numerics GmbH 6Sigma-Software Suite für Geräte- und RZ-Kühlung © Dr. J. Adam 2 1 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss I. Einleitung Was ist Temperatur? • „Satz von der Energieerhaltung“ • Es gibt nur Energieumwandlung • Viele Seile zerren an der Temperatur • Heizung durch Bauteile und Strom • Kühlung = Abfuhr durch die (gesamte) Nachbarschaft an die Luft • Die Temperatur folgt aus dem Energiegleichgewicht und nur indirekt aus der Stromstärke oder der Heizung oder dem CuAnteil oder der Luftmenge. © Dr. J. Adam 3 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Was bestimmt den Kühlanteil des Energiegleichgewichts? • Wärmleitung • FR4, Cu, Stecker, Montage, 9 • Kurze und lange Wege d • Gut und schlecht leitende Materialien λ • große und kleine Flächen A • „Wärmewiderstand“ Rth=d /(λ*A) • Wärmestrahlung • Emissionskoeffizient ε (zwischen 0 und 1) • gute Strahler: lackierte Oberflächen • schlechte Strahler: blanke Metalle • Konvektion • Wärmeübergangszahl α (=Wärmeabgabe pro sec pro cm²) • starke Lüfter • natürliche Konvektion © Dr. J. Adam 4 2 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Was bestimmt den Heizanteil des Energiegleichgewichts? • Bauteile • P (I, f, Rdson(T), Schaltung) • Strom in Leiterbahnen •P=U*I • P = R² * I L • R = ρ (T ) b⋅d • Lange Leiter L • dünne Leiter d • breite Leiter b • Temperatur T, spezif. Elektr. Widerstand ρ © Dr. J. Adam 5 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Man kann kein „richtiges“ Temperaturrisiko abschätzen, ohne die nähere und weitere Umgebung mit zu berücksichtigen. • Was „ohne“ Kenntnis geht, sind worst case (IPC-Charts) und best case – Fälle • „Aber wer will schon das zweitbeste Ergebnis?“ (Olli Kahn) © Dr. J. Adam 7 3 01.07.2011 . ADAM Research 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt • TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss II. Wie kommt man an eine Temperatur ran ? • Messung • immer der ultimative Schritt • Messaufbau kann Betriebssituation stören • Thermoelemente • kein integrales Bild • von Lage der Meßpunkte abhängig • Wärmeabfuhr durch T.E. • IR-Kamera • Man muss hinschauen können und evtl. Hindernisse beseitigen • Schwärzung notwendig • keine direkte T-Messung • Klimaschrank •Turbulentes Strömungsfeld © Dr. J. Adam 8 ( . ADAM Research 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt • TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Empirie • Extrapolation von bekannten Geräten • Nicht-Proportionalität von Leistung und Temperatur • Was bei der vorhergehenden Gerätegeneration machbar war, kann vielleicht nicht auf eine neue Generation übertragen werden • Wärmenetze mit mehr als 3 Knoten • schnell • aber speziell © Dr. J. Adam 9 4 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt • TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Faustformeln • Konvektion allein TPlatte = TUmgebung + Verlustleistung α ⋅ Fläche Natürliche Konvektion plus Strahlung: α ≈ 10 W/m²K erzwungene Konvektion: α ≈ 20 … W/m²K Bei „Fläche“ immer Vorder- und Rückseite ! • α z.B. nach VDI Wärmeatlas • nur für einfacher Geometrie (Platten, Kanäle) Bei natürlicher Konvektion muss man ein ∆q raten und es iterativ verbessern © Dr. J. Adam 10 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Wärmeleitung allein „Wärmewiderstand“ R⊥ := ∑ Ri i Ri = di TQuelle = TSenke + Rgesamt ⋅ P λi ⋅ A Parallelschaltung P TQuelle λi TQuelle TSenke di Isolation Isolation Isolation P i Isolation Hintereinanderschaltung R−1 := ∑ Ri−1 di Isolation • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt • TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss Isolation TQuelle = TSenke + R⊥ ⋅ P TSenke TQuelle = TSenke + R ⋅ P • Es geht auch komplexer, aber dummerweise fliest Wärme nicht in „Drähten“ © Dr. J. Adam 11 5 01.07.2011 . ADAM Research 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt • TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss •Konvektion + Wärmeleitung • Kühlfläche aus dem „Wärmeradius“? rWärmekreis:= λPCB ⋅ DPCB 2 ⋅α 2 A = π ⋅ rWärmekreis P ∆T = 2 α ⋅ πrWärmekreis „???“ • Was ist aber die (lokale) Wärmeleitfähigkeit λ der Leiterplatte unter dem Bauteil ? © Dr. J. Adam 12 ) . ADAM Research 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Die orthotrope Näherung • Durchmischung des Leiterbilds jeder Schicht λi = λFR4 ≅ 0.3 λCu − Lage :≅ p ⋅ λCu • 2 Wärmeleitfähigkeitswerte: „parallel“ und „senkrecht“ λ⊥ = λ⊥ λ| | N D ≈ 0.3 bis 0.5 di ∑λ i =1 i N λ = ∑λ d i i =1 D i ≈ 10...50 W/m ⋅ K •Wie groß ist eigentlich p ? © Dr. J. Adam 13 6 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA T=0 • Kupfer-Füllfaktor p ? L • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss B ∆T = P=1 mW L ⋅P λ ⋅B⋅d λeff = L ⋅P ∆T ⋅ B ⋅ d λeff =4 W/m K = 390 W/mK / 100 geom. Cu-Anteil ist 25% p≈0.25 thermischer Anteil 1% p≈0.01 (Quelle: Adam, Flotherm User Meeting 2001) © Dr. J. Adam 14 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Wärmeleifähigkeit unter dem Bauteil ? • gemessene senkrechte und parallele Wärmeleitfähigkeit λ⊥ λ ( Quelle: Esmailpour, Semitherm 2009) © Dr. J. Adam 15 7 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Abschätzung einer Leiterbahntemperatur • IPC-2221 •2-lagig • Oberseite: d=35 µ Leiter • Unterseite: 35 µ Vollkupfer b ∆T ≈ 1.7 ⋅ mm −1.45 −1 d 2 ⋅ ⋅ I 35µm • Aber zu speziell, bzw. pauschal • Anderer Aufbau, anderes T • Andere Leiterbahnform, anderes T © Dr. J. Adam 16 ) . ADAM Research 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Erweiterung • Multilayer FR4-basiert b ∆T = B LP mm −1.45 −1 d ⋅ I 2 35µm • DCB Keramik-basiert b ∆T = 0.45 mm −1.1 −1 d ⋅ I 2 35 µm © Dr. J. Adam 17 8 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • IPC-2152 (neu) ● IPC-2221 (1956) ∆T=20 K • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • 200 sq-mils: 6.4 A • 400 sq mils: 8.8 A • 700 sq-mils: 11.5 A 8. A 12. A 20 A • ist noch konservativer als 2221 • x-Achsen Problem b 1 .45 ⋅ d 1 ≠ b1 ⋅ d 1 © Dr. J. Adam 18 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss Einige Zitate aus der IPC-2152 sprechen für sich S. 18: „.. Bei einer derart großen Vielfalt von an Leiterplattenkonstruktionen, Materalien 9 Umgebungsbedingungen 9 kann nicht erwartet werden, dass ein einziges Diagramm & die Temperaturerhöhung als Funktion des Stroms & beschreibt“ S. 20:„Für die Leiterplattentemperatur müssen die Verlustleistung der Bauteile, der Leiter, der Steckverbinder 9 berücksichtigt werden 9“ S. 22: „Falls eine Leiterplatte Kupferlagen aufweist, wird die Temperaturerhöhung niedriger ausfallen. Es wird empfohlen, Kupferlagen für Temperaturreserven des Designs zu nutzen und nicht bei der Dimensionierung der Leiter zu berücksichtigen.“ (Oha !) S. 32:„Kupferlagen, die verschiedene Stellen der Leiterplatte mit Spannung versorgen, müssen häufig hohe Ströme tragen. Diese Kupferlagen weisen nicht selten unregelmäßige Formen auf. Die einfachen Diagramme zur Dimensionierung der Leiter sind hier nur begrenzt anwendbar.“ These: Die Frage nach allgemeingültigen Designregeln kann m.E. nicht beantwortet werden © Dr. J. Adam 19 9 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss Also, was braucht der Ingenieur? • Werkzeuge die ihm das Rätseln und Schätzen ersparen • Methode 1: Messung • Input: Musterbau • Output: 2D Oberflächenbilder mit Thermokamera • Verifikation • Methode 2: Simulation • Input: Gesamtüberblick über Stromlauf, Stromstärken, 9 • Output: 3D Annäherung an Strom, Potential, Temperatur, T-Gradient • Vorentwicklung • Starte mit Methode 2 © Dr. J. Adam 20 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss III. Projekt „TRM“ • Umfassende 4D Physik-Simulation der Leiterplatte • Klassische Baugruppenthermik (P von Bauteilen) • Wärmeleitung incl. Leitergeometrien • Schaltungssimulationskopplung via Leistungstabelle • Strom-Spannung auf realen Leitergeometrien • Schaltplankopplung via Pins • Strom-Spannung mit Bauteilen (R(T)) • Berücksichtigung von Besonderheiten • Schnell (ohne Strömungsrechnung) • Hochaufgelöst (100 mu). [bis sehr hoch aufgelöst (10 mu)] • Offen (Tabellen rein und raus, Designtoolunabhängig) • „easy to use“, hochproduktiv, Ohr am User, flexibel, preiswert • Derzeit als Dienstleistungsangebot © Dr. J. Adam 21 10 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Die PCB ist ein 3D-“Knäuel“ • aus Cu, Gewebe, Harz, Luft, Widerständen, etc. • Bei der Simulation orientieren wir uns am Fertigungsprozess Prozessschritt • Belichtung • Ätzen • Stapeln • Verpressen • Bestücken • Bauteile • Steckerpins • Einschalten Simulation Körnung und Stützpunktdaten Wärmeleitfähigeit λi(x,y) jeder Schicht 3D λ(x,y,z) Wärmequellen, Widerstände Stromquellen, -senken →T(x,y,z) Berechnen PBauteile (x,y,z) U(x,y,z),I(x,y,z) -> Pjoule (x,y,z) © Dr. J. Adam 22 ) . ADAM Research 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung Thermal Risk Management in Electronics © Dr. J. Adam 23 11 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Konzept • N+2 Schichten • Schicht #0=Bauteilschicht auf Primärseite • Schicht #1=Lage 1 (oder was anderes) • Schicht #2 = Isolation zw Lage 1 und Lage 2 oder Bohrbild • 9 Schicht #N = Sekundärseite (Lötseite) • Schicht #N+1=Bauteilschicht auf Sekundärseite • feinere Unterteilung in z durch Extraschichten möglich • Schichten können haben • unterschiedliche Materialien • unterschiedliche Dicken • Struktur des Leiterbilds, Löcher • innere Wärmequellen mit λ und ρel © Dr. J. Adam 24 . ADAM Research 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Üblicher Ansatz • Hinweise • TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss Features. Preprocessing. Belichten 80 mm x 40 mm Auflösung 200mu 400 x 200 Stützpunkte © Dr. J. Adam 25 12 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA Features. Preprocessing. Belichten • Üblicher Ansatz • Hinweise • TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss © Dr. J. Adam 26 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss -I +I • Features • Bauteile und andere Einbauten • Allgemein: Quellen und Senken • P oder T • I oder U • nichts = passiver Leiter • SMD Bauteile • Bauteile (z.B. Steckerpins) können die Innenschichten durchstoßen und überschreiben • Inlays, Cu-Schienen, Dickkupfer, IMS, DCB • Vias © Dr. J. Adam 27 13 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Randbedingungen (paarweise) • 2 Ströme (Summe aller Ströme=0) • 1 Spannung (0 V) und 1 Strom • 2 Spannungen αPS(x,y), Tumg.,PS(x,y) I = +2 A 0 1 2 3 U=0 4 5 6 7 8 9 10 αSS(x,y), Tumg.,SS(x,y) U=0V I = -2 A © Dr. J. Adam 28 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Berechnen • Stationär • Schritt 1 • U(x,y,z) • → j(x,y,z) • → qStrom(x,y,z) [Volt] [A/m²] [W/m³] • Schritt 2 • q=qBauteile+qStrom • → T(x,y,z) [W/m³] [°C] © Dr. J. Adam 29 14 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Transient • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Schritt1, stationär • U(x,y,z) • j(x,y,z) • qStrom(x,y,z) •Schritt 2 , transient • q=qBauteile+qStrom • →T(x,y,z,t) [Volt] [A/m²] [W/m³] [°C] Zeit © Dr. J. Adam 30 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Postprocessing • Viewer • Automatischer Report • Automatische Standardbilder © Dr. J. Adam 31 15 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss IV. Beispiel: Baugruppe mit Verlust-Vorgabe • Einfache Stromversorgung • Layout (ODB++) • Stapel aus 7 Schichten 4x je 35 mu Leiterbild 3x je 490 mu FR4 (+Bohrbild) Gesamt 1.6 mm (Quelle: FlowCAD) © Dr. J. Adam 32 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Bestückung (IDF) • SMD • Leistungsdaten • Annahmen und direkter Eingabe • später: Tabelle (Messung oder Schaltungssimulation) (Bild erzeugt mit 6Sigma ET) © Dr. J. Adam 33 16 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • TRM-Ergebnis für freie Konvektion mit Strahlung 11 Wärmequellen S1=L1 S3=L2 Auflösung 0.5 mm S5=L3 S7=L4 © Dr. J. Adam 34 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss V. Stromheizung 1. Einfacher Leiter, DC • IPC-2221 b ∆T ≈ 1.7 ⋅ mm −1.45 −1 d ⋅ ⋅ I 2 35µm • 2-lagig • Oberseite: d=35 µ Leiter, b=20 m • Unterseite: 35 µ Cu-Lage • TRM Simulation 0V 3 20 ∆T ≈ 1.7 ⋅ mm −1.45 30 A −1 35 2 ⋅ ⋅ (30 A) = 20 K 35µm © Dr. J. Adam 35 17 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Kabelende aufgelötet (30 A) © Dr. J. Adam 36 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Kabel in FR4-Bohrung „angedockt“ (30 A) © Dr. J. Adam 37 18 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Üblicher Ansatz • Hinweise • Verbesserung • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss Beispiel 2c. •IPC-Halbkreis und Löcher Cu: Schwarz, FR4: grün, Nichts: rot • 3 Schichten • Oberseite: 35 mu Leiter • Mitte FR4 • Unterseite: 35 mu Cu • 11 A , b=5−1.45mm -> −1 5 ∆T ≈ 1.7 ⋅ mm 35 2 ⋅ ⋅ (11 A) = 20 K 35µm © Dr. J. Adam 38 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss 2. Industrieprojekt Motorsteuerung • 8-Lagen • 4 Netze Stromlaufplan . . . . . . © Dr. J. Adam 39 19 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA Beispiel 3. Testboard, Vergleich mit Messungen • Üblicher Ansatz • Hinweise • Verbesserung • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss © Dr. J. Adam 40 ) . ADAM Research 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss 3. Vergleich mit Messungen Simulation Thermokamera 65 mm Pin 2 Pin 1 in Wärmefalle Bohrloch Tmax=52°C Mit Wärmefalle Tmax= 49 © Dr. J. Adam 44 20 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA 4. Zeitabhängigkeit • konstanter Strom • mit und ohne Wärmefalle • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss Tmax Mit Wärmefalle: Tmax= 49 °C Zeit (s) Ohne Wärmefalle: Tmax= 41 °C © Dr. J. Adam 45 娠в . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Leiterbahnsicherung (Prinzip) • Leiterplatte nach IPC-2221 • Kupfer: λ(T),σ(T) • I-Sprung bei 500 sec von 30 A auf 100 A 30 A ohne Sicherung. Rges=2.5 mΩ 20 ∆T ≈ 1.7 ⋅ mm −1.45 30 A mit 2 mm Sicherung. Rges=3.7 mΩ Sprung auf 100 A −1 35 2 ⋅ ⋅ (30 A) = 20 K 35µm © Dr. J. Adam 46 21 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA 5. Leiter mit Merkmalen • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss I=10 A T • Bohrfeld • Kühlfahne • Verengung U=0 V U P © Dr. J. Adam 47 ꭐσ . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA Beispiel 3b. Rechnung vs. Messung • Üblicher Ansatz • Hinweise • Verbesserung • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss I=24 A U=0 V Rechnung bot Messung Rechnung top © Dr. J. Adam 49 22 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA Beispiel 3b. • Üblicher Ansatz • Hinweise • Verbesserung • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss I=24 A U=0 V Spannung bot Heizung bot © Dr. J. Adam 50 갰ς . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss 6. Stromtragfähigkeit von Vias U=0 V Primärseite -1A Strom PS 1mm Bohrung 20 µ Hülse ∂nU=0 Sekundärseite +1A Boardmittelebene Strom SS © Dr. J. Adam 51 23 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • Simulation: Widerstand von Hülse+2xLeiter = 8 mΩ • Ersetzen der Hülse durch einen massiven Stempel • 7.9 mΩ -> Hülse trägt nichts zum Widerstand bei? IPC 5152: A.3.4 Verbindungslöcher Die Querschnittsfläche eines Verbindungslochs sollte wenigstens die gleiche oder eine größere Querschnittsfläche haben als der angebundene Leiter. Falls die Querschnittsfläche des Verbindungslochs kleiner ist als die des Leiters, können mehrere Verbindungslöcher verwendet werden, um die gleiche Querschnittsf läche zu erreichen. Die Querschnittsfläche kann aus dem Hülsendurchmesser und der Dicke der Metallisierung berechnet werden. Bild A-11 illustriert die Querschnittsfläche eines Verbindungslochs. • Leiterzüge QLeiter=0.6mm*0.035mm=0.021 mm² RLeiter=0.0175 Ωmm²/m*0.005 m/Q=4.xx mΩ 2 Stück * 2=8.xx mΩ QHülse=π/4*(1.0²-(1.0-2*0.020)²) mm²=0.06 mm² > QLeiter, verletzt also nicht die Empfehlung © Dr. J. Adam 52 갰ς . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Leiterzug2 • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss QLeiter=0.6mm*0.105mm=0.063 mm² ≈ QHülse RLeiter=0.0175 Ωmm²/m*0.005 m/QLeiter=1.xx mΩ *2=2 mΩ • Neue Simulation: Rgesamt=3 mΩ Davon 2 x 1 mΩ von Leitern 1 mΩ von Hülse • •Was lernen wir? • Strom nimmt im Hülsenmantel den kurzen, schrägen Weg • RHülse ≈ 0.0175 Ωmm²/m * 0.0016 m/(.5*QHülse) ≈1 mΩ © Dr. J. Adam 53 24 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss 7. Hochstrom-Zufuhr über „Stiftgitter“ • 2-seitige LP • 2 x105 mu vs. 2x70 mu U=0 V ∂U=0 L1 I2 L3 • 25x pins vs. 4 Eckpins 250 A 0V © Dr. J. Adam 55 갰ς . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • 105 mu L1 I2 L3 U=0 V L1 I2 ∂U=0 L3 © Dr. J. Adam 56 25 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss •105 mu L1 I2 L3 U=0 V ∂U=0 •70 mu L1 I2 L3 © Dr. J. Adam 57 ˠЭ . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss • 25 pins U=0 V ∂U=0 •4 pins © Dr. J. Adam 58 26 01.07.2011 . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss V. Bemerkungen Aufpassen beim Vergleich Simulation mit der Messung !! • Kabel können Wärme abziehen und zuführen • je nach Querschnittsverhältnissen • je nach Länge • Thermographie und Thermoelemente sind auch nicht besser als 1-2 Grad genau • und man braucht eine gewisse Erfahrung © Dr. J. Adam 65 ) . 3-Dimensionale Temperatur- und Strombelastbarkeitsberechnung ADAM Research Thermal Risk Management in Electronics AGENDA • Vorwort • Üblicher Ansatz • Hinweise • Projekt TRM • Strom und Heizung • Ausblick • Schluss Zusammenfassung. Was können Sie mit so einer Simulation anfangen? • Technologieuntersuchungen • Standard, Dickkupfer, Eisberg, Stromschienen, Drahtschreibung • Freie Substratwahl • Standard FR4, Hoch-λ, Keramik, IMS • Sensitivitätsstudien • Toleranzen der Board-, Umgebungs- und Layoutparameter • Optimierungsversuche ohne Musterbau • Layoutvergleiche, Kostenreduzierung • Grenzen weiter weg stecken • Wettbewerbsvorteile © Dr. J. Adam 68 27
