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Ansprechpartner

Michaela Brade
brade@aipcalc.de
Tel.: 0371/ 53 47 552
Fax: 0371/ 53 47 554

Temperaturentwicklung auf einer Leiterplatte

Durch den Trend zur Nano- und Mikroskalierung und der damit verbundenen Anordnung von Komponenten auf immer kleinerem Raum wird die Entwicklung und der Einfluss von Temperaturen in der Mikroelektronik zu einem bedeutenderem Faktor. Die Temperaturverteilung nimmt auf verschiedene Fragestellung bei der Konstruktion und bezüglich des Designs Einfluss. So gilt es, die Bauteile so anzuordnen, dass sich Wärme an bestimmten Stellen nicht akkumuliert  bzw. Abwärme gut transportiert werden kann und damit die Funktionalität nicht beeinflusst wird. Folgerichtig ergibt sich dadurch die Fragestellung nach der Dimensionierung und Simulation der Kühlung auf der Leiterplatte.

Aufgabenstellung

In diesem Projekt haben wir die Erwärmung von Bauteilen auf einer Leiterplatte untersucht. Dafür müssen jedoch zunächst die Wärmequellen und die zugehörige Verteilung betrachtet werden, um diese später so anordnen zu können, dass die Wärme optimal transportiert wird.

Lösungsansatz

Für die Analyse dieser Fragestellungen haben wir die Leiterplatte unter verschiedenen Rahmenbedingungen untersucht. Dabei haben wir die Stromquellen sowie die durch den Stromfluss erzeugte Wärme analysiert und ein Wärmeprofil der Bauteile erstellt. Ausgehend von diesem Profil kann eine Vielzahl von Optimierungen vorgenommen werden. 

Ergebnisse

Die Abbildungen 1 & 2  zeigen musterhaft das Temperatur- und Strömungsprofil dreier exothermer Bauelemente unter dem Einfluss einer linaren, turbulenten Luftkühlung. In Abb. 1 ist deutlich zu erkennen, dass die abgegebene Wärmemenge des Bauteils vom Konvektionsstrom komplett absorbiert und abgeführt werden kann. Tendenziell steigt die Umgebungstemperatur mit der Entfernung zur Kühlquelle. Abbildung 2 zeigt das Strömungsprofil, das sich aufgrund des vorhandenen Raumangebots im Kühlsystem ergibt. Zudem sind Verwirbelungen hinter den Komponenten zu erkennen. Diese können bewusst ausgenutzt werden, um bestimmte Bereiche direkt zu kühlen. Für größere Komponenten, die mehr Wärme transportieren, braucht man höhere Luftströme oder eine nahe  Platzierung an der Kühlung, um die produzierten Wärmemengen zu regulieren. Generell sind Halbleiterbauelemente integrierter Schaltkreise wärmeempfindlich. Der  Betriebstemperaturbereich für die kommerzielle Nutzung liegt hier zwischen 0 °C und 70 °C. Passive Bauelemente orientieren sich meist an diesem Bereich. Abgesehen davon gibt es  unter den elektrischen Widerständen Spezialbauelemente, die Temperaturen deutlich oberhalb der 125 °C erreichen können. Unter diesen Gesichtspunkten lassen sich Geometrien für  Schaltkreise konstruieren und optimieren, die sowohl das Arrangement der Bauteile als auch den Kühlfluss optimal nutzen

Vorteile von FEM-Simulation

  • Berechnung und Darstellung von komplexen thermoelektrischen und strömungsmechanischen Synergieeffekten auf der Leiterplatte
  • Architekturoptimierung in Hinblick auf das zulässige Temperaturbudget
  • Steigerung der Zuverlässigkeit von Baugruppen und einzelnen Komponenten

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