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Thermische Simulation

Manufacturing-Execution-SystemeDie selbstregelnde Fabrik

Mobile MES-Anwendungen mit Hydra von MPDV

Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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Thermische SimulationKeiner mag es heiß

Hotspots in elektronischen Baugruppen sind gefürchtet. Damit ein problematisches Temperaturverhalten nicht erst am Wärmebild des Prototypen entdeckt wird, wird thermisches Verhalten mathematisch simuliert. Was bisher ein eigener, aufwändiger Arbeitsschritt war, soll in der Simulation mit PCBi-Physics zur schnellen Abfrage zwischendurch werden. So können Fehler schon in frühen Entwicklungsphasen eliminiert werden.

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Thermische Simulation

Klassische Experten-Tools zur Computational Fluid Dynamics Simulation leiden darunter, dass für die Simulation aufwändige Berechnungen am 3D-Modell erforderlich sind. „Einen völlig anderen Ansatz verfolgt die Software PCBi-Physics“, erklärt Günther Schindler, Geschäftsführer bei Schindler & Schill in Regensburg. Bei dem Plug-in für das Visualisierungs- und Simulations-Tool PCB-Investigator ist nicht erst das 3D-Modell der gesamten Baugruppe Ausgangspunkt der Simulation, sondern bereits das 2D-Leiterplattenlayout. „Mit PCB-I Physics ist ab sofort jeder ein Simulationsexperte für Leiterplatten-Thermik“, verspricht Schindler. Mit Daten wie ODB++ oder IPC2581 werden alle relevanten Daten für den Leiterplatten aufbau direkt aus dem Layout Tool übernommen. Um eine Analyse aufzusetzen, werden lediglich die Verlustleistungen der Bauteile und die Stromwerte zwischen den Verbindungen eingegeben. Dies ist meist ein Zeitaufwand unter fünf Minuten. „Hat man erst einmal einen Ablaufprozess definiert, bei dem diese Daten schon im Layout-Tool hinterlegt sind, kann eine Analyse mit nur einem Knopfdruck, oder per Skript automatisiert, durchgeführt werden“, weiß der Geschäftsführer und führt fort: „Mit der Skript-Engine ist es auch eine Leichtigkeit, eine Testreihe durchzuführen.“ Der Vorteil: Thermische Simulation ist so kein eigener Arbeitsschritt mehr, sondern eher eine Abfrage auf Basis der jeweils aktuellen Leiterplatteninformationen.

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Bereichs- und systemübergreifende Datenbasis

Thermische Simulation

PCBi-Physics ist eine Erweiterung der CAD/CAM-Software EasyLogix PCB-Investigator. Ziel von PCB-Investigator ist es, durch umfassende Visualisierungsfunktionen effiziente papierlose Review-Prozesse in der Entwicklung von elektronischen Baugruppen zu ermöglichen. Die leicht bedienbare Software liest Layoutdaten in verschiedensten Formaten (DXF, GenCad 1.4, Gerber 274x etc.) und speichert sie unabhängig von den sonst verwendeten Systemen im Format ODB++. Dadurch wird eine gemeinsame, in jeder Änderung dokumentierte Datenbasis für alle am Entwicklungs-, Qualitätssicherungs- und Produktionsprozess Beteiligen geschaffen. „Was an relevanten Daten im Lebenszyklus des Elektronikentwicklungsprojekts bekannt ist, wird hier zusammengeführt“, erklärt Schindler.

Thermische Simulation

Auf dieser Basis simuliert das Plug-in PCBi-Physics Temperaturverhalten. Die Engine unter der Oberfläche ist die seit vielen Jahren bewährte und branchenweit anerkannte Spezialsoftware TRM (Thermal Risk Management) von ADAM Research. Damit ist das Plug-in von EasyLogix in der Lage, Multilayer Boards, SMD-Wärmequellen, eingebettete Bauteile, Pins, Inlays, Stromschienen, Durchkontaktierungen, Sacklöcher und vergrabene Löcher einzubeziehen. Beim Vergleich von Simulation und Infrarot-Thermographien fertiger Boards zeigt sich im Normalfall eine hohe Übereinstimmung: maximal ±10 % Abweichung. „Die Visualisierung der Simulationsergebnisse übertrifft die Thermographie sogar an Aussagekraft, denn sie zeigt Hotspots auch in Innenlagen, die durch Thermographie nicht zuverlässig zu erkennen sind“, verdeutlicht Schindler. Auf Basis der in der CAD/CAM-Software vorhandenen Informationen stellt PCBi-Physics die Temperaturerhöhungen dar, die durch die Verlustleistung der Bauteile und durch Ströme ausgelöst werden.

Der EMS-Dienstleister Zollner Elektronik nutzt PCB-Investigator zur Optimierung seiner Entwicklungsprozesse. Hier wird mit Hilfe der thermischen Simulation frühzeitig verhindert, dass es in den fertigen Baugruppen zu gefährlichen Hitzestaus kommt. Ein Beispiel aus der Praxis: Ein Filter-Board, das später senkrecht stehend im Labor bei 70 °C getestet werden soll, wurde simuliert. Die 4-Lagen-Multilayer-Leiterplatte mit 70 µm Kupferbeschichtung trägt zwei Drosseln mit einer Verlustleis-tung von je 1,45 W. Die Simulation der Leiterplatte zeigte die Temperaturerhöhung durch die Induktivitäten. Auf der Top-Lage ergab sich bei einer Umgebungstemperatur von 70 °C ein Hotspot von 94,4 °C und auf der Bottom-Lage erreichte die simulierte Temperatur sogar 95,6 °C.

Die Entwickler bei Zollner passten das Routing nochmals an und fügten Kupferflächen auf den beiden Innenlagen hinzu. Das Ergebnis der erneuten Simulation zeigt den Erfolg: Die Temperatur bleibt überall um die Induktion L1001 auf der linken Seite unter 85 °C. Auf der TOP-Lage ergibt sich eine um 10 Grad reduzierte Temperatur gegenüber der ersten Leiterplattenversion und dies wirkt sich dann auch positiv auf die Erwärmung der umliegenden Bauteile aus. Lang bevor der erste Prototyp produziert wurde, konnte durch die Simulation eine Verbesserung für das Temperaturverhalten des Boards angestoßen und als wirksam bestätigt werden. Zitatvorschlag „Ohne Simulation müssten wir uns praktisch im Trial-and-Error-Verfahren mit Prototypen an die optimale Auslegung der Kupferflächen annähern. Schon dieses einfache Beispiel zeigt den Wert einer thermischen Simulation, die wir jetzt jederzeit auf Knopfdruck bekommen“, sagt Siegfried Reil, CAD Application Engineer DRL bei Zollner Elektronik. Günther Schindler/cs

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