Statt erst am fertigen Prototyp zu erkennen, wo thermische oder elektrische Schwachstellen liegen, können diese bereits auf Basis vorhandener PCB-Daten untersucht werden. PCB-Investigator Physics ermöglicht es, das elektrische und thermische Verhalten einer Leiterplatte schon während der Entwicklung zu simulieren.
So lassen sich beispielsweise thermische Hotspots, kritische Stromdichten, unerwünschte Spannungsabfälle oder erhöhte Leiterbahnwiderstände frühzeitig erkennen. Entwickler erhalten damit eine zusätzliche Entscheidungsgrundlage, um Layout, Lagenaufbau und thermisches Konzept gezielt zu optimieren – noch bevor der erste Prototyp gefertigt wird.
Warum eine Simulation direkt auf den PCB-Daten sinnvoll ist
Die Temperatur einer Leiterplatte lässt sich nicht allein aus der Verlustleistung einzelner Bauteile oder aus der Höhe eines Stroms zuverlässig ableiten. Das tatsächliche thermische Verhalten hängt von zahlreichen Faktoren ab: von der Leiterbahngeometrie und Kupferverteilung über den Lagenaufbau und die verwendeten Materialien bis hin zu Bauteilplatzierung und Kühlbedingungen.
Genau hier setzt PCB-Investigator Physics an. Die Software arbeitet als elektrischer und thermischer 3D-Feldsolver und berücksichtigt die konkrete Geometrie der Leiterplatte.
Ein wesentlicher Vorteil dabei: Viele geometrische Informationen sind bereits in den PCB-Daten vorhanden. PCB-Investigator kennt beispielsweise Leiterbahnen, Flächen, Bohrungen, Vias, Netze, Verbindungen sowie den Aufbau der einzelnen Lagen. Diese Informationen bilden unmittelbar die Grundlage für das Simulationsmodell.
Damit wird aus der vorhandenen Leiterplatte ein digitales Modell, an dem unterschiedliche elektrische und thermische Fragestellungen untersucht werden können.
Elektrische Simulation: Wo fließt der Strom wirklich?
Bei hohen Strömen reicht es häufig nicht aus, lediglich Leiterbahnbreiten anhand allgemeiner Richtwerte zu dimensionieren. Entscheidend ist, wie sich der Strom innerhalb der tatsächlichen Leiterplattengeometrie verteilt.
PCB-Investigator Physics berechnet die Potential- und Spannungsverteilung innerhalb von Leiterbahnen, Kupferflächen und Vias. Daraus können unter anderem Spannungsabfälle und elektrische Widerstände bestimmt werden.
Besonders interessant ist die Betrachtung der Stromdichte. Dadurch lassen sich Bereiche erkennen, in denen sich der Strom stark konzentriert – beispielsweise:
- an Kupferengstellen,
- an Übergängen zwischen unterschiedlich breiten Leiterbahnen,
- innerhalb von Vias und Bohrungen,
- an Anschlusspunkten,
- oder innerhalb komplexer Kupferflächen.
Solche Bereiche können elektrisch kritisch sein und gleichzeitig zu einer erhöhten lokalen Erwärmung führen.
Zusätzlich kann die tatsächliche Stromflussrichtung visualisiert beziehungsweise animiert werden. Gerade bei komplexeren Power-Netzen wird dadurch nachvollziehbar, welchen Weg der Strom durch das Layout nimmt.
Thermische Simulation: Wie heiß wird die Leiterplatte?
Die thermische Simulation betrachtet nicht nur die Verlustleistung der Bauteile. Auch die durch elektrische Ströme entstehenden Verluste in Leiterbahnen, Flächen und Vias können in die Berechnung einfließen.
Der thermische Feldsolver ermittelt daraus ein detailliertes Temperaturfeld für die Leiterplatte.
So können beispielsweise folgende Fragen bereits im Design beantwortet werden:
Wo entstehen thermische Hotspots?
Welche Leiterbahnen oder Komponenten erreichen kritische Temperaturen?
Wie verteilt sich Wärme über Kupferflächen und durch den Lagenaufbau?
Welchen Einfluss haben Kühlung, Materialien oder zusätzliche thermische Maßnahmen?
Auch Randbedingungen der Wärmeabfuhr spielen dabei eine Rolle. Dazu gehören beispielsweise die Wärmeübertragung an die Umgebung, metallische Befestigungselemente oder Kühlkörper.
Damit wird sichtbar, dass sich die Temperatur einer Leiterplatte nicht ausschließlich aus einzelnen Bauteilwerten ergibt. Entscheidend ist das Zusammenspiel des gesamten Aufbaus.
Elektrische und thermische Effekte gemeinsam betrachten
Besonders wertvoll wird die Simulation, wenn elektrische und thermische Berechnung miteinander kombiniert werden.
Hohe Stromdichten erzeugen Verluste und damit Wärme. Gleichzeitig verändert eine steigende Temperatur den elektrischen Widerstand der Leiterbahnen. Elektrische und thermische Effekte beeinflussen sich also gegenseitig.
PCB-Investigator Physics kann beide Solver einzeln oder gemeinsam einsetzen. Dadurch lässt sich beispielsweise untersuchen, wie sich der Leiterbahnwiderstand unter realistischen Betriebstemperaturen verändert.
Das ermöglicht eine wesentlich differenziertere Betrachtung als eine rein elektrische oder ausschließlich thermische Berechnung.
Nicht nur der Endzustand zählt: Transiente Simulationen
Elektronische Baugruppen arbeiten in der Praxis selten dauerhaft unter exakt derselben Belastung. Motoren werden ein- und ausgeschaltet, Prozessoren wechseln zwischen unterschiedlichen Lastzuständen und Leistungselektronik arbeitet mit wechselnden Betriebsbedingungen.
Deshalb unterstützt PCB-Investigator Physics auch transiente thermische Simulationen.
Damit kann untersucht werden, wie sich die Temperatur einer Leiterplatte im Laufe der Zeit verändert.
Bei einem konstanten Betriebszustand lässt sich beispielsweise erkennen,
- wie schnell sich die Leiterplatte erwärmt,
- wann sich eine stabile Endtemperatur einstellt,
- oder zu welchem Zeitpunkt eine kritische Temperatur überschritten wird.
Darüber hinaus können unterschiedliche Operating States beziehungsweise Betriebszustände definiert werden. Verschiedene Netze, Ströme und Bauteilverlustleistungen lassen sich dadurch zeitlich kombinieren.
So können reale Lastprofile deutlich besser abgebildet werden als mit einer rein stationären Betrachtung.
Simulation als Werkzeug für die Designoptimierung
Der eigentliche Nutzen einer Simulation entsteht nicht allein dadurch, dass ein Problem sichtbar wird. Entscheidend ist, daraus konkrete Änderungen am Design abzuleiten.
PCB-Investigator Physics unterstützt diesen Prozess direkt innerhalb der PCB-Umgebung. Werden beispielsweise ein thermischer Hotspot oder eine kritische Stromdichte erkannt, können verschiedene Optimierungsansätze untersucht werden.
Dazu gehören unter anderem:
- Verbreiterung oder Veränderung von Leiterbahnen,
- zusätzliche oder anders platzierte Vias,
- Anpassungen von Kupferflächen,
- Änderungen am Layer Stack-up,
- Verwendung anderer Materialien,
- Optimierung der Bauteilplatzierung,
- Integration zusätzlicher thermischer Maßnahmen,
- oder der Einsatz von Kühlkörpern und metallischen Wärmeableitungen.
Anschließend kann erneut simuliert und überprüft werden, welchen Einfluss die Änderung tatsächlich auf das elektrische oder thermische Verhalten hat.
Damit entsteht ein iterativer Prozess:
Simulieren → Schwachstelle erkennen → Design anpassen → erneut simulieren.
Statt mehrere physische Prototypen für unterschiedliche Varianten aufzubauen, können mögliche Lösungen zunächst virtuell miteinander verglichen werden.
Vom PCB-Layout zum Simulationsmodell
Ein weiterer Vorteil liegt in der engen Verbindung mit den vorhandenen Leiterplattendaten.
Für die elektrische Simulation sind zusätzlich zu den geometrischen Informationen vor allem die relevanten Strom- beziehungsweise Spannungswerte und die dazugehörigen Netze erforderlich. PCB-Investigator kann dafür die im Layout vorhandenen Netze, Pads und Komponenten verwenden.
Für thermische Berechnungen kommen unter anderem Materialeigenschaften, der Layer Stack-up, Bauteilverlustleistungen und die Bedingungen der Wärmeabfuhr hinzu.
Damit muss die Leiterplattengeometrie nicht vollständig in einem separaten Simulationssystem neu aufgebaut werden. Die bereits vorhandenen PCB-Daten bilden die Basis der Berechnung.
Gerade bei komplexen Multilayer-Leiterplatten reduziert das den Aufwand bei der Erstellung eines Simulationsmodells erheblich.
Ergebnisse nachvollziehbar dokumentieren
Simulationen sind nicht nur während der Entwicklung relevant. Ergebnisse müssen häufig auch dokumentiert, intern weitergegeben oder mit anderen Beteiligten diskutiert werden.
PCB-Investigator Physics ermöglicht deshalb, Simulationsergebnisse als interaktive HTML-Reports zu speichern.
Damit können Ergebnisse beispielsweise für Design Reviews, interne Dokumentationen oder zur Abstimmung zwischen Entwicklungsteams aufbereitet werden.
Weniger Überraschungen beim ersten Prototyp
Thermische und elektrische Probleme gehören zu den Fehlern, die bei einem fertigen Prototyp besonders aufwendig werden können. Muss aufgrund eines Hotspots, eines zu hohen Spannungsabfalls oder einer kritischen Stromdichte das Layout grundlegend geändert werden, beginnt häufig eine weitere Prototypenrunde.
PCB-Investigator Physics verlagert einen Teil dieser Überprüfung nach vorne in den Entwicklungsprozess.
Entwickler können dadurch bereits vor der Fertigung untersuchen,
- wie sich Ströme innerhalb des Layouts verteilen,
- an welchen Stellen kritische Stromdichten entstehen,
- welche Spannungsabfälle auftreten,
- wie sich die Leiterplatte erwärmt,
- wie unterschiedliche Betriebszustände das Temperaturverhalten beeinflussen,
- und welchen Effekt konkrete Layoutänderungen haben.
Simulation ersetzt dabei nicht jede spätere Messung am realen Produkt. Sie schafft jedoch die Möglichkeit, kritische Bereiche frühzeitig zu identifizieren und unterschiedliche Lösungsansätze bereits am digitalen PCB-Modell zu bewerten.
Fazit: Physikalisches Verhalten frühzeitig in die Entwicklung einbeziehen
Ein PCB-Layout kann geometrisch korrekt sein und dennoch unter realen Betriebsbedingungen elektrische oder thermische Schwachstellen aufweisen.
Mit PCB-Investigator Physics wird deshalb nicht nur die Geometrie der Leiterplatte betrachtet, sondern auch deren physikalisches Verhalten im Betrieb.
Elektrische Feldsimulation, Stromdichte- und Spannungsabfallanalyse, thermische 3D-Simulation sowie zeitabhängige Betriebszustände liefern zusätzliche Informationen für die Designentscheidung. Da vorhandene PCB-Daten direkt als Grundlage genutzt werden können, lässt sich die Simulation eng in den Entwicklungsprozess integrieren.
Das Ziel ist dabei klar: Probleme erkennen, bevor sie auf dem fertigen Prototyp sichtbar werden – und das Design bereits in einer Phase optimieren, in der Änderungen noch vergleichsweise einfach und kostengünstig möglich sind.
