Simulation der Eigenerwärmung gedruckter Leiterbahnen für die thermische Auslegung

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Die Eigenerwärmung von elektrischen Bauteilen ist ein wichtiges Auslegungskriterium elektrischer Schaltungen. Die Verwendung von additiven Fertigungstechniken, wie das Drucken der elektrischen Leitbahnen bei niedrigen Temperaturen zum Verbinden der einzelnen Schaltungskomponenten, bietet dabei Vorteile durch große Flexibilität und Anpassbarkeit der Layouts. Allerdings haben die gedruckten Materialien, verglichen mit herkömmlich in Kabeln und Leiterplatten verwendeten Metall-Leitern, häufig eine schlechtere Leitfähigkeit. Dies verursacht eine höhere Aufheizung der gedruckten Leiterbahn bei gleichem Leitungsquerschnitt, weil sich die Leistungsdichte erhöht. Ein Substrat, welches die Wärme abführt, hilft Material zu sparen welches ansonsten zur Kompensation der Widerstandserhöhung gebraucht wird. In dieser Arbeit wird ein analytisches Modell vorgestellt, welches in Abhängigkeit der Querschnittsgeometrie und der unbedruckten Oberfläche auf dem Substrat die Temperatur bei vorgegebener Stromstärke berechnet. Der Leitbahnquerschnitt wird durch Addition mehrerer Überfahrten neben- oder übereinander variiert, wie das bei Mehrfachdruck der Fall wäre. Aus dem berechneten Temperaturfeld kann dann die optimale Druckkonfiguration für verschiedene Leistungsanforderungen bestimmt werden. Zur Verifikation der Ergebnisse werden FEM Simulationen und Experimentaldaten herangezogen.