PCB-Thermik: Die 5 häufigsten Fehler in FDM-Simulationen – und warum sie Entscheidungen gefährden

FDM-Simulationen (Finite-Differenzen-Methode) sind im PCB-Thermalmanagement weit verbreitet. Sie sind schnell, gut skalierbar und in Tools wie CR8000 oder Icepak tief integriert. Das Problem: Ihre Ergebnisse werden oft falsch interpretiert – nicht weil die Ingenieure schlecht ausgebildet sind, sondern weil bestimmte Modellfehler systematisch übersehen werden.

Im Folgenden zeige ich die fünf häufigsten Fehler aus meiner Praxis aus der Konzern-Vorentwicklung – und was sie im schlechtesten Fall bedeuten.

Fehler 1: Unterschätzter Kontaktwiderstand zwischen Komponenten und Board

Der thermische Kontaktwiderstand (R_contact) zwischen Bauteil und Leiterplatte wird in FDM-Modellen häufig mit einem Standardwert belegt – oder gänzlich vernachlässigt. In der Praxis schwankt dieser Wert je nach Lötmaterial, Bondpad-Geometrie und Fertigungstoleranz erheblich.

Konsequenz: Die simulierte Junctiontemperatur liegt zu niedrig. Ein Bauelement, das im Modell bei 95 °C liegt, kann real 110–120 °C erreichen. Für einen Serienentscheid auf Basis dieser Simulation ist das gefährlich.

Fehler 2: Zu grobe Vernetzung in thermisch kritischen Bereichen

Rechenzeit ist begrenzt. Die Folge: Ingenieure wählen ein grobes, uniformes Gitter – und hoffen, dass die Temperaturgradienten im Bereich kritischer Komponenten trotzdem korrekt abgebildet werden. Das ist selten der Fall.

Besonders problematisch sind Via-Arrays und enge Bauteilgruppen. Hier entstehen starke lokale Gradienten, die ein grobes FDM-Gitter schlicht ausmittelt. Das Ergebnis sieht glatt aus – und ist es nicht.

• Lokale Gitterverfeinerung (Mesh Refinement) in kritischen Zonen
• Gitterkonvergenzstudie als Pflichtbestandteil des Simulationsberichts
• Vergleich mit analytischer Lösung für einfache Geometrien zur Plausibilisierung

Fehler 3: Falsche Randbedingungen für die Konvektion

„Freie Konvektion, 25 °C Umgebung" – das ist die häufigste Randbedingung in Review-Dokumenten. In vielen Fällen bildet sie die reale Einbausituation nicht ab. Ob ein Board in einem geschlossenen Gehäuse verbaut ist, ob es vorgewärmte Luft aus benachbarten Komponenten empfängt oder ob der Wärmeübertragungskoeffizient h aus einer Tabelle stammt: All das hat massiven Einfluss auf das Ergebnis.

Ich habe Projekte gesehen, in denen der Wechsel von h = 10 W/m²K auf h = 6 W/m²K die Maximaltemperatur um über 15 °C verschoben hat.

Fehler 4: Fehlende Validierung gegen Messung

Simulationen ohne Messkorridor sind Hypothesen. Trotzdem werden in vielen Entwicklungsprojekten Designentscheidungen auf Basis nicht-validierter Simulationsmodelle getroffen – oft aus Zeitdruck.

Das ist kein Vorwurf, sondern eine strukturelle Realität. Aber es muss dokumentiert und kommuniziert werden. Eine Simulation, die nie gegen Messdaten abgeglichen wurde, hat eine unbekannte Unsicherheit. Diese Unsicherheit gehört in den Entscheidungsprozess.

Fehler 5: Vernachlässigung von Strahlungsanteilen bei hohen Temperaturen

Unterhalb von ~60–70 °C ist Strahlung gegenüber Konvektion und Leitung oft vernachlässigbar. Bei höheren Temperaturen (Hochleistungs-PCBs, Leistungselektronik) kann der Strahlungsanteil 10–20 % der abgeführten Wärme ausmachen. In vielen FDM-Tools ist Strahlung optional – und bleibt deshalb oft deaktiviert.

Das führt zu systematisch zu hohen Temperaturen im Modell – was klingt wie ein konservativer Ansatz, aber je nach Designmarge zu unnötigem Over-Engineering führt.

Was bedeutet das für Ihre Entscheidungen?

Keiner dieser Fehler bedeutet, dass eine Simulation wertlos ist. Sie bedeuten, dass Simulationsergebnisse ohne methodische Einordnung keine belastbare Entscheidungsgrundlage sind. Die Frage ist nicht, ob das Modell läuft – sondern ob es das abbildet, was es abbilden soll.

Genau das ist die Aufgabe eines technischen Reviews: nicht die Simulation neu zu erstellen, sondern ihre Aussagekraft methodisch einzuordnen. Wenn eine externe Einordnung nötig ist, beschreibt die Leistungsseite Technische Reviews den genauen Ablauf.