AT518309B1 - Method and measuring arrangement for determining a value of a thermal resistance of a guide plate - Google Patents

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AT518309B1 ATA50130/2016A AT501302016A AT518309B1 AT 518309 B1 AT518309 B1 AT 518309B1 AT 501302016 A AT501302016 A AT 501302016A AT 518309 B1 AT518309 B1 AT 518309B1
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Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung eines Wertes eines Wärmewiderstandes einer Leiterplatte (1), wobei die Leiterplatte (1) wenigstens eine Leiterbahn (2) aufweist, wird vorgeschlagen, dass in die Leiterbahn (2) eine elektrische Leistung eingebracht wird, wobei ein erster Spannungswert eines Spannungsabfalls über die Leiterbahn (2) sowie eine erste Stromstärke eines Stromes durch die Leiterbahn (2) zu einem ersten Zeitpunkt am Beginn der Einbringung der elektrischen Leistung ermittelt wird, wobei die eingebrachte elektrische Leistung bis zum Erreichen eines zweiten Zeitpunktes ermittelt wird, wobei am zweiten Zeitpunkt der Spannungsabfall und/oder die Stromstärke in einen im Wesentlichen linearen Verlauf übergeht, wobei ein zweiter Spannungswert eines Spannungsabfalls über die Leiterbahn (2) sowie eine zweite Stromstärke eines Stromes durch die Leiterbahn (2) zum zweiten Zeitpunkt ermittelt wird, wobei aus den ermittelten Stromstärken und Spannungswerten, der ermittelten Leistung, sowie einem Temperaturkoeffizienten der Leiterbahn (2) ein Wert für den Wärmewiderstand der Leiterplatte (1) gebildet und ausgegeben und/oder gespeichert wird.In a method for determining a value of a thermal resistance of a printed circuit board (1), wherein the printed circuit board (1) has at least one printed conductor (2), it is proposed that an electrical power is introduced into the printed conductor (2), wherein a first voltage value of a Voltage drop across the conductor (2) and a first current of a current through the conductor (2) is determined at a first time at the beginning of the introduction of electrical power, wherein the introduced electrical power is determined until reaching a second time, wherein the second Time of the voltage drop and / or the current passes into a substantially linear course, wherein a second voltage value of a voltage drop across the conductor (2) and a second current of a current through the conductor (2) is determined at the second time, wherein from the determined Currents and voltage values of the determined power g, as well as a temperature coefficient of the conductor track (2) a value for the thermal resistance of the printed circuit board (1) is formed and output and / or stored.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Wärmewiderstandes einer Leiterplatte gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.Description: [0001] The invention relates to a method for determining a thermal resistance of a printed circuit board according to the preamble of claim 1.

[0002] Aufgrund des elektrischen Widerstandes wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Wird einer Vorrichtung mehr Wärme zu- als abgeführt, steigt die Temperatur der betreffenden Vorrichtung bzw. eines Teiles davon. Es ist ein bekanntes Phänomen, dass die Lebensdauer der meisten elektrischen Bauteile stark von der Temperatur der Bauteile bzw. deren unmittelbaren Umgebung abhängig ist, wobei eine höhere Bauteil- bzw. Umgebungstemperatur eine verkürzte Lebensdauer zur Folge hat. Entsprechend ist es bekannt bei elektrischen Vorrichtung die Wärme von den elektrischen Bauteilen abzuführen.Due to the electrical resistance electrical energy is converted into heat. If more heat is added to a device than removed, the temperature of the device or a part thereof rises. It is a well-known phenomenon that the life of most electrical components is highly dependent on the temperature of the components or their immediate environment, with a higher component or ambient temperature results in a shortened life. Accordingly, it is known in electrical device to dissipate the heat from the electrical components.

[0003] Bei Leiterplatten bzw. Printed Circuit Boards ist es bekannt, diese bereits mit einer integrierten, thermisch gut leitfähigen Metallschicht bzw. -platte, meist aus einer Aluminiumlegierung, auszubilden, welche Metallschicht keine Funktion als elektrischer Leiter aufweist, sondern ausschließlich der Wärmeabfuhr aus der Leiterplatte dient. Derartige Leiterplatten werden auch als IMS-Leiterplatten bezeichnet. Die betreffende Metallschicht muss dabei von der restlichen Leiterplatte elektrisch isoliert sein. Allerdings stellen elektrische Isolatoren in der Regel auch thermische Isolatoren dar, und weisen nur eine schlechte Wärmeleitfähigkeit bzw. einen hohen Wärmewiderstand auf. Für die Betriebslebensdauer einer derartigen elektrischen Leiterplatte ist daher der Wärmewiderstand der betreffenden Leiterplatte von erheblicher Bedeutung. Es hat sich gezeigt, dass - aufgrund des geringen Wärmewiderstandes der isolierenden Schichten einer Leiterplatte - erhebliche Schwankungen des Wärmewiderstandes einer Leiterplatte auftreten können, verbunden mit erheblichen Schwankungen der Lebensdauer elektrisch an sich gleichartig aufgebauter Leiterplatten bei an sich ähnlichem oder identem Betrieb.In printed circuit boards or Printed Circuit Boards, it is known to form these already with an integrated, thermally highly conductive metal layer or plate, usually made of an aluminum alloy, which metal layer has no function as an electrical conductor, but only the heat dissipation the circuit board is used. Such printed circuit boards are also referred to as IMS printed circuit boards. The metal layer in question must be electrically isolated from the rest of the printed circuit board. However, electrical insulators are usually also thermal insulators, and have only a poor thermal conductivity or a high thermal resistance. For the service life of such an electrical circuit board, therefore, the thermal resistance of the circuit board in question is of considerable importance. It has been found that - due to the low thermal resistance of the insulating layers of a printed circuit board - significant fluctuations in the thermal resistance of a printed circuit board can occur, associated with significant variations in the life of electrically similar circuit boards in itself similar or identical operation.

[0004] Aus diesen Gründen ist eine vollständige Erfassung des Wärmewiderstandes einer jeden Leiterplatte im Rahmen des Herstellungsprozesses erstrebenswert, um ungenügende Leiterplatten bereits vor der Weiterverarbeitung, insbesondere vor der Bestückung, ausscheiden zu können. Allerdings ist eine derartige vollständige Überwachung mit den derzeit bekannten Verfahren nicht im Zuge einer modernen Fertigung möglich, da diese sehr zeitaufwendig und zudem fehlerbehaftet ist. Bei einem bekannten Verfahren muss die thermische Leistung und die Differenztemperatur am betreffenden Widerstand, daher der Isolationsschicht, gemessen werden. Dies hat sich jedoch insbesondere bei der dünnen Isolationsschicht von IMS-Leiterplatten als problematisch erwiesen. Neben der Problematik die thermische Leistung genau zu erfassen, ist weiters vor allem die Temperaturmessung an beiden Seiten der Isolationsschicht sehr fehleranfällig. Die thermische Leistung wird bei diesem Verfahren über ein Heizelement zugeführt, wobei bereits beim Übergang vom Heizelement zur Leiterplatte erhebliche Toleranzen auftreten können, welche die Schwankungen des Wärmewiderstandes übersteigen können, weshalb dieses Messverfahren, um vergleichbare Messergebnisse zu erlangen, auch nur von hoch qualifizierten Mitarbeitern durchgeführt werden kann. Weiters nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist, dass ein thermisch eingeschwungener Zustand erreicht werden muss, ehe eine Messung vorgenommen werden kann, weshalb dieses Messverfahren sehr lange Messdauern bedingt. In der Praxis ist dieses Verfahren daher nur im Rahmen einer stichprobenartigen Qualitätsüberprüfung sinnvoll einsetzbar, bzw. bei speziellen Sonderaufgaben bzw. Einzelanwendungen.For these reasons, a complete detection of the thermal resistance of each circuit board in the context of the manufacturing process is desirable to be able to excrete insufficient circuit boards before further processing, in particular before the assembly. However, such a complete monitoring with the currently known methods is not possible in the course of a modern production, since this is very time consuming and also faulty. In a known method, the thermal power and the differential temperature at the respective resistor, therefore the insulation layer, must be measured. However, this has proven to be problematic, especially with the thin insulation layer of IMS printed circuit boards. In addition to the problem of accurately recording thermal performance, it is above all the temperature measurement on both sides of the insulation layer that is very prone to error. The thermal performance is supplied in this method via a heating element, which already at the transition from the heating element to the PCB significant tolerances may occur, which may exceed the variations in thermal resistance, which is why this measurement method to obtain comparable measurement results, carried out only by highly qualified staff can be. Another disadvantage of this known method is that a thermally steady state must be reached before a measurement can be made, which is why this measurement method requires very long measurement times. In practice, this method can therefore be usefully used only in the context of a random quality check, or for special special tasks or individual applications.

[0005] Die Druckschrift US 4713612 A offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Wärmewiderstands zwischen einem Halbleiterbauelement mit mindestens einem p-n Übergang und dem Kühlgehäuse. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt de Temperaturkoeffizient des p-n Übergangs bestimmt indem ein geringer Strom durch den p-n Übergang geschickt wird (erster Betriebszustand) und der Spannungsabfall an dem p-n Übergang bei verschiedenen Temperaturen gemessen wird. Anschließend wird eine hohe elektrische Leistung durch das Halbleiterelement geschickt (zweiter Betriebszustand) bis das Halbleiterelement im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung ist. Danach wird die Leistungsabfuhr des Halbleiterbauelements bei konstanter Gehäusetemperatur gemessen. Im nächsten Schritt wird die zugeführte Leistung abgeschaltet und die Änderung des Spannungsabfalls zwischen den beiden Betriebszuständen bestimmt. Der Wärmewiderstand wird aus dem Verhältnis der Spannungsdifferenz zum Produkt aus Gesamtleistung und Temperaturkoeffizient berechnet.The document US 4713612 A discloses a method for determining the thermal resistance between a semiconductor device having at least one p-n junction and the cooling housing. In this case, the temperature coefficient of the p-n junction is determined in a first method step by sending a small current through the p-n junction (first operating state) and measuring the voltage drop at the p-n junction at different temperatures. Subsequently, a high electrical power is sent through the semiconductor element (second operating state) until the semiconductor element is in thermal equilibrium with its surroundings. Thereafter, the power dissipation of the semiconductor device is measured at a constant housing temperature. In the next step, the power supplied is switched off and the change in the voltage drop between the two operating states is determined. The thermal resistance is calculated from the ratio of the voltage difference to the product of total power and temperature coefficient.

[0006] Die Druckschrift DE 10 2012 208 216 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des thermischen Widerstands oder thermischen Leitwerts zwischen zwei Messpunkten eines metallischen Bauteils. Im ersten Schritt des Verfahrens wird eine Stromquelle an das Messobjekt angeschlossen. Im zweiten Schritt wird die elektrische Spannung zwischen den zwei Messpunkten gemessen. Sofern die Temperatur des Bauteils nicht bekannt ist, wird in einem dritten Schritt diese mit einem Thermometer gemessen. Im nächsten Schritt wird der elektrische Leitwert Gel zwischen den Messpunkten A und B aus dem Verhältnis von Strom und Spannung bestimmt. Im letzten Schritt wird der thermische Leitwert Gth zwischen den Messpunkten A und B als Produkt der Temperatur der Lorenz-Zahl und Gei berechnet. Der thermische Widerstand Rth ist dann der Kehrwert des thermischen Leitwerts Gth.Document DE 10 2012 208 216 A1 describes a method for determining the thermal resistance or thermal conductance between two measuring points of a metallic component. In the first step of the method, a power source is connected to the measurement object. In the second step, the electrical voltage between the two measuring points is measured. Unless the temperature of the component is known, it is measured in a third step with a thermometer. In the next step, the electrical conductance gel between the measuring points A and B is determined from the ratio of current and voltage. In the last step, the thermal conductance Gth between the measuring points A and B is calculated as the product of the temperature of the Lorenz number and Gei. The thermal resistance Rth is then the reciprocal of the thermal conductance Gth.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, mit welchem die Betriebslebensdauer einer Leiterplatte verlängert werden kann, und mit welchem eine vollständige Qualitätskontrolle des Wärmewiderstandes im Zuge einer automatisierten Leiterplattenfertigung möglich ist.The object of the invention is therefore to provide a method of the type mentioned, with which the mentioned disadvantages can be avoided, with which the service life of a circuit board can be extended, and with which a complete quality control of the thermal resistance in the course of automated circuit board production possible is.

[0008] Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.This is achieved by the features of claim 1 according to the invention.

[0009] Dadurch ist eine Erfassung bzw. Messung des Wärmewiderstandes von Leiterplatten in sehr kurzer Zeit, von je nach Leiterplatte typischerweise 50 ms bis 300 ms möglich. Dadurch ist eine vollständige Qualitätskontrolle des Wärmewiderstandes und damit des tatsächlichen Wärmeabfuhrvermögens von Leierplatten im Zuge einer automatisierten Leiterplattenfertigung möglich. Dadurch kann die Betriebslebensdauer einer elektrischen Vorrichtung umfassend Leiterplatten verlängert werden, indem mangelhafte Leiterplatten gar nicht erst verbaut werden. Dadurch können die Gesamtkosten eines Produktes gesenkt werden, indem schadhafte Leiterplatten bereits früh aus dem Fertigungsprozess ausgeschieden werden, und es weiters zu geringeren Ausfällen und entsprechend geringeren Garantieleistungen bzw. Reparaturen kommt.As a result, a detection or measurement of the thermal resistance of printed circuit boards in a very short time, depending on the PCB typically 50 ms to 300 ms possible. As a result, a complete quality control of the thermal resistance and thus the actual heat dissipation capacity of lyre plates in the course of an automated circuit board production is possible. As a result, the service life of an electrical device comprising printed circuit boards can be extended by failing to install defective printed circuit boards. This can reduce the overall cost of a product by eliminating damaged PCBs early in the manufacturing process, and further reduce breakdowns and lower warranty or repair costs.

[0010] Die Erfindung betrifft weiters eine Messanordnung zur Ermittlung eines Wertes eines Wärmewiderstandes einer Leiterplatte gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 6.The invention further relates to a measuring arrangement for determining a value of a thermal resistance of a printed circuit board according to the preamble of claim. 6

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es weiters eine Messanordnung der vorstehend genannten Art anzugeben, mit welcher die eingangs genannten Nachteile vermieden werden können, mit welcher die Betriebslebensdauer einer Leiterplatte verlängert werden kann, und mit welcher eine vollständige Qualitätskontrolle des Wärmewiderstandes im Zuge einer automatisierten Leiterplattenfertigung möglich ist.The object of the invention is further to provide a measuring arrangement of the type mentioned above, with which the aforementioned disadvantages can be avoided, with which the operating life of a circuit board can be extended, and with which a complete quality control of the thermal resistance in the course of an automated circuit board production is possible.

[0012] Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 6 erreicht.This is achieved by the features of claim 6 according to the invention.

[0013] Dadurch können die zum Patentanspruch 1 geltend gemachten Vorteile erzielt werden.As a result, the claims made for claim 1 advantages can be achieved.

[0014] Die Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The subclaims relate to further advantageous embodiments of the invention.

[0015] Ausdrücklich wird hiermit auf den Wortlaut der Patentansprüche Bezug genommen, wodurch die Ansprüche an dieser Stelle durch Bezugnahme in die Beschreibung eingefügt sind und als wörtlich wiedergegeben gelten.Explicit reference is hereby made to the wording of the claims, whereby the claims are incorporated herein by reference in the description and are considered to be reproduced verbatim.

[0016] Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt: [0017] Fig. 1 ein Bockschaltbild einer Ausführungsform einer gegenständlichen Messanord nung; [0018] Fig. 2 ein erster Verlauf eines Spannungsabfalles an der Leiterbahn; und [0019] Fig. 3 ein zweiter Verlauf eines Spannungsabfalles an der Leiterbahn.The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which only preferred embodiments are shown by way of example. 1 is a block diagram of an embodiment of an objective measurement arrangement; FIG. 2 shows a first course of a voltage drop at the conductor track; FIG. and FIG. 3 shows a second course of a voltage drop at the conductor track.

[0020] Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Wärmewiderstandes Rth einer Leiterplatte 1 bzw. des Isolierstoffteiles der Leiterplatte 1. Das gegenständliche Verfahren ist an sich bei unterschiedlichen Arten von Leiterplatten 1 einsetzbar bzw. anwendbar, wobei vor allem der Einsatz bei sog. IMS-Leiterplatten vorgesehen bzw. vorteilhaft ist. IMS steht dabei in an sich bekannter Weise für „Insulated metal substrate". IMS-Leiterplatten weisen einen isolierten Metallkern, meist aus bzw. umfassend Kupfer oder Aluminium, auf.The subject invention relates to a method for determining a thermal resistance Rth of a printed circuit board 1 and the Isolierstoffteiles the printed circuit board 1. The subject method can be used or applicable to different types of printed circuit boards 1, especially the use in so-called. IMS printed circuit boards is provided or advantageous. In this case, IMS stands for "insulated metal substrate." IMS printed circuit boards have an insulated metal core, usually made of or comprising copper or aluminum.

[0021] Es ist erforderlich, dass die Leiterplatte 1 wenigstens eine Leiterbahn 2 aufweist. Leiterplatten 1 werden industriell meist als Teil eines sog. Nutzen 9 hergestellt, welcher auch als unvereinzelte Gesamtleiterplatte bezeichnet werden kann. Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei der gegenständlichen Leiterbahn 2 nicht um eine, für den Bestimmungszweck einer zu fertigenden Leiterplatte 1 erforderliche, Leiterbahn 2 handelt, sondern um eine Leiterbahn 2, welche speziell für die Durchführung des gegenständlichen Verfahrens vorgesehen und hiefür an der Leiterplatte 1 bzw. dem Nutzen 9 angeordnet ist. Da der Wärmewiderstand Rth über einen ganzen Nutzen 9 im Wesentlichen gleich bzw. konstant ist, werden gegenständlich die Begriffe Nutzen 9 und Leiterplatte 1 - sofern nicht anders angegeben - synonym verwendet. Bevorzugt ist die Leiterbahn 2 am Nutzenrand 10 angeordnet, wodurch unabhängig von der Art der weiteren Leiterplatten 1 bzw. Nutzleiterplatten auf dem Nutzen 9 immer dieselbe Art Leiterbahn 2 auf dem Nutzen 9 angebracht werden kann.It is necessary that the circuit board 1 has at least one conductor 2. Printed circuit boards 1 are usually produced industrially as part of a so-called. Benefit 9, which can also be referred to as unaccomplished overall board. Preferably, it is provided that it is not a required for the intended purpose of a circuit board 1 to be manufactured, conductor 2 in the objective conductor 2, but a conductor 2, which is provided specifically for the implementation of the subject method and hereby on the circuit board 1 or the benefit 9 is arranged. Since the thermal resistance Rth is essentially the same or constant over a whole utility 9, the terms utility 9 and circuit board 1 are used synonymously, unless otherwise stated. Preferably, the conductor track 2 is arranged on the edge benefit 10, whereby regardless of the type of the other circuit boards 1 and Nutzleiterplatten on the benefits 9 always the same kind of conductor 2 can be mounted on the benefit 9.

[0022] An sich kann die Leiterbahn 2 auf der Leiterplatte 1 jegliche Form aufweisen. Es hat sich für die Durchführung des gegenständlichen Verfahrens als vorteilhaft herausgestellt, dass die wenigstens eine Leiterbahn 2 mäanderförmig ausgebildet ist, wie dies etwa in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Durch die Mäanderform wird ein hoher Widerstand der Leiterbahn 2 erzielt, wodurch die Messungen entsprechend dem gegenständlichen Verfahren unterstützt werden.In itself, the conductor 2 on the circuit board 1 have any shape. It has been found to be advantageous for carrying out the subject method, that the at least one conductor 2 is meander-shaped, as shown schematically in Fig. 1. Due to the meandering shape, a high resistance of the conductor 2 is achieved, whereby the measurements are supported according to the subject method.

[0023] Beim gegenständlichen Verfahren zur Ermittlung eines Wärmewiderstandes Rth einer Leiterplatte 1 ist vorgesehen, dass in die Leiterbahn 2 eine elektrische Leistung eingebracht wird. Dies kann durch Anlegen einer elektrisch Spannung bzw. eines elektrischen Stromes erfolgen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Leiterbahn 2 mittels einer Konstantstromquelle anzusteuern.In the subject method for determining a thermal resistance Rth of a printed circuit board 1 is provided that in the conductor track 2, an electrical power is introduced. This can be done by applying an electrical voltage or an electric current. It has proven to be advantageous to control the conductor 2 by means of a constant current source.

[0024] Beim Beginn der Einbringung der elektrischen Leistung wird ein erster Spannungswert eines Spannungsabfalls über die Leiterbahn 2 sowie eine erste Stromstärke eines Stromes durch die Leiterbahn 2 ermittelt, wobei der Beginn der Einbringung der elektrischen Leistung als erster Zeitpunkt bezeichnet wird. Der Begriff „ermitteln" umfasst dabei sowohl die messtechnische Erfassung eines Wertes bzw. einer Größe, als auch deren Kenntnis durch Vorgabe einer Ausgangsgröße einer Konstantstromquelle 8 bzw. Konstantspannungsquelle.At the beginning of the introduction of electrical power, a first voltage value of a voltage drop across the conductor 2 and a first current of a current through the conductor 2 is determined, wherein the beginning of the introduction of the electric power is referred to as the first time. The term "detect" includes both the metrological detection of a value or a size, as well as their knowledge by specifying an output of a constant current source 8 or constant voltage source.

[0025] Aufgrund der zugeführten elektrischen Leistung kommt es zu einer Erwärmung der Leiterbahn 2 und dadurch zu einer Veränderung des Widerstandes der Leiterbahn 2 und folglich auch des Spannungsabfalles über diese und/oder der Stromstärke durch diese, wobei sowohl den Temperaturkoeffizienten α des elektrischen Widerstandes der Leiterbahn, als auch der Wärmewiderstand Rth der Leiterplatte das Maß der diesbezüglichen Veränderung bestimmen.Due to the supplied electrical power there is a heating of the conductor 2 and thereby to a change in the resistance of the conductor 2 and consequently also the voltage drop across this and / or the current through it, wherein both the temperature coefficient α of the electrical resistance of the Conductor, as well as the thermal resistance Rth of the PCB determine the degree of change in this regard.

[0026] Die elektrische Leistung wird wenigstens bis zu einem zweiten Zeitpunkt zugeführt, an welchem zweiten Zeitpunkt der Spannungsabfall und/oder die Stromstärke in einen im Wesentlichen linearen Verlauf übergeht oder schon übergegangen ist. Die Widerstandszunahme sowie analog der Anstieg des Spannungsabfalles über die Leiterbahn 2 erfolgen entsprechend einer Funktion: f(x) = 1 - e"(t/T) wobei t die Zeit und τ (tau) eine Zeitkonstante ist. Die elektrische Leistung wird daher bei der bevorzugten Anwendung mit einer Konstantstromquelle 8 bis zum Erreichen eines quasilinearen Verlaufes des Spannungsabfalles zugeführt. Dabei wird die eingebrachte elektrische Leistung bis zum Erreichen des zweiten Zeitpunktes ermittelt. Weiters wird am zweiten Zeitpunkt ein zweiter Spannungswert des Spannungsabfalls über die Leiterbahn 2 sowie eine zweite Stromstärke des Stromes durch die Leiterbahn 2 ermittelt.The electrical power is supplied at least until a second time, at which second time the voltage drop and / or the current passes into a substantially linear course or has already passed. The increase in resistance and, analogously, the increase in the voltage drop across the printed conductor 2 take place according to a function: f (x) = 1-e "(t / T) where t is the time and τ (tau) is a time constant In this case, the applied electrical power is determined until the second time point is reached, and at the second time point a second voltage value of the voltage drop across the track 2 and a second current value of the Current determined by the conductor 2.

[0027] Da die gegenständlichen Messungen mit Gleichstrom erfolgen und die Leiterbahn 2 einen rein ohmschen Widerstand darstellt, ist die Ermittlung der Leistung als Produkt aus Strom und Spannungsabfall einfach möglich.Since the subject measurements are made with direct current and the conductor 2 is a purely ohmic resistance, the determination of the power as a product of current and voltage drop is easily possible.

[0028] Nachfolgend wird aus den ermittelten Stromstärken und Spannungswerten, der ermittelten Leistung, sowie dem Temperaturkoeffizienten der Leiterbahn 2 ein Wert für den Wärmewiderstand Rth der Leiterplatte 1 gebildet und, etwa an einer Schnittstelle oder einem Anzeigegerät, ausgegeben und/oder gespeichert.Subsequently, from the determined currents and voltage values, the determined power, and the temperature coefficient of the conductor 2, a value for the thermal resistance Rth of the printed circuit board 1 is formed and output, and / or stored, for example at an interface or a display device.

[0029] Durch das gegenständliche Verfahren ist eine Erfassung bzw. Messung des Wärmewiderstandes Rth von Leiterplatten 1 in sehr kurzer Zeit, von je nach Leiterplatte 1 typischerweise 50 ms bis 300 ms, meist im Bereich um ca. 100 ms möglich. Dadurch ist eine vollständige Qualitätskontrolle des Wärmewiderstandes Rth und damit des tatsächlichen Wärmeabfuhrvermögens von Leierplatten 1 im Zuge einer automatisierten Leiterplattenfertigung möglich. Dadurch kann die Betriebslebensdauer einer elektrischen Vorrichtung mit Leiterplatten 1 verlängert werden, indem mangelhafte Leiterplatten 1 gar nicht erst verbaut werden. Dadurch können die Gesamtkosten eines Produktes gesenkt werden, indem schadhafte Leierplatten 1 bereits früh aus dem Fertigungsprozess ausgeschieden werden, und es weiters zu geringeren Ausfällen und entsprechend geringeren Garantieleistungen bzw. Reparaturen kommt.By the subject method, a detection or measurement of the thermal resistance Rth of printed circuit boards 1 in a very short time, depending on the PCB 1 typically 50 ms to 300 ms, usually in the range of about 100 ms possible. As a result, a complete quality control of the thermal resistance Rth and thus the actual heat dissipation capacity of the lyre plates 1 in the course of an automated circuit board production is possible. As a result, the service life of an electrical device with printed circuit boards 1 can be extended by defective printed circuit boards 1 are not installed at all. As a result, the total cost of a product can be reduced by deleting damaged lyre plates 1 early in the manufacturing process, and further reducing losses and correspondingly lower warranty and repair costs.

[0030] Sofern die Leiterplatte 1 keine integrierte und isolierte Metallschicht aufweist, wird der Verlauf des Spannungsabfalles im Wesentlichen dem Graphen gemäß Fig. 2 entsprechen. Dabei ist zu beachten, dass der Fußpunkt der Kurve auf der Ordinatenachse nicht bei 0 V beginnt. Bei einem derartigen Verlauf des Spannungsabfalles ist der zweite Spannungswert des Spannungsabfalls über die Leiterbahn 2 einfach in dem Bereich zu bestimmen, in welchem der Spannungsabfall parallel zur Zeitachse verläuft.If the printed circuit board 1 has no integrated and insulated metal layer, the course of the voltage drop will substantially correspond to the graph of FIG. 2. It should be noted that the base of the curve on the ordinate axis does not start at 0V. In such a course of the voltage drop, the second voltage value of the voltage drop across the conductor 2 is easy to determine in the range in which the voltage drop is parallel to the time axis.

[0031] Sofern die Leiterplatte 2, wie bevorzugt vorgesehen, umfassend eine integrierte und isolierte Metallschicht ausgebildet ist, wird der Verlauf des Spannungsabfalles im Wesentlichen dem Graphen gemäß Fig. 3 entsprechen. Der Verlaufes des Spannungsabfalls weist dabei einen - in dem betrachteten Zeitabschnitt - im Wesentlichen linearen Anstieg 12 auf, während bei dem Graphen gemäß Fig. 2 kein solcher Anstieg 12 aufscheint, sondern ein paralleler Verlauf zur Abszissenachse. Der betreffende Anstieg 12 wird dabei von der Erwärmung der integrierten Metallschicht der Leiterplatte 2 verursacht, wobei die Steigung 11 dieses Anstieges 12 umso größer ist, je schlechter die Wärmeabfuhr durch die Metallschicht erfolgt. Tatsächlich handelt es sich dabei um keinen linearen Anstieg 12, sondern ebenfalls um einen weiteren Anstieg entsprechend einer Funktion: f(x) = 1 - e"(t/T), welcher dem Graphen gemäß Fig. 2 überlagert ist, wobei jedoch die betreffende Zeitkonstante der Metallschicht, typischerweise um positive Zehnerpotenzen, größer ist als die entsprechende Zeitkonstante der Leiterbahn 2.If the printed circuit board 2, as preferably provided, comprising an integrated and insulated metal layer is formed, the course of the voltage drop will substantially correspond to the graph of FIG. 3. The course of the voltage drop in this case has a - in the considered time period - substantially linear increase 12, while in the graph of FIG. 2 no such increase 12 appears, but a parallel course to the axis of abscissa. The respective increase 12 is caused by the heating of the integrated metal layer of the printed circuit board 2, wherein the slope 11 of this rise 12 is greater, the worse the heat dissipation is through the metal layer. In fact, this is not a linear increase 12, but also a further increase according to a function: f (x) = 1 - e "(t / T), which is superimposed on the graph of FIG Time constant of the metal layer, typically by positive orders of magnitude, is greater than the corresponding time constant of the conductor 2.

[0032] Es hat sich bei derartig ausgebildeten Leiterplatten 1 als vorteilhaft erwiesen, dass bei Auftreten eines im Wesentlichen linearen Anstiegs 12 des Verlaufes des Spannungsabfalls und/oder der Stromstärke die Steigung 11 des linearen Anstiegs 12 ermittelt wird. Nachfolgend wird der quasilineare Anteil aus der aufgenommenen Messkurve entfernt bzw. herausgerechnet, indem - vor Ermittlung des zweiten Spannungswerts und/oder der Leistung - von dem aufgenommenen zeitlichen Verlauf des Spannungsabfalls und/der der Stromstärke das Produkt aus Steigung 11 und Zeitdauer subtrahiert wird. Die derart gebildete Kurve entspricht qualitativ wieder der Kurve gemäß Fig. 2.It has proved to be advantageous in such trained circuit boards 1 that when a substantially linear increase 12 of the course of the voltage drop and / or the current strength, the slope 11 of the linear increase 12 is determined. Subsequently, the quasi-linear component is removed or removed from the recorded measurement curve by subtracting the product of slope 11 and time duration from the recorded time profile of the voltage drop and / or the current intensity before determining the second voltage value and / or the power. The curve thus formed qualitatively corresponds again to the curve according to FIG. 2.

[0033] Zwischen Messwertaufnahme und Weiterverarbeitung der ermittelten Daten können Maßnahmen zur Rauschunterdrückung bzw. Reduktion des Rauschens vorgesehen sein.Measures for noise reduction or reduction of noise can be provided between measured value recording and further processing of the determined data.

[0034] Weiters wird das gegenständliche Verfahren mit Gleichstrom ausgeführt.Furthermore, the subject method is carried out with direct current.

[0035] In weitere Folge wird aus dem zweiten Spannungswert und dem ersten Spannungswert ein Differenzspannungswert gebildet.In a further consequence, a differential voltage value is formed from the second voltage value and the first voltage value.

[0036] Der Wert des Wärmewiderstandes der Leiterplatte 1 wird bevorzugt ermittelt, indem der Quotient aus dem Differenzspannungswert und dem Produkt aus erstem Spannungswert, elektrischer Leistung bis zum zweiten Zeitpunkt und Temperaturkoeffizient der Leiterbahn 2 gebildet wird. Dies entspricht der Beziehung: [0037] Rth = Δϋ/[ϋι*Ρ*α] [0038] mit: U1 = erster Spannungswert [0039] Δϋ = zweiter Spannungswert minus erstem Spannungswert [0040] P = zugeführte elektrische Leistung [0041] α = Temperaturkoeffizient der Leiterbahn 2 [0042] Der Temperaturkoeffizient der Leiterbahn 2 ist dabei der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes in K-1, und eine Materialeigenschaft. Bei Einsetzen der jeweiligen Werte in Grundeinheiten in die vorstehend angeführte Gleichung ergibt sich der Wärmewiderstand in K/W.The value of the thermal resistance of the printed circuit board 1 is preferably determined by the quotient of the differential voltage value and the product of the first voltage value, electrical power is formed until the second time and temperature coefficient of the conductor 2. This corresponds to the relationship: Rth = Δϋ / [ϋι * Ρ * α] with: U1 = first voltage value Δϋ = second voltage value minus first voltage value P = supplied electrical power [0041] α = Temperature coefficient of the conductor 2 The temperature coefficient of the conductor 2 is the temperature coefficient of electrical resistance in K-1, and a material property. By substituting the respective values in units of units in the above-mentioned equation, the thermal resistance is given in K / W.

[0043] Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Messanordnung 3 zur Ermittlung eines Wertes eines Wärmewiderstandes einer Leiterplatte 1 mit wenigstens einer Leiterbahn 2, wobei die Messanordnung 3 eine elektrische Energiequelle 4 aufweist, welche mit zwei Kontaktbereichen 5 der Messanordnung 3 zur Kontaktierung der Leiterbahn 2 verbunden ist, wobei die Kontaktbereiche 5 mit einer Spannungsmessanordnung 6 der Messanordnung 3 verbunden sind, und wobei die Spannungsmessanordnung 6 mit einer Einheit 7 zur Durchführung des gegenständlichen Verfahrens verbunden ist.1 shows a block diagram of a measuring arrangement 3 for determining a value of a thermal resistance of a printed circuit board 1 with at least one conductor 2, wherein the measuring arrangement 3 comprises an electrical energy source 4, which with two contact areas 5 of the measuring arrangement 3 for contacting the conductor track 2 is connected, wherein the contact areas 5 are connected to a voltage measuring arrangement 6 of the measuring arrangement 3, and wherein the voltage measuring arrangement 6 is connected to a unit 7 for carrying out the subject method.

[0044] Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Energiequelle 4 als Konstantstromquelle 8 ausgebildet. Dies ist mehrfach vorteilhaft, da eine Spannungsmessung an sich einfacher ausführbar ist, als eine Strommessung, und dabei zudem der veränderliche Widerstand der Leiterbahn nicht erhoben zu werden braucht.According to the preferred embodiment, the electric power source 4 is formed as a constant current source 8. This is advantageous in many ways, since a voltage measurement itself is easier to implement than a current measurement, and, moreover, the variable resistance of the conductor need not be raised.

[0045] Die Einheit 7, welche auch als Auswerte- und/oder Steuereinheit bezeichnet werden kann, weist bevorzugt einen Mikrocontroller und/oder Mikroprozessor auf, sowie die entsprechenden Input/Output Baugruppen zu dessen Betrieb, sowie zu dessen Energieversorgung.The unit 7, which may also be referred to as an evaluation and / or control unit, preferably has a microcontroller and / or microprocessor, and the corresponding input / output modules for its operation, as well as its power supply.

[0046] Die gegenständliche Messanordnung 3 kann als eigenständige Baugruppe, umfassend ein eigenständiges Gehäuse, ausgebildet sein, es kann jedoch auch vorgesehen sein, diese aus Einzelgeräten aufzubauen. Besonders bevorzugt sind wenigstens Teile der Messanordnung 3 umfassend einen Computer mit einem I/O-Port sowie entsprechender Software ausgebildet, wobei zum Zeitpunkt der Anmeldung insbesondere eine Umsetzung unter Anwendung von LabVIEW vorgesehen ist.The subject measuring assembly 3 may be formed as an independent assembly comprising an independent housing, but it may also be provided to build them from individual devices. Particularly preferably, at least parts of the measuring arrangement 3 comprising a computer with an I / O port and corresponding software are formed, wherein at the time of the application in particular a conversion using LabVIEW is provided.

[0047] Die Kontaktbereiche 5 sind bevorzugt als Messspitzen bzw. Messtaster ausgebildet.The contact regions 5 are preferably designed as measuring probes or measuring probes.

Claims (7)

Patentansprücheclaims 1. Verfahren zur Ermittlung eines Wertes eines Wärmewiderstandes einer Leiterplatte (1), wobei die Leiterplatte (1) wenigstens eine Leiterbahn (2) aufweist, wobei in die Leiterbahn (2) eine elektrische Leistung eingebracht wird, wobei ein erster Spannungswert eines Spannungsabfalls über die Leiterbahn (2) sowie eine erste Stromstärke eines Stromes durch die Leiterbahn (2) zu einem ersten Zeitpunkt am Beginn der Einbringung der elektrischen Leistung ermittelt wird, wobei die eingebrachte elektrische Leistung bis zum Erreichen eines zweiten Zeitpunktes ermittelt wird, wobei am zweiten Zeitpunkt der Spannungsabfall und/oder die Stromstärke in einen im Wesentlichen linearen Verlauf übergeht, wobei ein zweiter Spannungswert eines Spannungsabfalls über die Leiterbahn (2) sowie eine zweite Stromstärke eines Stromes durch die Leiterbahn (2) zum zweiten Zeitpunkt ermittelt wird, wobei aus den ermittelten Stromstärken und Spannungswerten, der ermittelten Leistung, sowie einem Temperaturkoeffizienten der Leiterbahn (2) ein Wert für den Wärmewiderstand der Leiterplatte (1) gebildet und ausgegeben und/oder gespeichert wird.1. A method for determining a value of a thermal resistance of a printed circuit board (1), wherein the printed circuit board (1) at least one conductor track (2), wherein in the conductor track (2) an electric power is introduced, wherein a first voltage value of a voltage drop across the Conductor (2) and a first current intensity of a current through the conductor (2) is determined at a first time at the beginning of the introduction of electrical power, wherein the introduced electrical power is determined until reaching a second time, wherein at the second time of the voltage drop and / or the current intensity in a substantially linear course, wherein a second voltage value of a voltage drop across the conductor track (2) and a second current of a current through the conductor track (2) is determined at the second time, wherein the determined currents and voltage values , which determined performance, as well as a Temperaturk (2) a value for the thermal resistance of the printed circuit board (1) is formed and output and / or stored. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterbahn (2) ein vorgegebener im Wesentlichen konstanter Strom zugeführt wird, und dass lediglich die Spannungswerte an der Leiterbahn (2) gemessen werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the conductor track (2), a predetermined substantially constant current is supplied, and that only the voltage values at the conductor track (2) are measured. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten eines im Wesentlichen linearen Anstiegs des Verlaufes des Spannungsabfalls und/oder der Stromstärke eine Steigung des linearen Anstiegs ermittelt wird, und dass vor Ermittlung des zweiten Spannungswerts und/oder der Leistung das Produkt aus Steigung und Zeitdauer von dem aufgenommenen zeitlichen Verlauf des Spannungsabfalls und/der der Stromstärke subtrahiert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that when a substantially linear increase in the course of the voltage drop and / or the current strength, a slope of the linear increase is determined, and that before determining the second voltage value and / or the power Product of slope and time is subtracted from the recorded time course of the voltage drop and / of the current. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zweiten Spannungswert und dem ersten Spannungswert ein Differenzspannungswert gebildet wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that from the second voltage value and the first voltage value, a differential voltage value is formed. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Wärmewiderstandes der Leiterplatte (1) ermittelt wird, indem der Quotient aus dem Differenzspannungswert und dem Produkt aus erstem Spannungswert, elektrischer Leistung bis zum zweiten Zeitpunkt und Temperaturkoeffizient der Leiterbahn (2) gebildet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the value of the thermal resistance of the printed circuit board (1) is determined by the quotient of the Differenzspannungswert and the product of the first voltage value, electrical power formed until the second time and temperature coefficient of the conductor (2) becomes. 6. Messanordnung (3) zur Ermittlung eines Wertes eines Wärmewiderstandes einer Leiterplatte (1) mit wenigstens einer Leiterbahn (2), wobei die Messanordnung (3) eine elektrische Energiequelle (4) aufweist, welche mit zwei Kontaktbereichen (5) der Messanordnung (3) zur Kontaktierung der Leiterbahn (2) verbunden ist, wobei die Kontaktbereiche (5) mit einer Spannungsmessanordnung (6) der Messanordnung (3) verbunden sind, und wobei die Spannungsmessanordnung (6) mit einer Einheit (7) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verbunden ist.6. Measuring arrangement (3) for determining a value of a thermal resistance of a printed circuit board (1) having at least one conductor track (2), wherein the measuring arrangement (3) has an electrical energy source (4) which is connected to two contact areas (5) of the measuring arrangement (3 ) is connected to the contacting of the conductor track (2), wherein the contact areas (5) with a voltage measuring arrangement (6) of the measuring arrangement (3) are connected, and wherein the voltage measuring arrangement (6) with a unit (7) for performing the method according to of claims 1 to 5 is connected. 7. Messanordnung (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle (4) als Konstantstromquelle (8) ausgebildet ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen7. measuring arrangement (3) according to claim 6, characterized in that the electrical energy source (4) is designed as a constant current source (8). For this 2 sheets of drawings
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US4713612A (en) * 1986-07-14 1987-12-15 Hughes Aircraft Company Method and apparatus for determination of junction-to-case thermal resistance for a hybrid circuit element
DE102012208216A1 (en) * 2012-05-16 2012-12-20 Carl Zeiss Smt Gmbh Method for determining thermal resistance or thermal conductance between measuring points on coupling element of lithography system, involves calculating thermal resistance and thermal conductance between measuring points

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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Anmerkung: Zu den Patentansprüchen 8 und 9 wurde wegen mangelnder Einheitlichkeit gemäß § 88 PatG keine Recherche durchgeführt. *

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