Miniaturizzazione del prodotto e gestione termica: la sfida della progettazione elettronica

L’elettronica è intorno a noi, ovunque. Qualsiasi prodotto tecnologico con cui interagiamo quotidianamente, dal frigorifero all’automobile, senza dimenticare smartphone e computer, per funzionare sono dotati di sistemi con schede elettroniche e circuiti integrati che ci consentono l’utilizzo del bene.
In tutti gli ambiti si assiste a un continuo processo di miniaturizzazione del prodotto a causa della spinta del mercato che richiede sistemi con minore ingombro, più leggeri, più ergonomici, con maggiori funzioni.
La necessità di realizzare schede elettroniche sempre più compatte costringe il progettista a gestire volumi sempre più piccoli con conseguente aumento della densità di componente e della potenza termica da smaltire.
In questo articolo illustriamo le principali sfide legate alla gestione termica del calore nei sistemi elettronici e di come l’utilizzo di sistemi integrati che permettano il passaggio delle informazioni tra software ECAD, MCAD e CFD aiutino le aziende a velocizzare il workflow e a realizzare prodotti migliori.

 

 

Un solo prodotto, molte competenze

Una delle sfide principali attuali della progettazione elettronica è proprio quella è legata alla gestione termica del prodotto. Si tratta di una attività multi-disciplinare che coinvolge sia gli aspetti della progettazione elettronica (ovvero quella che determina i carichi termici da smaltire) che quelli della progettazione e meccanica del prodotto (ovvero quella che deve provvedere a gestire al meglio il calore generato dal prodotto).
Purtroppo capita spesso che le funzioni di progettazione elettronica e meccanica siano due mondi separati, che portano avanti autonomamente i propri compiti con pochi punti di contatto con la controparte con cui dovrebbero interagire.
Per questo motivo risulta fondamentale che l’azienda utilizzi strumenti che siano in grado di far dialogare questi due mondi, in maniera da consentire a entrambi di sviluppare rapidamente la propria parte di progetto condividendo facilmente e tempestivamente le informazioni tra le varie aree coinvolte, in maniera da ridurre i tempi e i costi legati alle varie iterazioni necessarie a completare lo sviluppo del prodotto.

Prodotti elettrici più compatti con maggiori funzionalità

Nel corso degli anni lo sviluppo tecnologico ci ha fatto assistere a una progressiva miniaturizzazione del prodotto, parallelamente all’aumento di funzionalità. Se pensiamo al “telefono mobile” (o cellulare), si trattava di un dispositivo con un piccolo display monocromatico con tastiera numerica. Le funzioni che doveva gestire erano essenzialmente le chiamate vocali, i messaggi sms e il software a corredo forniva un calendario, l’orologio, un gioco (Snake) e poco più.

La sua evoluzione odierna, lo smartphone, è un prodotto decisamente differente. Si tratta di un condensato di tecnologia in cui il dispositivo di input adesso è un display multi-touch ad alta risoluzione, dispone di fotocamera (tipicamente più di una), accelerometro, GPS, collegamenti wireless wi-fi, bluetooth, nfc, e alcuni modelli anche di pulsossimetro. Grazie alla moltitudine di app e all’evoluzione delle reti mobili ci aiuta a gestire praticamente tutti gli aspetti della nostra vita da quelli personali a quelli professionali (oltre ovviamente a permetterci di fare le telefonate).

Sebbene quello degli smartphone rappresenti un caso estremo, le medesime problematiche sono affrontate quotidianamente dalle aziende che producono dispositivi elettronici, anche se in scala differente.

 

 

Garantire durevolezza e affidabilità

Il processo di miniaturizzazione determina una serie di conseguenze in cascata:

• Maggiori componenti sulla scheda comportano un maggiore quantitativo di potenza elettrica richiesta per alimentare il dispositivo
• Maggiori consumi comportano un quantitativo maggiore di potenza elettrica dissipata sotto forma di calore
• Dimensioni di prodotto più compatte determinano una maggiore densità di calore da smaltire
• Una maggiore densità di calore induce nei componenti una temperatura di funzionamento maggiore

Sfortunatamente i componenti elettronici hanno una temperatura massima di funzionamento ben definita. A seconda del tipo di componente la temperatura ammissibile può variare tra 80°C per le parti per applicazioni civili fino a spingersi fino ai 150°C per le parti per applicazioni militari. Esiste sempre e comunque una temperatura limite oltre la quale non è garantito il funzionamento del componente.
Inoltre, come regola generale, anche se si rimane al di sotto della temperatura ammissibile, maggiore è la temperatura raggiunta dal componente nelle condizioni di funzionamento, minore sarà la sua durata.
Per questo motivo, sia per aumentare l’affidabilità del prodotto che per ridurre il rischio dei costi dovuti ai ritorni dal campo, diventa essenziale una buona progettazione termica del prodotto elettronico.

 

 

Prevenire rotture indesiderate

Benché meno frequente rispetto alla temperatura massima di funzionamento, un altro fenomeno fisico sgradito che si manifesta nei prodotti elettronici è quello della dilatazione termica differenziata tra i vari componenti. Fenomeno che potrebbe portare a deformazioni termo-elastiche indesiderate per arrivare fino all’estremo della rottura della PCB.
Il prodotto elettronico è infatti costituito da materiali differenti che sono saldati, incollati, avvitati tra di loro. Il coefficiente di dilatazione termica della PCB, costituita da un laminato di rame e resina fibra di vetro, è tipicamente molto differente da quello dell’housing di alluminio su cui è avvitata.
A causa della distribuzione di temperatura durante l’esercizio potrebbero nascere delle situazioni estreme in cui il livello di deformazione e di sollecitazione sulla PCB potrebbero pregiudicarne sua il corretto funzionamento che la resistenza strutturale.
Anche in questo caso la corretta progettazione termica del prodotto aiuta a tenere sotto controllo questo effetto indesiderato.

 

 

Quale strategia di raffreddamento utilizzare?

Esiste più di un meccanismo di trasferimento del calore che il progettista può utilizzare per la gestione termica del prodotto.
La fisica ci dice che il calore fluisce spontaneamente da un corpo caldo (a temperatura più alta) a uno freddo (a temperatura più bassa) mediante tre meccanismi: conduzione, convezione, irraggiamento. Per il progettista questo si traduce in un ampio ventaglio di possibilità, dall’utilizzo di thermal pad all’utilizzo di dissipatori passivi, all’utilizzo di ventole, a quello sistemi di raffreddamento a liquido.
Esistono poi componenti speciali come heat-pipes e celle Peltier che utilizzano rispettivamente il cambiamento di fase di un fluido o fenomeni elettro-termici per trasferire il calore da un punto all’altro del sistema.
Può bastare un dissipatore passivo o è meglio prevedere dei sistemi attivi come ventole? Quante ventole servono? Dove sarebbe meglio posizionarle?
Rispondere a queste domande non è quasi mai banale e, nonostante i vincoli di progetto e di budget con i quali il progettista deve convivere, le possibilità sono molte e non è possibile provarle tutte sperimentalmente.

 

 

La progettazione termica con l’analisi CFD

Fortunatamente esistono varie tecnologie di analisi, come il metodo degli elementi finiti (FEM) e l’analisi fluidodinamica computazionale (CFD) che possono aiutare a dare una risposta rapida e affidabile a tutte queste domande.
Tra le due, quella che riesce a fornire tutte le informazioni che servono al progettista è l’analisi CFD in quanto permette di modellare accuratamente tutti i meccanismi di scambio termico delle schede elettroniche, ovvero:

• Conduzione termica all’interno dei solidi. I solidi possono avere caratteristiche omogenee (come i metalli) o proprietà ortotrope (come la PCB).
• Scambio termico coniugato tra solidi e fluidi ovvero la Convezione, naturale o forzata che sia.
• Irraggiamento tra corpi e sorgenti esterne. Fenomeno spesso trascurabile per la maggior parte dei prodotti, sistema di trasferimento del calore fondamentale per applicazioni spaziali come i satelliti.

 

 

Benefici dell’analisi termica CFD

È immediato comprendere come l’utilizzo di un software per l’analisi fluidodinamica CFD permetta di creare il Digital Twin termico del prodotto elettronico.
Questo approccio consente al progettista la verifica del comportamento termico del prodotto già in fase di progettazione, garantendo l’identificazione precoce di potenziali problemi e la rapida valutazione delle azioni correttive.
In altre parole la simulazione fluidodinamica CFD può aiutare le aziende che realizzano sistemi elettronici a creare prodotti migliori, riducendo gli errori, i costi e il time-to-market.
Tutto questo si traduce in un maggior margine di profitto per l’azienda.

 

Fonte: www.blog.smartcae.com