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La progettazione termica interconnette
quella meccanica e quella elettronica
La gestione del calore non rappresenta solo una sfida multi-discipli-
nare: è anche una sfida multi-livello. Se un package IC è ottimizza-
to dal punto di vista termico non è detto che lo sia anche l’intero
sistema. Così come una efficace gestione termica a livello del PCB non
basta per garantire una elevata affidabilità. La progettazione e l’analisi
termica devono essere condotte su molteplici livelli, che includono gli IC,
i PCB, nonché l’involucro esterno del prodotto. Il software utilizzato per
le analisi di fluidodinamica computazionale, o CFD (Computational Fluid
Dynamics) deve interconnettere tutti questi livelli, abbracciando molteplici
discipline tecniche, per assicurare che vengano considerati i fenomeni di
trasferimento termico per convezione, conduzione e irraggiamento dell’in-
tero sistema e lungo l’intero percorso di sviluppo, dalla progettazione alla
produzione fisica. L’ottimizzazione del sistema di raffreddamento di un di-
spositivo elettronico comporta la manipolazione di molteplici variabili pro-
gettuali, come la portata del flusso d’aria, il posizionamento delle ventole
e delle griglie di aerazione, nonché il dimensionamento dei dispersori e la
disposizione fisica delle schede. I progettisti ottengono i migliori risultati
se affrontano la gestione del calore con un approccio di tipo omnicom-
prensivo, sia quando a occuparsene è un unico ingegnere che, all’interno
di una piccola azienda, viene investito dell’intero processo di progetta-
zione e di ottimizzazione, sia quando sono svariati team di ingegneri che,
distribuiti in diverse località del pianeta, sono incaricati della realizzazione
di diversi componenti, poi assemblati in un unico prodotto finale.
Gli ingegneri meccanici, che utilizzano software per la progettazione mec-
canica automatizzata, sono responsabili per tutti gli aspetti della progetta-
zione fisica del prodotto, a eccezione di quelli relativi agli IC e ai PCB. Devo-
no quindi collaborare con gli ingegneri elettronici, che invece utilizzano
analoghi software specializzati per la progettazione elettronica. Questi due
domini erano tipicamente collegati tra loro solamente mediante massicci
trasferimenti di dati grezzi (racchiusi in file aventi formati neutrali, come
l’IDF), solitamente senza alcun pre-filtraggio della sola porzione rilevante
ai fini termici. Una progettazione termica sofisticata necessita di informazi-
oni progettuali elettroniche molto accurate (come ad esempio le geometrie
delle singole tracce), al fine di valutare gli effetti ai fini del raffreddamento,
nonché tutte le interazioni tra i diversi componenti. Ciò comportava una
mole di dettagli progettuali difficilmente gestibile, che spesso costringeva
il progettista a semplificare manualmente il modello ai fini delle simulazio-
ni fluidodinamiche, oppure ad accettare tempi di elaborazione eccessivi
per la CFD, e i conseguenti rischi per la convergenza del progetto.
Tuttavia gli odierni software di CFD, come FloTHERM® XT di
consentono agli ingegneri incaricati della progettazione ter-
mica di simulare e analizzare un sistema fino al raggiungimento di una
soluzione di raffreddamento soddisfacente, utilizzando dati progettuali
dettagliati importati automaticamente dai diversi tool di progettazione
meccanica ed elettronica usati dai suoi colleghi. Con la tecnologia sof-
tware più recente, è possibile effettuare controlli immediati, determina-
re trend, condurre analisi efficienti e accurate, facendo progredire ra-
pidamente lo sviluppo grazie alla possibilità di risolvere più problemi
in meno tempo, e di fatto anticipando una parte del lavoro svolto dagli
specialisti nelle fasi finali della verifica. Ciò può ridurre drasticamente
i tempi di sviluppo necessari: da più settimane a pochi giorni, o addi-
rittura a una sola notte. I progettisti possono in tal modo permettersi di
collaudare svariate opzioni alternative, applicando un approccio di “pro-
gettazione sperimentale”, per ottenere un prodotto molto più competitivo
o più affidabile, oppure decidere di utilizzare i più brevi cicli di sviluppo
per ridurre il time-to-market. I moderni tool di analisi termica, veloci e
accurati, possono essere utilizzati sia dagli ingegneri progettisti sia dagli
esperti di ottimizzazione termica, collegando in modo più efficiente le
diverse discipline necessarie per creare il prodotto finale.
Per maggiori informazioni:
technical-specifications
Un esempio di applicazione di questo approccio può essere osservato
nell’analisi delle soluzioni di raffreddamento per i dispositivi elettronici
palmari, come i tablet. Come spiega Bill Maltz di Electronic Cooling Solu-
tions, nei tablet ad alte prestazioni, per smaltire le elevate densità di po-
tenza, è necessario utilizzare sistemi a convezione forzata. Il suo gruppo
ha utilizzato FloTHERM XT per affrontare le sfide presenti nel progetto
termico di un tablet a convezione forzata. Dopo aver realizzato un model-
lo termico del tablet, ne hanno analizzato le possibili tecniche di gestione
del calore. Ciò ha facilitato l’analisi quantitativa della distribuzione del
calore all’interno del dispositivo, dell’effetto degli spazi vuoti presenti in
diverse posizioni, nonché degli effetti dell’irraggiamento. Il modello, che
è stato calibrato e validato sulla base di una caratterizzazione sperimen-
tale, è servito come sistema di test per la valutazione di diverse tecniche
alternative di gestione termica, senza comportare i costi correlati alla
costruzione di prototipi di test. I tablet rappresentano un buon esempio
delle sfide sia multi-disciplinari sia multi-livello presenti nella realizza-
zione della sofisticata tecnologia odierna. Il futuro di questi comples-
si prodotti dipende dalla capacità di far lavorare insieme al meglio gli
ingegneri addetti allo sviluppo delle componenti software, meccanica,
elettrica e termica del dispositivo, in modo da metterli in condizione di
prendere le migliori decisioni progettuali.
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45 - ELETTRONICA OGGI 450 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2015