Caratterizzazione e simulazione termica insieme

PROGETTAZIONE –

Mentor Graphics riunisce lo strumento T3Ster e il software di simulazione FloTherm in una soluzione integrata che consente di automatizzare la creazione dei modelli termici di circuiti integrati e Led.

La miniaturizzazione dei sistemi elettronici e la diffusione di componenti che generano molto calore, come i Led, rende sempre più importante il ruolo dell'analisi termica come strumento per garantire il buon funzionamento e l'affidabilità dei prodotti. Purtroppo, però, l'industria elettronica nel suo complesso non sembra essere ancora del tutto preparata a questa nuova sfida: spesso, infatti, i produttori di componenti forniscono informazioni molto scarse sul comportamento termico dei loro dispositivi, talvolta limitandosi al semplice dato di dissipazione complessiva espresso in Watt. Il software di simulazione termica, invece, richiede che ogni componente sia descritto tramite una sorta di “circuito termico” comprendente resistenze (gli ostacoli al trasferimento del calore, dalla giunzione verso l'ambiente esterno) e capacità (le masse che accumulano calore). Fino a ieri questa lacuna doveva essere colmata dagli utilizzatori, con l'impiego di specialisti esperti e la creazione di modelli termici inevitabilmente imprecisi. Oggi una nuova soluzione realizzata da Mentor Graphics consente di automatizzare la creazione di modelli termici accurati, tramite un test condotto sul componente in carne e ossa, e di rendere tali modelli direttamente utilizzabili dal simulatore termico. La soluzione si basa sull'integrazione di due prodotti preesistenti: il tester di transitorio termico T3Ster, uno strumento hardware rivolto alle misure sui contenitori dei circuiti integrati e sui Led, e il software di simulazione termica FloTherm, un sofisticato programma di fluidodinamica computazionale.

La soluzione integrata
Come ha spiegato a Selezione di Elettronica Erich Buergel, responsabile della divisione di analisi meccanica di Mentor Graphics, il software FloTherm è stato sviluppato originariamente dalla britannica Flomerics, società specializzata che Mentor ha acquisito nel 2008. Si tratta, secondo il produttore, dello “standard di fatto” per la simulazione e l'analisi termica nel settore elettronico; la soluzione può essere utilizzata per la stima dei flussi d'aria, delle temperature e dello scambio termico in tutte le apparecchiature elettroniche, dai singoli componenti fino ai sistemi completi. Lo strumento T3Ster (che, stando a quando dichiarato da Mentor, è attualmente l'unica soluzione disponibile sul mercato pienamente conforme al nuovo standard Jedec JESD51-14 per la misura della resistenza termica junction-to-case nei semiconduttori di potenza) è invece stato creato da uno spinoff dell'università di Budapest, successivamente acquisito da Flomerics. T3Ster è un sistema hardware che effettua misure di “transitorio termico” sui componenti elettronici: in parole povere, il sistema toglie l'alimentazione al dispositivo in esame e registra l'esaurimento progressivo del calore, misurando direttamente la curva di impedenza termica. Nel caso dei Led, l'aggiunta di un apposito modulo (TeraLed) consente di rilevare anche la curva di esaurimento dell'emissione luminosa, indispensabile per una caratterizzazione completa. La realizzazione di una soluzione integrata è stata ottenuta collegando i due elementi tramite un'apposita interfaccia software (sia su T3Ster, sia in FloTherm) che trasforma i dati rilevati dal tester in un modello composto di resistenze e capacità termiche, immediatamente utilizzabile dal simulatore.

I vantaggi
Come si è detto, FloTherm di Mentor consente di implementare prototipi virtuali utilizzando avanzate tecniche di Cfd (fluidodinamica computazionale) per la simulazione di flussi d'aria, di temperature e di scambi termici nei sistemi elettronici. Grazie ad analisi termiche accurate diviene possibile effettuare valutazioni e test automatizzati dei progetti prima della costruzione fisica dei prototipi. Coloro che già utilizzano FloTherm potranno trarre ulteriori vantaggi dall'integrazione con T3Ster: la disponibilità di modelli accurati di simulazione termica derivanti da misurazioni reali, e la capacità di testing della caratterizzazione termica dei package. Queste ultime misure consentono di osservare la struttura interna dei package, in termini di resistenze e capacità termiche. Il software di simulazione può quindi fornire informazioni su specifiche sezioni del progetto corrispondenti alla struttura sottoposta a misura. I materiali di interfaccia termica risultano particolarmente difficili da modellizzare, poiché la loro conduttività e il loro spessore non possono essere determinati con precisione elevata. Di conseguenza, le metriche termiche dei package raccolte mediante T3Ster (basate sulla resistenza di tali materiali) possono essere successivamente utilizzate per la realizzazione di modelli accurati all'interno di FloTherm. Questo processo integrato consente di creare rapidamente modelli accurati, di individuare eventuali difetti progettuali e anche di controllare la qualità produttiva.

Le applicazioni
La soluzione integrata composta dallo strumento T3Ster e dal software FloTherm si presta a una varietà di applicazioni; la simulazione termica, infatti, è una necessità che oggi riguarda tutti gli anelli della “filiera elettronica” (produzione di componenti, sottosistemi e sistemi) e diverse fasi dell'attività (non solo la progettazione, ma anche la produzione, il collaudo, il controllo qualità). I produttori di circuiti integrati e di Led possono utilizzare la nuova soluzione per creare modelli termici più precisi, automatizzare la creazione dei medesimi, ottimizzare i contenitori dal punto di vista della dissipazione termica; i progettisti di sottosistemi e sistemi possono impiegarla per sopperire alla scarsità di informazioni sul comportamento termico dei componenti o per convalidare i modelli termici creati dagli esperti, confrontandoli con la caratterizzazione ottenuta testando il componente in carne e ossa. In tutti i casi il miglioramento della qualità di simulazione termica si tradurrà in una migliore gestione termica a livello di sistema e quindi in una maggiore affidabilità del prodotto. La disponibilità di questa nuova soluzione è quindi un fatto certamente positivo per l'industria elettronica. In prospettiva, ancora più positivo sarebbe che tutti i produttori di componenti fornissero sempre ai loro clienti modelli termici accurati, almeno i modelli compatti Delphi che veicolano le informazioni necessarie per la simulazione termica senza rivelare segreti industriali. Secondo Erich Buergel, effettivamente, nel prossimo futuro i produttori di componenti inizieranno ad offrire una maggiore quantità di informazioni sul comportamento termico dei dispositivi.

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