În zilele noastre componentele electronice sunt prezente in aproape orice produs, ele devenind tot mai mici, fiind nevoie deci de algoritmi de calcul foarte preciși pentru a preîntâmpina posibilitatea defectării acestora.

Ansys Icepak este un instrument software CAE puternic care le permite inginerilor să modeleze transferul de căldură din circuitele electronice putând astfel să se reducă timpul necesar de apariție pe piață prin reducerea numărului de teste de laborator, putând fi utilizat pentru a rezolva probleme la nivel de component, la nivel de PCB sau la nivel de sistem.

Trebuie menționat faptul că toate funcțiile necesare pentru construirea unui model Ansys Icepak, calcularea unei soluții și examinarea rezultatelor, pot fi accesate din interfața interactivă bazată pe meniuri Ansys Icepak.

Importanța ETM 

Defectarea dispozitivelor electronice poate apărea prin mai multe mecanisme fizice. Aproape toate aceste mecanisme sunt cauzate de prezența unor temperaturi mai ridicate. Dintre aceste mecanisme amintim: scurgeri de curent (care se dublează la fiecare 10 ℃ în dispozitivele semiconductoare active), degradarea performanței electrice datorită înrăutățirii proprietăților cu creșterea temperaturii, electro-migrare, tensiuni mecanice cauzate de materiale cu diferiți coeficienți de dilatare termică, coroziune, etc.

De unde vine căldura?

Când un semnal electric sau electromagnetic trece printr-un dispozitiv, o parte din energie este transmisă ca semnal util sau date utile. Restul se pierde sub formă de căldură în interiorul dispozitivului. Căldura care nu este îndepărtată va rămâne în dispozitivul respective și îl va degrada sau deteriora.

Cât de multă căldură există in dispozitivul electronic?

Așa cum am văzut, căldura este întotdeauna prezentă în orice sistem electronic în funcționare. Una din întrebările importante, la care răspunsul este dat de calculul bilanțului termic este “cât de multa căldură este generată?”. Din acest punct de vedere putem avea:

– Dispozitive pasive: rezistori, inductori, condensatori, bus-bar-uri, traces, vias-uri, condensatori

– Semiconductoare active: componente discrete (diode, FET-uri, IGBT-uri etc.), IC package

– Dispozitive electromagnetice: dispozitive de frecvență joasă; motoare, generatoare, transformatoare și dispozitive de înaltă frecvență; radare, RFIC-uri, comunicații fără fir (wireless), microunde, pierderi dielectrice etc.

Deci, o analiză electromagnetică detaliată la nivel de circuit, sistem sau package este necesară pentru a evalua exact cantitatea de căldura pierdută de fiecare dispozitiv. Calculele electromagnetice ne spun câtă căldură este generată în fiecare dispozitiv.

Unde se duce căldura?

Răspunsul la această întrebare este dat calculul transferului de căldură din bilanțul termic.

Căldura de la toate dispozitivele din sistemul electronic curge prin diferite căi din cadrul sistemului și este în cele din urmă dispară în aerul din ambiant sau într-un lichid de răcire dedicat., iar un design termic neadecvat poate duce la temperaturi periculoase!

Soluțiile ANSYS pentru managementul termic al electronicelor

În figura de mai jos se prezintă soluțiile Ansys în funcție de diferite mecanisme de transfer termic și tipul de solver Ansys.

Mecanismele de transfer termic existente în natura sînt: conducție, convecție și radiație. In funcție de posibilitatea modelării acestor mecanisme Ansys oferă o gamă varaită de produse.

Astfel, avem prima gamă de produse bazate pe solvere CFD care pot modela toate mecanismele de transfer termic. Cele două solvere disponibile în această gamă sunt: Fluent și CFX. Bazat pe aceste solvere avem la dispoziție următoarele produse software: Ansys Fuent, Ansys CFX, Ansys Icepak.

Pe lânga aceste produse, mai există Ansys Mechanical, care este un produs bazat pe solverul Mechanical APDL și care poate modela mecanismele de transfer termic prin conducție și radiație.

Trebuie menționat faptul că Ansys Icepak este un produs CFD, bazat pe solverul foarte puternic Fluent, el fiind dedicat calculelor termice ale produselor electronice (Chip-uri, PCB-uri, Package-uri electronice, etc.).

De asemenea, Ansys Icepak există în mai multe variante și anume, Ansys Icepack stand-alone, Ansys Icepak sub platforma Workbench și Aansys Icepak sub platforma Ansys AEDT (Ansys Electrinics Desktop).

Versiuni ale ANSYS Icepak

Mai jos se prezintă produsele Ansys Icepak, precum si un scurt rezumat al capabilităților acestora.

După cum putem observa, AEDT Icepak poate realiza analize staționare și tranzitorii la care inputurile de puteri pot fi variabile în timp. Cu ajutorul acestui produs putem realiza geometria produsului prin intermediul unei interfețe SpaceClaim. De asemenea putem importa geometrie de tip MCAD in formate geometrice universal (step, iges, parasolid, …) sau în formatele CAD native ale producătorilor mari de produse CAD (Creo, CATIA, Solidworks, …).

Icepak AEDT se adresează atît inginerilor mecanici cît și inginerilor electroniști sau utilizatorilor de Maxwell, Q3D, HFSS (produse de calcul electromagnetic).

In cadrul platformei AEDT, Icepak se poate deschide și in Ansys SIwave (produs pentru analiza integrității semnalului și puterii). Aici se pot realiza analize staționare, analize cuplate DC IR sau Joule Heating.

Interfața Icepak AEDT

În figura de mai jos se prezintă interfața Ansys Icepak AEDT.

Două componente foarte importante ale acestei interfețe sînt History Tree și Project Manager.

În History Tree utilizatorul are posibilitatea să vizualizeze ansamblul studiat, precum și să managerizeze acest ansamblu prin descompunerea lui în subansamble. De asemenea de aici se pot introduce proprietățile de material pentru componente, crea feature-uri geometrice ca plane, sisteme de coordinate, puncte, etc. pentru postprocesare.

În Project Manager se definesc componentele din ansamblu ca Obiecte Icepak. Putem defini ventilatoare, PCB-uri, Heatsink-uri. Tot aici se pot introduce valorile puterilor pe diferite componente, sau crea diferitele condiții la limită ale domeniului de fluid (Grille, Wall, Opening,…). De asemenea putem defini setările de solver în funcție de specificul analizei; cu convecție naturală sau forțată, radiație, curgere laminară sau turbulentă. De asemenea operațiile de postprocesare se definesc tot în Project Manager.

Mai jos se prezintă câteva opțiuni din Project Manager.

Componente Icepak 3D

Componentele native 3D din Icepak sunt obiecte detaliate cu geometrie complex. Componentele 3D disponibile în Icepak includ: Ventilatoare (Fans), Radiatoare (Heatsink), PCB.

Fig. 9 – Componente (Obiecte Icepak)

Ventilatoarele sunt obiecte 2D sau 3D folosite pentru a mișca fluidul în afara sau în interiorul domeniului. Formele disponibile sunt: circular, dreptunghiular sau poligonal. Din punctul de vedere al debitului putem modela ventilatoare cu debit de volum fix, debit de masa fix sau ventilatoare în care debitul volumetric este in funcție de presiune. Ventilatoarele cu debit fix sunt întotdeauna amplasate pe granița unui domeniu. Direcția de curgere a ventilatorului determină dacă este vorba despre un ventilator de admisie sau de un ventilator sau un ventilator de evacuare.

În figura următoare se prezintă ventilatoare de evacuare 2D și 3D, cu debit fix.

Ventilatoarele cu debit variabil pot fi localizate oriunde în cadrul domeniului sau pe limita domeniului. De asemenea există opțiuni suplimentare pentru a specifica Swirl, Hub Power și materiale.

Radiatoarele (Heatsink) sunt obiecte Icepak 3D. Tipuri de aripioare acceptate: extrudat, extrudat transversal, cylindric.

Fig. 12 – Definirea unui radiator (heatsink) în Icepak AEDT

Ca date de intrare pentru definirea unui radiator avem planul de așezare, caracteristicile geometrice ale bazei și dimensiunile și numărul aripioarelor. De asemenea este necesară introducerea direcției de curgere a aerului.

In ceea ce privește PCB-urile, acestea sunt structuri complexe formate în principal din straturi de cupru și un material dielectric. Trace-urile și vias-urile de cupru au dimensiuni mult mai mici decât dimensiunea totală a PCB-ului, astfel că modelarea pentru analiza PCB-ului cu toate straturile și detaliile este costisitoare din punct de vedere computațional. Astfel, este recomandat să alegem nivelul de detaliu necesar care oferă rezultate acurate fără a avea un număr mare de celule și să necesite timpi de rulare foarte mari.

Astfel putem opta pentru o modelare simplificată a plăcii, folosind un model material anisotropic care are o valoare pentru conductivitatea în plan și altă valoare în lungul unei direcții perpendiculare pe plan.

Dar dacă dorim un nivel de acuratețe mai mare putem importa fișiere ECAD care conțin informațiile aferente geometriei precum și dielectricului și straturilor de cupru. Astfel Icepak AEDT suportă diferite formate ECAD cum ar fi: EDB, AND, ODB++, IPC 2581, GERBER etc.

Fig. 13 – Importul unui fișier ECAD

Apoi in interfața HFSS 3D Layout putem verifica și/sau modifica informația despre materialul conductor (Cupru), despre materialul dielectric precum și grosimile acestor layere.

În figura de mai jos se arată un ansamblu în care PCB-ul a fost importat dintr-un format de fișier ECAD, cu avantajul că analiza se va face ținând cont de conductivitatea reală a materialelor care intră în componența plăcii.

Vizualizarea rezultatelor

Odată ce toate datele necesare analizei au fost introduse se poate trece la vizualizarea rezultatelor. Astfel putem plota mărimile fizice de interes în format 3D, în plane de secțiune sau sub formă de grafice.

În concluzie

Ansys Icepak de sub platforma AEDT (Ansys Electronicd Desktop) este un instrument facil ce poate fi folosit în studiul termic al componentelor electronice. El se adresează atât inginerilor mecanici cât și inginerilor electroniști. Poate crea analize staționare sau tranzitorii și poate modela toate mecanismele de transfer termic (conducție, convecție, radiație). Poate fi utilizat în studii de optimizare sau senzitivitate odată ce avem la dispoziție un model parametrizat. În ceea ce privește postprocesarea putem plota câmpuri de temperaturi, viteze, presiuni, etc sau putem prezenta rezultate sub formă de grafice.