Che cos'è la gestione termica dell'elettronica?

La gestione termica dell'elettronica è una disciplina ingegneristica focalizzata sulla gestione efficiente del calore nei dispositivi e nei sistemi elettronici. Utilizza la fisica della conduzione termica, convezione, radiazione e termodinamica per mantenere le temperature dei componenti entro l'intervallo operativo accettabile. Se non controllate, le temperature aumenteranno, le prestazioni dei componenti diminuiranno e alcune parti potrebbero guastarsi. Inoltre, le connessioni tra componenti e package possono indebolirsi e rompersi. Ogni volta che si sente una ventola soffiare dal laptop o si sente il​ calore sul retro dello smartphone, si sperimenta la gestione termica. 

I dispositivi elettronici funzionano facendo scorrere una corrente elettrica attraverso circuiti e componenti elettronici. Cavi, tracce di circuiti stampati, connessioni, package di chip e componenti generano calore mentre la corrente fluisce attraverso il circuito. Quando il calore non viene gestito in modo efficace, la temperatura in ciascun'area di un dispositivo elettronico aumenta, modificando le proprietà dei materiali. Tali modifiche alle proprietà possono creare molteplici problemi, tra cui una maggiore resistenza, una minore resistenza meccanica, una distorsione del segnale e, in ultima analisi, una riduzione delle prestazioni del prodotto e un'esperienza utente scadente. Inoltre, i materiali si dilatano quando riscaldati e si contraggono quando vengono raffreddati, sottoponendo i componenti a stress che possono portare a guasti meccanici, affaticamento e invecchiamento prematuro del componente o del sistema. 

Dai telefoni cellulari e dai veicoli elettrici al raffreddamento delle telecamere CMOS sui satelliti, la gestione termica gioca un ruolo importante nelle prestazioni complessive e nella robustezza delle odierne applicazioni elettroniche. Ecco perché è essenziale una comprensione completa delle opzioni disponibili. La sua applicazione è diventata una parte fondamentale dello sviluppo del prodotto e dovrebbe essere inclusa in ogni fase del processo di progettazione. 

Prima di discutere i dettagli della gestione del calore in eccesso, dovremmo ricordare che la scala di un sistema elettronico gioca un ruolo essenziale negli strumenti che gli ingegneri possono utilizzare per gestire il calore. I package dei chip semiconduttori presentano sfide diverse per quanto riguarda la generazione del calore e il suo smaltimento rispetto ai circuiti stampati (PCB). Allo stesso modo, gli involucri con più circuiti stampati e altre fonti di calore, come gli alimentatori, richiedono soluzioni diverse da gruppi come rack o interi datacenter. Le classificazioni sono soluzioni di gestione termica a livello di chip, a livello di componente, a livello di scheda e a livello di sistema. 

Un'altra importante distinzione è la gestione termica passiva rispetto a quella attiva. Gli approcci al raffreddamento dei componenti elettronici che non utilizzano energia sono chiamati soluzioni di raffreddamento passivo. Le soluzioni di raffreddamento attivo utilizzano l'energia, solitamente l'elettricità, per aumentare la velocità dei fluidi convettivi o per alimentare un dispositivo termodinamico o termoelettrico. Il raffreddamento passivo è generalmente preferito perché non utilizza energia, non ha parti mobili ed è economicamente più conveniente. I progetti includono sistemi attivi perché gli schemi di gestione del raffreddamento passivo non possono mai raffreddare un dispositivo al di sotto della temperatura ambiente o quando i sistemi passivi non hanno le prestazioni termiche necessarie. 

Di seguito è riportato un elenco delle metodologie di gestione termica efficaci più comuni utilizzate oggi, suddivise in soluzioni passive e attive.

Metodi di gestione termica passiva

Materiali di interfaccia termica (TIM): materiale tra e intorno ai componenti utilizzati per isolare tali componenti dalle alte temperature o per trasferire il calore lontano dalle fonti di calore. Nell'isolamento e nell'incapsulamento, varie resine acriliche, epossidiche, siliconiche e uretaniche rivestono o racchiudono completamente un componente, un gruppo o l'intero dispositivo. Ulteriori tipi di materiali tra i componenti, inclusi adesivi, gel e grassi, garantiscono un'elevata conduttività termica tra gli elementi.

Diffusori di calore: oggetto che trasferisce il calore da un punto caldo a un luogo più freddo o a un'altra soluzione di gestione termica. La geometria e il materiale di un package di semiconduttori, circuito stampato o involucro elettronico allontanano l'energia termica dai punti caldi. A livello di package e di scheda, vengono utilizzati array di griglie a sfera, cavi, vie e piani di massa. Nei contenitori, il calore proveniente dalle schede e dall'elettronica di potenza viene trasferito direttamente all'involucro o ad altri dispositivi di gestione del calore tramite elementi di fissaggio e bloccaggi a cuneo.

Convezione libera: il meccanismo di raffreddamento più comune ed economico è la convezione naturale dell'aria attorno a un oggetto ad alta temperatura. Poiché l'aria calda sale a causa della forza ascensionale, l'energia termica di un oggetto caldo si sposta nell'aria, quindi verso l'alto e lontano dal componente, attirando aria più fredda per sostituire quella calda. Sebbene l'aria sia il fluido più comune nella convezione libera, le applicazioni più impegnative utilizzano altri gas e liquidi. 

Dissipatori di calore: oggetto collegato a una fonte di calore e che conduce il calore lontano dall'oggetto sorgente e quindi lo dissipa attraverso il trasferimento di calore convettivo a un fluido. Il design dei dissipatori di calore massimizza la quantità di superficie da cui il fluido convettivo può assorbire calore. I dissipatori di calore si trovano più comunemente su fonti di calore come CPU, componenti elettronici di potenza e laser. 

Condotti termici: dispositivo che utilizza il cambiamento di fase in un materiale volatile per assorbire energia termica da una fonte di calore. L'energia converte il liquido in vapore e il vapore viaggia lungo il condotto termico fino all'altra estremità, dove si condensa e ritorna all'estremità calda per ripetere il ciclo. 

Radiatore a infrarossi: grande piastra metallica piatta che utilizza la radiazione infrarossa per trasferire l'energia termica lontano dalla piastra. I progetti includono radiatori per applicazioni in cui non è possibile convogliare o condurre il calore all'esterno dei sistemi, in genere nello spazio. 

Metodi di gestione termica attiva 

Convezione forzata e raffreddamento ad aria forzata: dispositivi alimentati che utilizzano ventole o ventilatori per creare un flusso d'aria su componenti o dissipatori di calore. La maggiore velocità dell'aria aumenta il trasferimento di calore convettivo e, quindi, assorbe più calore dall'oggetto. 

Raffreddamento a liquido: metodo di gestione termica in cui un liquido scorre su una fonte di calore per assorbire calore e rimuovere il calore dalla fonte per smaltirlo. Il raffreddamento a liquido utilizza spesso la convezione forzata o scambiatori di calore (ad esempio radiatori) per raffreddare il liquido prima che ritorni alla fonte di calore. Computer ad alte prestazioni insieme a sistemi a batteria, motori elettrici e veicoli elettrici sono esempi comuni di utilizzo del raffreddamento a liquido. 

Raffreddamento per jet impingement: soluzione di raffreddamento ad alta efficienza che fa passare un fluido attraverso un ugello sulla fonte di calore. Le velocità molto più elevate, la turbolenza e talvolta la vaporizzazione sulla superficie d'impatto aumentano significativamente il trasferimento di energia termica dall'oggetto al fluido. 

Raffreddamento a spruzzo: approccio simile al raffreddamento per jet impingement, ma in cui invece di un getto di fluido, un liquido di raffreddamento viene nebulizzato in piccole goccioline che vaporizzano quando colpiscono la fonte di calore. Questa trasformazione di fase assorbe una quantità di energia significativamente maggiore rispetto alla convezione. 

Refrigerazione: ciclo termodinamico a compressione di vapore che utilizza compressione, condensazione, espansione e cambiamento di fase per estrarre calore da una fonte. Questo approccio si rivela particolarmente utile quando la temperatura ambiente è molto superiore alla temperatura operativa richiesta per i componenti elettronici. I datacenter sono un esempio comune di utilizzo della refrigerazione per raffreddare i fluidi di lavoro per la convezione libera, la convezione forzata e i sistemi di raffreddamento a liquido.

Riscaldamento resistivo: la maggior parte dei metodi di gestione termica sono progettati per rimuovere il calore da un sistema o componente elettronico. Tuttavia, in alcune applicazioni, i dispositivi funzionano in condizioni di freddo estremo e gli ingegneri devono includere riscaldatori resistivi nei loro progetti per aumentare la temperatura entro un intervallo operativo accettabile. I riscaldatori resistivi sono comuni nell'elettronica spaziale, in alcuni componenti elettronici automobilistici e in varie applicazioni Internet of Things (IoT) che operano in ambienti estremi. 

Raffreddamento termoelettrico: dispositivo a stato solido che sfrutta l'effetto Peltier per convertire l'energia elettrica in energia termica. La corrente passa attraverso due materiali semiconduttori diversi, provocando un aumento della temperatura su un lato e una diminuzione della temperatura sull'altro. Questo lato a temperatura più bassa può essere collegato direttamente a un componente elettronico che richiede raffreddamento. 

Gli ingegneri che progettano sistemi elettronici, da un minuscolo microchip a un enorme datacenter, devono esplorare il comportamento termico del sistema e scegliere soluzioni di gestione termica che soddisfino i criteri di prestazioni termiche del sistema, siano convenienti e non creino problemi con i requisiti elettrici o meccanici del sistema. 

La progettazione della gestione termica dovrebbe essere integrata nel processo di progettazione complessivo del prodotto in generale e nel processo di progettazione basato sulla simulazione in particolare. Le tecniche seguenti consentono al team di sviluppo di comprendere l'applicazione, valutare rapidamente i compromessi e ottimizzare una soluzione.

Caratterizzazione dei componenti

Una soluzione efficace di gestione termica inizia con la conoscenza delle proprietà termiche dei componenti che entrano nel sistema. Il team di progettazione dovrebbe iniziare raccogliendo informazioni tecniche quali geometria, proprietà dei materiali, generazione di calore, capacità termica, condizioni operative standard e temperature operative accettabili per ogni componente elettronico e meccanico del sistema. 

Questi valori possono essere ottenuti dal fornitore, oppure potrebbe essere necessario condurre test di caratterizzazione termica. Per stimare la dissipazione del calore, gli ingegneri elettrici in genere eseguono modelli di circuiti basati sul comportamento elettrico trovato nelle schede tecniche dei componenti. La simulazione può essere utilizzata anche per determinare le deformazioni termiche ammissibili nei componenti e nelle interconnessioni o per caratterizzare il comportamento termico di un insieme di componenti. 

Valutazione dell'ambiente

Una volta che il team sa cosa sta succedendo all'interno del sistema elettronico, deve comprendere l'ambiente in cui opererà il sistema. 

Le opzioni per il raffreddamento termico nell'elettronica di consumo sono fondamentalmente diverse dalle opzioni di gestione termica disponibili nell'avionica. 

Evitare il surriscaldamento di uno smartphone è limitato a ciò che si inserisce all'interno dell'involucro e l'unico posto in cui scaricare il calore è nell'aria attorno al dispositivo. Un package avionico in un aereo da caccia dispone di aria raffreddata ad alta pressione disponibile da soffiare in un contenitore. I dispositivi IoT industriali potrebbero non avere accesso a temperature ambiente fredde, aria refrigerata o acqua. La soluzione migliore per tale applicazione potrebbe essere un dispositivo di raffreddamento termoelettrico di bordo. Allo stesso modo, gli standard e le normative di un determinato settore possono determinare quali metodologie di gestione termica possono essere utilizzate. 

Simulazione termica

L'ampia varietà di opzioni e il compromesso tra requisiti concorrenti rendono la simulazione uno strumento perfetto per lo sviluppo di una soluzione di gestione termica. 

A livello di package di chip semiconduttore, i progettisti possono ripetere l'approccio di incapsulamento, la posizione dei collegamenti di saldatura termica e delle vie termiche e lo spessore dei piani di massa. 

All'estremità opposta dello spettro dimensionale, il flusso d'aria in un datacenter all'interno e attorno ai rack su un intero piano può essere modellato e ottimizzato con la fluidodinamica computazionale (CFD). 

Il software Ansys Icepak® è un ottimo esempio di soluzione CFD progettata specificamente per il raffreddamento elettronico a livello di componente, package, scheda e contenitore. Consente agli ingegneri di importare direttamente i progetti e modellare rapidamente soluzioni di gestione termica. A livello di chip, gli ingegneri contano sul software Ansys Redhawk-SC Electrothermal™ come soluzione di approvazione per i sistemi 2.5D e 3D-IC. Il software Redhawk-SC Electrothermal si collega al software Icepak per consentire la progettazione di chip in grado di riconoscere il sistema.

Un'altra fonte di calore che gli ingegneri devono gestire è il calore generato attraverso l'uso di dispositivi elettromagnetici nelle applicazioni elettroniche. Le applicazioni ad alta frequenza come le antenne ad alta potenza producono calore a causa delle perdite nei mezzi attraverso i quali viaggiano le onde elettromagnetiche. Uno strumento come il software Ansys HFSS™ è in grado di prevedere la quantità di calore generato, successivamente applicata come condizione al contorno nelle simulazioni termiche utilizzate per ottimizzare la gestione termica nell'insieme elettronico. 

Allo stesso modo, anche le applicazioni a bassa frequenza come motori elettrici, alimentatori e ricarica wireless nell'elettronica di consumo come telefoni cellulari, smartwatch e visori VR producono calore. Il software Ansys Maxwell® è in grado di modellare tali perdite e fornire valori accurati per le fonti di calore durante la simulazione di soluzioni elettroniche di gestione termica. 

Una volta che la progettazione di componenti e assemblaggi è stata caratterizzata mediante simulazione o test, è possibile rappresentarli come modelli di ordine ridotto (ROM) a livello di sistema e l'intero sistema termico può essere esplorato e ottimizzato in uno strumento come il software Ansys ModelCenter®. Gli ingegneri possono quindi condurre studi comparativi per determinare i migliori metodi di gestione termica per molteplici casi d'uso. 

Selezione del metodo di raffreddamento

Dopo aver compreso la configurazione interna e l'ambiente esterno e aver modellato i componenti e i sistemi utilizzando la simulazione termica, il team può iniziare il processo iterativo di selezione dei metodi di raffreddamento adeguati, che consente la valutazione virtuale di molte opzioni diverse. 

Un ottimo esempio di come progressi tecnologici apparentemente non correlati avranno un impatto sul futuro della gestione termica è il recente boom dell'intelligenza artificiale (IA). I modelli LLM (Large Language Models) utilizzano molte GPU, creando problemi di gestione termica legati alla fornitura di tecniche di raffreddamento che funzionano per datacenter su larga scala. 

Con l'espansione e la crescita del mondo digitale, la necessità di dispositivi elettronici ad alta potenza e velocità continuerà a guidare l'innovazione nella gestione termica. A causa di questa tendenza, cerca soluzioni di refrigerazione più efficienti, l'ottimizzazione del raffreddamento a getto, dispositivi termoelettrici più efficaci e strategie di raffreddamento avanzate come il raffreddamento a immersione.

Mentre le applicazioni informatiche ad alte prestazioni guideranno le soluzioni in una direzione, la continua miniaturizzazione di componenti e sistemi sta spingendo il settore in altre direzioni. Una nuova entusiasmante area di ricerca riguarda i transistor termici. Questi transistor possono controllare il flusso di calore secondo necessità, dirigendo potenzialmente il raffreddamento verso le posizioni necessarie invece di raffreddare l'intero chip. 

Il miglioramento più efficace e di maggiore impatto nella gestione termica è la crescita continua delle capacità e dell'efficienza nella simulazione. Questa classe di software integrerà l'intelligenza artificiale, migliorerà l'integrazione nei sistemi di progettazione, accelererà la produttività degli utenti e migliorerà la fisica delle coppie, il tutto sfruttando la maggiore potenza computazionale consentita dal suo utilizzo. 

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