Miniaturización del producto y gestión térmica: el reto del diseño electrónico

En todos los sectores se observa un proceso continuo de miniaturización de los productos, impulsado por un mercado que demanda sistemas más compactos, ligeros y ergonómicos, con un mayor número de funciones.

La necesidad de fabricar placas electrónicas cada vez más compactas obliga al diseñador a gestionar volúmenes cada vez más pequeños, lo que conlleva un aumento de la densidad de componentes y de la potencia térmica que debe disiparse.

En este artículo presentamos los principales desafíos relacionados con la gestión térmica del calor en los sistemas electrónicos y cómo el uso de sistemas integrados que permiten el intercambio de información entre los softwares ECAD, MCAD y CFD ayuda a las empresas a agilizar el flujo de trabajo y a desarrollar mejores productos.

Uno de los principales desafíos actuales del diseño electrónico está precisamente relacionado con la gestión térmica del producto. Se trata de una actividad multidisciplinar que involucra tanto los aspectos del diseño electrónico (es decir, el que determina las cargas térmicas que deben disiparse) como los del diseño mecánico del producto (es decir, el que debe gestionar de la mejor manera posible el calor generado por el producto).

Desafortunadamente, es frecuente que las funciones de diseño electrónico y mecánico sean dos mundos separados, que desarrollan sus propias tareas de forma autónoma y con pocos puntos de contacto con la otra parte, con la que deberían interactuar.

Por este motivo, es fundamental que la empresa utilice herramientas capaces de conectar estos dos mundos, de manera que ambos puedan desarrollar rápidamente su parte del proyecto, compartiendo de forma sencilla y oportuna la información entre las distintas áreas implicadas y reduciendo así los tiempos y costes asociados a las diferentes iteraciones necesarias para completar el desarrollo del producto.

A lo largo de los años, el desarrollo tecnológico ha dado lugar a una progresiva miniaturización de los productos, paralelamente a un aumento de sus funcionalidades. Si pensamos en el “teléfono móvil” (o celular), se trataba de un dispositivo con una pequeña pantalla monocromática y un teclado numérico. Las funciones que debía gestionar eran principalmente las llamadas de voz y los mensajes SMS, mientras que el software incluido proporcionaba un calendario, un reloj, un juego (Snake) y poco más.

Su evolución actual, el smartphone, es un producto considerablemente diferente. Se trata de una concentración de tecnología en la que el dispositivo de entrada es ahora una pantalla multitáctil de alta resolución, y que dispone de cámara (normalmente más de una), acelerómetro, GPS, conexiones inalámbricas Wi-Fi, Bluetooth y NFC, y algunos modelos incluso cuentan con pulsioxímetro. Gracias a la gran variedad de aplicaciones y a la evolución de las redes móviles, nos ayuda a gestionar prácticamente todos los aspectos de nuestra vida, tanto personales como profesionales (además, por supuesto, de permitirnos realizar llamadas telefónicas).

Aunque el de los smartphones representa un caso extremo, las mismas problemáticas son abordadas a diario por las empresas que fabrican dispositivos electrónicos, aunque a una escala diferente.

El proceso de miniaturización genera una serie de consecuencias en cadena:

• Un mayor número de componentes en la placa implica una mayor cantidad de potencia eléctrica necesaria para alimentar el dispositivo.
• Un mayor consumo implica una mayor cantidad de potencia eléctrica disipada en forma de calor.
• Unas dimensiones más compactas del producto determinan una mayor densidad de calor que debe disiparse.
• Una mayor densidad de calor provoca una mayor temperatura de funcionamiento en los componentes.

Desafortunadamente, los componentes electrónicos tienen una temperatura máxima de funcionamiento bien definida. Dependiendo del tipo de componente, la temperatura admisible puede variar desde los 80 °C para componentes destinados a aplicaciones civiles hasta los 150 °C para componentes destinados a aplicaciones militares. En cualquier caso, siempre existe una temperatura límite por encima de la cual no se garantiza el funcionamiento del componente.

Además, como regla general, aunque se mantenga por debajo de la temperatura admisible, cuanto mayor sea la temperatura alcanzada por el componente durante las condiciones de funcionamiento, menor será su vida útil.

Por este motivo, tanto para aumentar la fiabilidad del producto como para reducir el riesgo de costes derivados de las devoluciones de productos procedentes del mercado, resulta esencial realizar un buen diseño térmico del producto electrónico.

Aunque es menos frecuente que el exceso de la temperatura máxima de funcionamiento, otro fenómeno físico no deseado que puede producirse en los productos electrónicos es la dilatación térmica diferencial entre los distintos componentes. Este fenómeno puede provocar deformaciones termoelásticas no deseadas, llegando incluso al extremo de producir la rotura de la PCB.

El producto electrónico está formado, de hecho, por diferentes materiales que están soldados, pegados o atornillados entre sí. El coeficiente de dilatación térmica de la PCB, formada por un laminado de cobre y resina de fibra de vidrio, suele ser muy diferente del del housing de aluminio sobre el que está atornillada.

Debido a la distribución de temperaturas durante el funcionamiento, pueden producirse situaciones extremas en las que el nivel de deformación y de tensión en la PCB podría comprometer tanto su correcto funcionamiento como su resistencia estructural.

También en este caso, un diseño térmico adecuado del producto ayuda a mantener bajo control este efecto no deseado.

Existe más de un mecanismo de transferencia de calor que el diseñador puede utilizar para la gestión térmica del producto.

La física nos dice que el calor fluye espontáneamente de un cuerpo caliente (a mayor temperatura) a uno frío (a menor temperatura) mediante tres mecanismos: conducción, convección y radiación. Para el diseñador, esto se traduce en un amplio abanico de posibilidades, desde el uso de thermal pads y disipadores pasivos hasta el uso de ventiladores y sistemas de refrigeración líquida.

También existen componentes especiales, como los heat pipes y las células Peltier, que utilizan respectivamente el cambio de fase de un fluido o fenómenos electrotérmicos para transferir el calor de un punto a otro del sistema.

¿Puede ser suficiente un disipador pasivo o es mejor utilizar sistemas activos, como ventiladores? ¿Cuántos ventiladores son necesarios? ¿Dónde sería mejor colocarlos?

Responder a estas preguntas no suele ser sencillo y, a pesar de las restricciones de diseño y presupuesto con las que debe trabajar el diseñador, las posibilidades son muchas y no es posible probarlas todas experimentalmente.

Afortunadamente, existen diversas tecnologías de análisis, como el método de los elementos finitos (FEM) y el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD), que pueden ayudar a proporcionar una respuesta rápida y fiable a todas estas preguntas.

De las dos, la que permite obtener toda la información que necesita el diseñador es el análisis CFD, ya que permite modelar con precisión todos los mecanismos de transferencia de calor de las placas electrónicas, es decir:

• Conducción térmica en el interior de los sólidos. Los sólidos pueden tener características homogéneas (como los metales) o propiedades ortotrópicas (como las PCB).
• Transferencia de calor conjugada entre sólidos y fluidos, es decir, la convección, ya sea natural o forzada.
• Radiación entre cuerpos y fuentes externas. Un fenómeno que a menudo puede despreciarse en la mayoría de los productos, pero que constituye un mecanismo fundamental de transferencia de calor en aplicaciones espaciales, como los satélites.

Es fácil comprender cómo el uso de un software de análisis de dinámica de fluidos CFD permite crear el Digital Twin térmico del producto electrónico.

Este enfoque permite al diseñador verificar el comportamiento térmico del producto ya durante la fase de diseño, garantizando la identificación temprana de posibles problemas y la rápida evaluación de las acciones correctivas.

En otras palabras, la simulación de dinámica de fluidos CFD puede ayudar a las empresas que fabrican sistemas electrónicos a desarrollar mejores productos, reduciendo los errores, los costes y el time-to-market.

Todo ello se traduce en un mayor margen de beneficio para la empresa.

Aunque la mayoría de las soluciones CFD de propósito general son capaces de simular todos los fenómenos físicos mencionados anteriormente, son pocas las que permiten gestionar de forma sencilla la física relacionada con la refrigeración de los sistemas electrónicos.

Es decir, soluciones que permitan configurar el análisis termofluidodinámico, pero utilizando, por un lado, la lógica y las herramientas habituales del diseñador electrónico y, por otro, las del diseñador mecánico y térmico:

• Modelado de la resistencia térmica entre el componente electrónico y la placa.
• Gestión de las resistencias de contacto en función del tipo de conexión.
• Posibilidad de introducir la curva de funcionamiento de un ventilador.
• Posibilidad de calcular las propiedades térmicas de la PCB en función de su laminado.
• Capacidad para introducir un thermal pad para conducir el calor hacia los disipadores.
• Introducción de componentes electrónicos con datos térmicos generados directamente por el fabricante.
• Introducción de componentes especiales, como los heat pipes.

A estas limitaciones se suma el hecho de que las herramientas ECAD de diseño electrónico son diferentes de los entornos MCAD utilizados por el diseñador mecánico.

Esto a menudo dificulta traducir a un modelo CFD 3D preciso la representación geométrica 2D de la PCB y de sus componentes.

Siemens pone a disposición del diseñador diversas herramientas para la simulación mecánica capaces de utilizar los datos del proyecto electrónico para agilizar la creación del modelo térmico de la PCB.

Una de estas herramientas se denomina EDA BRIDGE y constituye el mejor punto de acceso para la creación del modelo térmico de la PCB. A través de EDA BRIDGE es posible, de hecho, realizar una serie de operaciones preparatorias para configurar el modelo:

• Importación de la geometría ECAD: EDA Bridge es capaz de leer distintos formatos de archivo que contienen la geometría de la PCB, la secuencia de laminado con la forma de las pistas de cobre, la posición de los componentes en las caras y la potencia disipada por los componentes. Esto permite eliminar los errores de interpretación de los diseños electrónicos por parte del analista CFD.
• Posibilidad de filtrar los componentes electrónicos en función de distintos criterios: tamaño de la pieza, potencia asociada. De este modo, el usuario puede seleccionar el nivel de detalle con el que construir la malla térmica del sistema.
• Utilización de distintos criterios para calcular las propiedades térmicas equivalentes de la PCB:
• Material ortotrópico equivalente, calculado a partir del porcentaje volumétrico relativo de conductor y FR4.
• Secuencia de laminado, en la que para cada capa se expresa el porcentaje superficial relativo entre conductor y FR4.

SmartPCB, otra tecnología propia de Siemens que permite crear un modelo térmico detallado de la PCB que también puede utilizarse para simular el paso de corriente y la disipación asociada por efecto Joule. Esta herramienta también puede utilizarse para realizar una co-simulación de Signal Integrity con HyperLynx.

• Utilización de distintos criterios para calcular las propiedades térmicas equivalentes de la PCB:
  • Material ortotrópico equivalente, calculado a partir del porcentaje volumétrico relativo de conductor y FR4.
  • Secuencia de laminado, en la que para cada capa se expresa el porcentaje superficial relativo entre conductor y FR4.
  • SmartPCB, otra tecnología propia de Siemens que permite crear un modelo térmico detallado de la PCB que también puede utilizarse para simular el paso de corriente y la disipación asociada por efecto Joule. Esta herramienta también puede utilizarse para realizar una co-simulación de Signal Integrity con HyperLynx.

Una vez completadas las decisiones de modelado térmico, EDA BRIDGE genera automáticamente para el analista:

• Geometría 3D de la PCB y de los componentes seleccionados, para el entorno de modelado MCAD utilizado por el diseñador mecánico.
• Creación de un “Componente Térmico” con todas las condiciones de contorno ya asignadas.

Ambos datos pueden utilizarse tal cual para la verificación térmica de la PCB por sí sola, o bien pueden importarse en el ensamblaje mecánico del housing (que puede contener también otras placas electrónicas) para crear rápidamente modelos térmicos muy complejos.

Los datos generados por EDA BRIDGE pueden utilizarse junto con el software de análisis CFD Simcenter FLOEFD de Siemens.

Simcenter FLOEFD está reconocido en el sector como la herramienta de análisis CFD más sencilla de utilizar para los diseñadores mecánicos, ya que está completamente integrada en el modelador MCAD.

De hecho, Simcenter FLOEFD incorpora tecnologías únicas que permiten el Frontloading CFD, es decir, el uso generalizado del análisis de dinámica de fluidos en todas las fases del diseño, desde la configuración inicial hasta el estudio de sensibilidad y la optimización, pasando por la verificación detallada final.

Todo ello es posible gracias a funciones propias que diferencian la solución de Siemens de otras herramientas de análisis CFD:

• Integración con los principales sistemas MCAD. Simcenter FLOEFD permite realizar análisis de dinámica de fluidos directamente desde el sistema MCAD utilizado por el diseñador, simplificando el proceso de aprendizaje y facilitando la realización de estudios paramétricos. Simcenter FLOEFD está disponible para NX, Solid Edge, Creo y CATIA. Para permitir su uso por parte de los diseñadores electrónicos, que normalmente no disponen de un sistema MCAD, existe la versión Standalone, que incorpora un modelador 3D.
• Mesher SmartCells, que identifica automáticamente los distintos dominios sólidos y fluidos dentro del modelo y es capaz de representar cualquier geometría mediante celdas cartesianas poliédricas. El usuario puede definir controles locales para gestionar los detalles geométricos o activar el refinamiento automático de la malla, gestionado de forma autónoma por el solver durante el cálculo.
• Funciones automáticas del solver CFD, entre ellas el modelo de turbulencia, capaz de gestionar automáticamente la transición entre flujo laminar y turbulento, y las leyes de pared para modelar analíticamente los fenómenos que tienen lugar en la capa límite sin requerir una malla prismática en las paredes.
• Herramientas para realizar estudios paramétricos (análisis What-if, Optimizador, Design of Experiment), tanto en función de las condiciones termofluidodinámicas como de las variaciones en la forma de las piezas y del ensamblaje.
• Diagrama Flux Plot, es decir, una representación gráfica que ayuda al diseñador a comprender el recorrido del calor entre los distintos componentes.

Además de estas funciones de carácter “general”, existen herramientas “verticales” para la simulación multidisciplinar de placas electrónicas:

• EDA BRIDGE, que, como hemos visto, simplifica y automatiza la generación del modelo térmico partiendo directamente de la geometría del CAD electrónico.
• ELECTRONICS COOLING, que añade al solver una amplia biblioteca de componentes comerciales, como ventiladores, la posibilidad de representar los componentes electrónicos mediante la formulación de 2 resistencias, la incorporación al modelo de componentes avanzados como heat pipes, las SmartPCB para modelar las placas con precisión y mucho más.
• BCI-ROM (Boundary Condition Independent Reduced Order Thermal Model), es decir, la posibilidad de condensar el modelo térmico del producto en formato FMU según el estándar Functional Mock-up Interface y exportar un “Digital Twin cifrado” que puede compartirse con socios, clientes y proveedores para el estudio de sistemas complejos.
• STRUCTURAL, entorno de análisis por elementos finitos basado en el solver Simcenter Nastran que permite simular los aspectos estructurales del producto: deformaciones, tensiones, frecuencias de resonancia y dilataciones térmicas.
• EMAG, entorno de análisis de electromagnetismo de baja frecuencia basado en el solver Simcenter Magnet, que permite estudiar los efectos térmicos inducidos por los campos magnéticos.
• POWER ELECTRIFICATION, formulación compacta para el estudio de los fenómenos térmicos que se producen en el interior de las celdas de las baterías, basada en su caracterización eléctrica y electroquímica.
• T3STER, módulo que ayuda a obtener la máxima fidelidad de modelado para los encapsulados de circuitos integrados (IC) mediante la calibración automática a partir de datos experimentales térmicos.

Por tanto, la combinación de todas estas tecnologías específicas para el análisis de sistemas eléctricos y electrónicos convierte a Simcenter FLOEFD en una plataforma para gestionar la simulación multifísica de placas electrónicas.

Si deseas profundizar en este tema, mira nuestro webinar organizado con Var Industries sobre el diseño térmico de productos electrónicos. Durante el seminario mostramos el flujo de trabajo completo para la creación del modelo térmico, desde el diseño ECAD, pasando por la generación del modelo térmico de la PCB, hasta la creación y el análisis del ensamblaje completo.

Míralo AQUÍ