Nell'era dell'elettronica avanzata, garantire l'affidabilità strutturale delle schede elettroniche è fondamentale per evitare guasti prematuri e costosi. La simulazione rappresenta uno strumento essenziale per prevedere e mitigare i potenziali problemi strutturali sin dalle prime fasi di progettazione.
Il modo migliore per garantire l'affidabilità dell'elettronica è adottare l'approccio Physics of Failure (PoF), che utilizza la scienza (fisica, chimica, ecc.) per comprendere i meccanismi di guasto e valutare la vita utile dei componenti in condizioni operative reali.
I quattro processi chiave di questa metodologia sono: l’acquisizione del progetto, la caratterizzazione del ciclo di vita (duty cycle), trasformazione ed implementazione dei carichi, simulazione ed analisi dell'affidabilità e della valutazione del rischio.
Come detto l'approccio Physics of Failure (PoF) utilizza la scienza (fisica, chimica, ecc.) per comprendere i meccanismi di guasto e valutare la vita utile dei componenti in condizioni operative reali. In ambiente automobilistico ad esempio, la sfida per l'elettronica è quella di resistere a più di 150.000 miglia e 10 anni di utilizzo in ambienti difficili, mantenendo un tasso di guasto contenuto. Questi ambienti difficili comprendono variazioni stagionali dei cicli termici in climi regionali diversi, rumore elettromagnetico, vibrazioni, urti, temperature estreme ed umidità.
Perché simulare l'affidabilità strutturale?
Le schede elettroniche sono sottoposte a una vasta gamma di sollecitazioni meccaniche, termiche ed elettromagnetiche. Alcuni problemi comuni che possono compromettere la loro affidabilità includono:
- Fatica termica: causata da ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento.
- Vibrazioni e shock: frequenti nell'ambito automobilistico, aerospaziale e industriale.
- Stress meccanico: durante l'assemblaggio o l'installazione.
Le simulazioni permettono di analizzare questi fattori prima della produzione, riducendo i costi di prototipazione e migliorando la robustezza del design.
ANSYS Sherlock: un approccio innovativo
Ansys Sherlock Automated Design Analysis è un tool dedicato alla simulazione dell'affidabilità strutturale delle schede elettroniche. La sua particolarità risiede nella capacità di tradurre progetti ECAD delle schede in modelli pronti per l'analisi meccanica e termica, grazie ad una libreria di oltre 1 milione di componenti elettronici, integrandosi con altri strumenti di simulazione strutturale come Ansys Mechanical.
Fra le altre in Ansys Sherlock è possibile implementare le seguenti tipologie di simulazione:
- Analisi della vita utile (Life Prediction): Ansys Sherlock utilizza dati di materiali e di progetto, implementando le condizioni operative, per stimare la durata di vita delle schede. Questa analisi è particolarmente utile per identificare componenti critici e prevedere guasti
- Simulazione dei cicli termici: Analizza l'effetto delle variazioni di temperatura, considerando il coefficiente di dilatazione termica (CTE) dei materiali e le possibili fratture delle saldature
- Analisi delle vibrazioni: Valuta il comportamento delle schede elettroniche sotto carichi di vibrazione e shock. Ansys Sherlock utilizza metodi come l'analisi delle frequenze proprie per individuare risonanze che possono danneggiare i componenti
- Analisi degli shock meccanici: Simula l'impatto di urti, cadute e altre sollecitazioni improvvise. Questa simulazione è cruciale in settori come quello aerospaziale e automobilistico
- Corrosione e usura: Sherlock aiuta a prevedere il degrado dei materiali dovuto a fattori ambientali, come umidità e agenti corrosivi
- Analisi di fatica delle saldature: Modella e analizza il comportamento delle saldature nel tempo, determinando se le sollecitazioni ripetute possono portare a fratture
L'utilizzo di Ansys Sherlock offre numerosi vantaggi, tra cui la riduzione del time-to-market grazie all'individuazione e alla risoluzione dei problemi strutturali già nella fase di progettazione, l'ottimizzazione del design attraverso test virtuali che permettono di identificare la configurazione più affidabile e la previsione dei guasti mediante analisi dettagliate delle aree più a rischio, migliorando così la sicurezza e riducendo i costi di manutenzione.
Un caso di studio
Un esempio pratico dell'efficacia di Ansys Sherlock è dato dal settore automotive, dove le schede elettroniche sono spesso soggette a vibrazioni elevate e cicli termici. Utilizzando Sherlock, aziende del settore hanno ridotto del 30% i guasti prematuri delle schede, migliorando significativamente l'affidabilità dei sistemi di controllo elettronico a bordo del veicolo.
Conclusioni
L'adozione di strumenti avanzati per l'analisi dell'affidabilità delle schede elettroniche offre vantaggi significativi lungo l'intero ciclo di sviluppo del prodotto. Uno dei principali benefici è la riduzione del time-to-market, resa possibile dall'individuazione e dalla risoluzione tempestiva dei problemi strutturali durante la fase di progettazione, evitando così costose modifiche successive e riducendo i tempi di rilascio sul mercato. Inoltre, la possibilità di testare virtualmente diverse configurazioni progettuali consente di ottimizzare il design, identificando rapidamente la soluzione più robusta e performante per affrontare le condizioni operative più critiche. Un altro aspetto cruciale è la capacità di prevedere potenziali guasti grazie ad analisi approfondite delle aree maggiormente soggette a stress meccanici, termici o ambientali, migliorando la sicurezza complessiva del prodotto e abbattendo i costi di manutenzione e riparazione a lungo termine.
Tutti questi vantaggi possono essere massimizzati utilizzando software come Ansys Sherlock, progettato per integrare queste funzionalità in un unico ambiente di simulazione virtuale, garantendo affidabilità ai dispositivi elettronici.
