Progettazione dei Circuiti PCB con la simulazione numerica multifisica

I circuiti stampati PCB (dall’inglese Printed Circuit Board) e i circuiti integrati sono utilizzati ormai  nei più svariati settori,  dall’automobilistico all’elettronica di consumo, dal medicale all’energetico, all’aerospazio.

Con la tendenza a miniaturizzare l’elettronica, gli ingegneri devono progettare schede più piccole e incorporare tutte le funzionalità richieste tenendo conto di possibili problematiche legate alle condizioni di esercizio. Ad esempio, seguire alcune semplici linee guida per la compatibilità elettromagnetica durante la progettazione dei PCB farà risparmiare tempo e costi.

In questo articolo vedremo quali sono le principali sfide che ogni ingegnere/tecnico deve affrontare e come la simulazione numerica riveste un ruolo fondamentale nella soluzione a queste problematiche. Infine risponderemo alla domanda: quali vantaggi derivano da un approccio ingegneristico basato sulla simulazione numerica?

Sfide Progettuali nei circuiti stampati PCB

Chi si appresta alla progettazione di un circuito stampato PCB deve essere consapevole che affronterà sfide e problematiche sin dagli studi preliminari di sviluppo prodotto. Ad esempio, tra  i principali trend che stanno guidando gli sviluppi dell'elettronica, c’è il continuo bisogno di  sviluppare in tecnologia stampata gran parte della componentistica di potenza. Questo non è strano se si osserva lo tsunami chiamato “elettrificazione” che sta investendo e invadendo ogni settore industriale. Una prima conseguenza naturale è il focus richiesto sulla gestione efficiente dell’alimentazione, specialmente quando questa ha un diretto impatto sul sistema di dissipazione del calore.

Secondariamente, ma non per importanza, diventa necessario valutare l’impatto su affidabilità e la vita del sistema scheda e componentistica. Per perseguire questi e altri obiettivi, spesso si ricorre a test fisici che richiedono molto tempo, la realizzazione di più prototipi e in diverse configurazioni delle schede PCB. La progettazione di circuiti stampati deve tenere conto anche di quello che comporta l’eventuale guasto dell’intero sistema o di un singolo componente. In questo contesto si inquadra anche la riduzione dei costi di garanzia, dei cicli di produzione e del time-to-market.

Simulazione a supporto della progettazione dei PCB 

La modellazione e la simulazione accurata sono fondamentali per ottenere prodotti finali affidabili. Per approcciare la risoluzione delle problematiche viste prima, la simulazione numerica presenta vari strumenti. Ad esempio, è possibile calcolare con accuratezza i valori di correnti, tensioni e potenze dissipate sulla scheda, per ogni layer, net e componenti. Il calcolo di queste mappe consentono di condurre analisi multifisiche per il calcolo delle temperature raggiunte in qualunque condizione di esercizio possibile.

Adoperando i tools numerici è possibile capire anche quale sia l’impatto termico sullo stress meccanico di un circuito ottenuto per stampa PCB. Inoltre, un approccio basato sulla simulazione numerica permette di effettuare un’esplorazione parametrica delle scelte progettuali e un’ottimizzazione dei parametri chiave. Tutto questo in ottica di miglioramento dell’affidabilità sia termica che strutturale, in maniera da garantire efficienza per i cicli di vita di un circuito stampato.

Vantaggi della simulazione numerica sui circuiti stampati PCB

Ma quali vantaggi si ottengono dalla simulazione numerica? Tra i principali vantaggi c’è una facile valutazione e ottimizzazione del design preliminare di progetto. Inoltre grazie all’utilizzo di ambienti CAE è possibile ridurre i test fisici su PCB reali ed arrivare a convergenza delle funzioni obiettivo con un numero ridotto di prove sperimentali. Questo contribuisce ad ottenere cicli di progettazione più brevi, configurazioni più robuste e riduzioni degli errori, che consentono di rispondere in tempi rapidi in merito alla realizzazione di circuiti stampati, in base alle specifiche esigenze di un cliente.

La simulazione, specialmente quella in real-time, grazie alle nuove soluzioni sul mercato ha permesso una democratizzazione della simulazione, dando una visione migliore anche a progettisti non specializzati, poco avvezzi alla simulazione, sulle potenzialità di prodotti come un circuito stampato.

La simulazione permette un post processing molto rapido, che aiuta i tecnici a standardizzare la fase di scritturazione dei report e di effettuare un rapido benchmark con altre configurazioni o con i competitor. Ma i maggiori plus che rendono vantaggioso un approccio numerico si vedono sul minore time-to-market e sui costi ridotti del prodotto finito. Tutti questi vantaggi, oggi, danno ad un’azienda che produce schede PCB un guadagno, sì economico, ma soprattutto strategico.