Scoprite le 5 sfide nello sviluppo di apparecchiature elettroniche

La crisi globale della carenza di semiconduttori ha portato a ingenti interruzioni della produzione per i produttori di apparecchiature originali (OEM) nei settori automobilistico, dell'elettronica di consumo e della sanità. 

Per mantenere la produzione, molte aziende sono state costrette ad affidarsi a fornitori non ufficiali per ottenere i componenti necessari, con conseguente incertezza sulla qualità dei pezzi ricevuti. Inoltre, alcune aziende non hanno potuto fare altro che sostituire i componenti precedentemente utilizzati con altri alternativi a causa della carenza della catena di approvvigionamento.

La sostituzione di componenti o fornitori può comportare seri problemi operativi, soprattutto in applicazioni ad alta affidabilità come quelle del settore medico o aerospaziale. La sostituzione di un componente può far perdere la certificazione al prodotto, richiedendo nuovi test di compatibilità elettromagnetica, integrità del segnale, gestione termica e durata.

In questo scenario globale, le soluzioni di simulazione al computer di Ansys sono essenziali per rendere la progettazione di prodotti elettronici più affidabile, robusta e adattabile alla catena di fornitura utilizzata dall'azienda.  

Nell'ambiente virtuale è possibile valutare 5 sfide principali per una progettazione efficiente:

•   Compatibilità elettromagnetica e interferenze.
•   Integrità del segnale e potenza
•   Analisi dei dispositivi wireless
•   Gestione termica dei PCB
•   Affidabilità elettronica

Le sfide di compatibilità elettromagnetica, integrità del segnale e di potenza nei prodotti elettronici:

Nello sviluppo di qualsiasi prodotto elettronico c'è una fase cruciale chiamata test di compatibilità elettromagnetica. Spesso è considerata una sfida importante per l'ingegneria dello sviluppo e una fase ad alto rischio per la strategia di ingresso nel mercato, poiché un prodotto deve essere certificato per poter essere venduto.

La sfida ha sempre riguardato il fatto che non si può essere sicuri al 100% che non ci siano problemi di compatibilità o di interferenza su un PCB finché non si iniziano i test sui prototipi. Il processo è lungo, lento, faticoso e molto costoso perché gli ingegneri ottengano un prodotto pronto per la vendita, mettendo a rischio la strategia di mercato. Questo problema è ulteriormente aggravato dalla crisi dell'elettronica.

E se ci fosse un modo per ridurre al minimo i rischi individuando i problemi EMI/EMC prima dei test estremamente costosi, ottimizzare il prodotto, avere la libertà di innovare senza costi enormi, adattare rapidamente il progetto alle componenti disponibili sul mercato e persino portare il prodotto sul mercato più velocemente. Questo è esattamente ciò che le soluzioni di simulazione Ansys offrono per lo sviluppo di apparecchiature elettroniche.

Ansys HFSS: lo strumento per l'analisi completa delle apparecchiature elettroniche

Ansys HFSS è uno strumento di simulazione al computer progettato per consentire agli utenti di rappresentare un laboratorio di misura completo in un ambiente virtuale. La scheda elettronica può essere configurata e posizionata per test come quelli per le emissioni irradiate e condotte secondo diversi standard di certificazione.

Simulazione di una camera anecoica che esegue test per l'industria automobilistica.

Lo strumento dispone di una serie di impostazioni predefinite per i test sulle emissioni irradiate, condotte e statiche, tra le altre cose. L'intera libreria è configurabile secondo gli standard desiderati dall'utente e fornisce anche modelli di rete di stabilizzazione dell'impedenza di linea (LISN) e vari componenti per configurare le PCB da valutare.

È inoltre possibile importare informazioni sui parametri S, modelli SPICE e IBIS per il test dei circuiti, creando un flusso di lavoro che inizia con l'integrità del segnale, l'integrità di potenza, la sensibilità e i test di mitigazione delle interferenze PCB. Il tutto con test rapidi per garantire che il progetto sia adatto ai pezzi disponibili presso il fornitore, mantenendo le prestazioni del prodotto.

Analisi dell'integrità del segnale considerando il layout della PCB.

Dopo l'analisi del circuito, abbiamo considerato gli effetti sul layout 3D della scheda, valutando la diafonia, lo studio della direzione di perforazione posteriore, l'ottimizzazione della distanza di un oscillatore dal segnale di clock, tra le altre cose.

Infine, nella simulazione viene considerato il prodotto completo. Con il calcolo di tutte le strutture meccaniche ed elettromagnetiche, è possibile raggiungere livelli di precisione che consentono di utilizzare la simulazione per ottimizzare dinamicamente il prodotto, con l'obiettivo di superare le certificazioni richieste dai mercati in cui sarà commercializzato.

Set-up di test preconfigurati all'interno di Ansys HFSS.

Partecipate alla masterclass gratuita EMI/EMC - Compatibilità elettromagnetica per conoscere il nostro flusso di lavoro di simulazione per le emissioni irradiate e condotte.

Le sfide dei sistemi wireless

La quinta generazione di reti mobili, nota come 5G, è una tecnologia dirompente che sta rivoluzionando la società e il nostro modo di vivere, portando una realtà senza precedenti di dispositivi wireless.

Con un'importante evoluzione tecnologica rispetto alla vecchia tecnologia 4G LTE (Long-Term Evolution), il 5G garantirà un aumento della velocità di trasmissione dei dati da 10 Mbit/s a oltre 1 Gbit/s, con una maggiore efficienza energetica, una larghezza di banda 1.000 volte superiore per unità di superficie, un traffico dati 10.000 volte superiore con 100 volte più dispositivi connessi per unità di superficie. 

Grazie all'alta affidabilità, alla velocità, alla sicurezza e al supporto per la connessione di miliardi di dispositivi, il settore 5G ha proiezioni di crescita illimitate ed è fondamentale per lo sviluppo delle tecnologie attuali e future, come i dispositivi per l'Internet delle cose e l'Industria 4.0.

La capacità di sviluppare dispositivi efficienti in grado di integrarsi con le future reti 5G è essenziale per il mercato delle apparecchiature elettroniche. A causa di sfide quali la crescente complessità della tecnologia, l'adattamento alla mancanza di componenti sul mercato e alle esigenze di progetto in tempi di sviluppo ridotti, gli ingegneri e i progettisti delle più grandi aziende del mondo si rivolgono alle soluzioni di simulazione Ansys per ottenere un vantaggio competitivo e non perdere terreno sul mercato.

Progettazione di un'antenna

Il 5G richiede una progettazione di antenne più complessa, che utilizza array di antenne attive per fornire una migliore copertura, ridurre le interferenze e aumentare la capacità di trasmissione dei dati.

Per analizzare gli array di antenne attive con Anys HFSS si possono utilizzare diverse tecniche. Ogni tecnica può essere applicata in base agli obiettivi e alle fasi del progetto.

Utilizzando Unit Cell, è possibile progettare un elemento di array e considerarlo con periodicità infinita per comprendere il comportamento generale di tale array. La Finite Array Domain Decomposition è una tecnica avanzata che consente di definire quanti, quali elementi e quale geometria della matrice saranno analizzati, creando una maglia per ogni cella e replicandola per elementi simili. Infine, l'Explicit Finite Array tiene conto di tutte le iterazioni e degli effetti elettromagnetici e crea una mesh ottimizzata per la geometria del dispositivo reale.

Scopri il caso di studio Ottimizzazione delle prestazioni delle antenne installate sulle piattaforme avioniche. 

Simulazione dello scenario operativo

Una delle grandi sfide della tecnologia 5G e di qualsiasi progetto di rete wireless è il posizionamento e il funzionamento delle antenne in un ambiente reale. Sono necessari molti test pratici e possono esistere regioni d'ombra che mettono a rischio la copertura e il funzionamento dei sistemi. 

Le soluzioni di simulazione computerizzata Ansys sono perfette non solo per la progettazione di prodotti, ma anche per l'implementazione e il collaudo di reti in scenari interni ed esterni. In questo modo possiamo studiare il comportamento dell'energia irradiata da un'antenna in un determinato scenario, ottimizzare la posizione delle antenne e garantire una rete molto più ottimizzata ed efficiente, spesso con meno antenne e punti di accesso.

La figura seguente mostra una di queste analisi. L'ingegnere delle RF può testare tutto, dalla progettazione dell'antenna al miglior posizionamento su una torre di comunicazione, per poi installare la torre in un punto strategico della città e verificare la copertura.

Scenario di simulazione con una serie di antenne su una torre e operanti in una città.

Sfide di gestione termica

I moderni dispositivi elettronici sono più veloci, più piccoli e più densi che mai. Siccome stiamo progettando milioni di transistor in un'area ridotta, questi dispositivi tendono a generare molto calore. Gli effetti meccanici indotti dal calore, come la delaminazione e la rottura delle giunzioni di saldatura che collegano i chip ai loro circuiti stampati (PCB), possono causare problemi di affidabilità in tutto il sistema.

È essenziale simulare le proprietà elettrotermiche e strutturali durante lo sviluppo di progetti e apparecchiature elettroniche prima di costruire l'hardware. Gli strumenti di simulazione Ansys possono risolvere queste sfide e migliorare l'affidabilità e le prestazioni delle apparecchiature elettroniche durante lo sviluppo.

Per quanto riguarda le schede grafiche (note anche come GPU), stiamo assistendo a un'espansione varia dei loro usi in varie applicazioni. Le criptovalute stanno aumentando la domanda di GPU perchè ha la capacità di accelerare il processo di mining delle criptovalute. Oltre che per la grafica e il bitcoin mining, le GPU vengono utilizzate anche per l'elaborazione ad alte prestazioni, l'apprendimento automatico, la finanza computazionale e la guida automatizzata/sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS).

In sostanza, una scheda grafica è un circuito stampato dotato di una propria unità di elaborazione (solitamente con centinaia di core di calcolo) e di una memoria DDR ad alta velocità. Come per qualsiasi dispositivo elettronico, i problemi legati alle schede grafiche possono essere classificati come elettrici, termici e meccanici. Oltre al calore prodotto dai chip stessi, il flusso di corrente all'interno dei piani di potenza può provocare un riscaldamento, con conseguenti problemi indotti dal calore.

Ansys Icepak

Ansys Icepak può prevedere questi problemi termici in un prototipo virtuale molto prima della produzione della scheda grafica. È possibile eseguire analisi termiche indipendenti e simulazioni elettrotecniche multifisiche in Ansys Icepak.

Come parte integrante di Ansys Electronics Desktop, lavora insieme ai solutori elettromagnetici (EM) in un ambiente unificato. Offre potenti funzioni in un'interfaccia facile da usare e una comoda libreria di componenti termici comunemente utilizzati per risolvere i problemi termici durante lo sviluppo di apparecchiature e dispositivi elettronici.

Per maggiori dettagli su come realizzare e sviluppare progetti di gestione termica in un ambiente computerizzato utilizzando Ansys Icepak, guardate il webinar gratuito Analisi termica delle apparecchiature elettroniche.

Ansys Icepak consente di importare facilmente layout CAD elettrici (o ECAD) e modelli CAD meccanici (o MCAD) dei componenti. È possibile aggiungere facilmente componenti 3D come ventole e dissipatori dalla libreria integrata. È possibile eseguire simulazioni parametriche per studiare gli effetti di vari livelli di potenza sui componenti. Ansys Icepak è in grado di eseguire l'analisi della potenza massima e di prevedere le temperature di esercizio sicure della scheda grafica e dei suoi componenti prima che subiscano un possibile guasto indotto dal calore.

Analisi della potenza massima di una CPU su una scheda grafica in Ansys Icepak.

Simulazione della dissipazione termica di una scheda grafica in Ansys Icepak.

Ansys Icepak è la soluzione leader per il raffreddamento elettronico di circuiti integrati, PCB, computer e data center. Oltre alle sole analisi termiche, è possibile abbinare Icepak a prodotti EM come HFSS, Q3D Extractor e Maxwell per simulazioni elettrotermiche di antenne, elettronica di potenza e macchinari elettrici.

Sfide di affidabilità elettronica

Lo scambio di componenti può comportare un semplice scambio "simile per simile" senza riprogettazione. In altri casi, la mancanza di componenti può giustificare una modifica importante del progetto del PCB nel suo complesso, la riorganizzazione dei passivi sulla scheda oppure una riprogettazione più complessa.

Il livello di qualificazione richiesto dipende non solo dall'entità della riprogettazione, ma anche dall'eventuale necessità di riqualificazione dovuta a requisiti di conformità del settore o dell'applicazione specifica. Gli approcci della fisica dell'affidabilità possono affrontare tutti questi scenari.

L'analisi dell'affidabilità fisica (RPA) o analisi dei guasti fisici (PoF) considerano l'affidabilità come parte integrante del processo di progettazione, basando la valutazione dell'affidabilità sul meccanismo di guasto. L'analisi delle cause e degli effetti è guidata dalla progettazione, dalla geometria, dal materiale e dall'ambiente, e fornisce agli ingegneri informazioni preziose e utili. La RPA offre tre strade per abbreviare il processo di qualificazione dell'affidabilità affrontato dagli OEM costretti a cambiare componenti o fornitori durante questa tumultuosa carenza di pezzi.

Test di durata accelerata (ALT)

ALT sottopone i gruppi a condizioni estreme, al di là del loro normale ambiente operativo, per identificare le probabili modalità di guasto e i meccanismi di guasto. Quindi, poiché il tempo di guasto (TTF) è determinato sperimentalmente nelle condizioni estreme, la RPA viene utilizzata per prevedere il TTF nelle condizioni d'uso. Il fattore di accelerazione (AF) tra i TTF estremi e quelli di utilizzo, è determinato dalla fisica dell'affidabilità. ALT è stato utilizzato per anni dalle aziende per ridurre i tempi di qualificazione dell'affidabilità, ma ancora consuma molto più tempo e risorse di quanto desiderato o necessario. I test di durata accelerata possono variare da settimane a mesi e persino anni.

Simulazione basata su RPA

Le simulazioni RPA possono modellare virtualmente un pezzo o un prodotto in base agli input dei materiali e analizzare i rischi di affidabilità in base a diversi meccanismi di guasto, tra cui urti meccanici, vibrazioni e variazioni di temperatura. Con anni di dati di test fisici disponibili per regolare le simulazioni, Ansys Sherlock è in grado di fornire un'accuratezza comprovata. Ciò ha fatto sì che la simulazione RPA fosse sempre più accettata dall'industria per sostituire i test fisici. 

Lo strumento Ansys Sherlock testa un circuito stampato per prevenire i rischi di affidabilità dovuti ai cicli di temperatura.

L'affidabilità dei componenti può essere determinata in pochi giorni, rispetto a settimane o mesi necessari per i test fisici. Inoltre, la simulazione può valutare simultaneamente diversi pezzi di ricambio ed eseguire iterazioni di simulazione in modo rapido, man mano che si rendono disponibili nuovi dati. Siccome la simulazione RPA offre valutazioni dell'affidabilità rapide e accurate, è diventata uno strumento prezioso per i produttori OEM che si trovano ad affrontare un cambio di parti a causa della crisi della carenza di pezzi.

A causa della crisi globale di carenza di componenti causata da ritardi nella catena di fornitura e dall'elevata domanda, i produttori di elettronica hanno dovuto cambiare e ricorrere allo scambio di componenti.

Purtroppo, queste strategie possono comportare maggiori rischi di affidabilità o richiedere una riqualificazione a causa dei requisiti di conformità. In ognuna di queste situazioni, l'implementazione della simulazione al computer con Ansys Sherlock per i test di affidabilità può aiutare i produttori a ridurre i tempi di qualificazione e il costo delle risorse.

CB
  Affidabilità elettronica
Le sfide di compatibilità elettromagnetica, integrità del segnale e di potenza nei prodotti elettronici:Nell'ambiente virtuale è possibile valutare 5 sfide principali per una progettazione efficiente:
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