Utilizzeremo un microchip in ceramica da 3 watt come riferimento, con l’obiettivo di stimare quali tensioni si generano nella zona di contatto tra il microchip e il dissipatore.
Determinazione delle analisi termiche in SOLIDWORKS: dal calcolo manuale alla CFD avanzata
La valutazione delle tensioni termiche può essere affrontata con livelli di complessità crescenti. Di seguito presentiamo quattro approcci, dal più semplice (calcolo manuale) al più avanzato (simulazione CFD + FEA).
Metodo 1
Condurre l’analisi termica utilizzando esclusivamente calcoli manuali
Per iniziare, è possibile stimare le tensioni termiche del modello affidandosi a un semplice calcolo manuale. Il workflow prevede due passaggi: prima la valutazione termica, poi quella strutturale. Grazie a poche formule di base, questo approccio consente di ottenere una stima preliminare del comportamento del sistema senza ricorrere immediatamente a strumenti di simulazione più avanzati.
- Il primo elemento da analizzare è il percorso seguito dai 3 watt di calore generati dal microchip. La maggior parte dell’energia — circa 2,2 watt, pari a quasi tre quarti del totale — si dirige verso il dissipatore, dove incontra una resistenza termica inferiore e quindi un percorso più agevole verso l’aria circostante. La quota restante viene invece dissipata direttamente dal microchip nell’ambiente. Questo bilanciamento iniziale è determinante perché definisce il comportamento termico complessivo del sistema.
Un secondo aspetto da non trascurare riguarda l’efficienza con cui il calore si disperde nell’aria. È qui che entra in gioco il coefficiente di convezione, da definire sia per il percorso dissipatore–aria sia per quello microchip–aria. Le tabelle disponibili online offrono valori di riferimento utili, ma è comunque necessario adattarli al caso specifico, soprattutto in presenza di geometrie complesse o flussi d’aria non uniformi.
Nel caso considerato, un coefficiente di 50 porta la temperatura del chip a circa 84,3 °C; aumentandolo a 100, la temperatura scende fino a 64,1 °C. Per coerenza con i calcoli iniziali, viene mantenuto il valore di 50.
- Una volta definita la temperatura di equilibrio, si può procedere al secondo step: utilizzare tali valori come input per il calcolo manuale delle tensioni strutturali. In questa fase il comportamento termico si traduce in sollecitazioni reali, soprattutto nelle zone in cui i materiali risultano accoppiati o incollati. Come già evidenziato, è proprio in queste interfacce che tendono a concentrarsi le tensioni, a causa delle differenze nei coefficienti di dilatazione o della presenza di superfici vincolate.
Al termine del processo si ottiene una tensione di contatto pari a 82,2 MPa.
Si tratta di un valore utile come indicazione preliminare, ma influenzato da diverse semplificazioni sia nella stima termica sia nel calcolo strutturale. Questo metodo offre dunque una valutazione rapida, ma non sostituisce un’analisi dettagliata basata su simulazioni dedicate.
Metodo 2
Calcolo manuale del trasferimento di calore e analisi delle tensioni con SOLIDWORKS Simulation
Per aumentare la precisione dei risultati, questo metodo prevede di eseguire la fase strutturale direttamente in SOLIDWORKS Simulation, sostituendo i calcoli manuali con un’analisi numerica più accurata e affidabile.
In questo metodo viene utilizzato lo strumento di analisi strutturale statica incluso in SOLIDWORKS Simulation Standard, applicando come carico termico le temperature ricavate dai calcoli preliminari. Poiché non sono disponibili risultati termici relativi a PCB e connettore, il modello viene semplificato concentrandosi su microchip e dissipatore.
- Lo studio statico viene creato importando automaticamente i materiali definiti nel CAD: un sottile strato di saldatura tra microchip e dissipatore, il dissipatore in rame e il chip in ceramica. Le interazioni vengono gestite tramite l’opzione globale bonded, mentre la stabilizzazione del modello è affidata a vincoli Roller/Slider applicati alle superfici opportune.
- Successivamente, le temperature calcolate manualmente vengono assegnate al microchip e al dissipatore, trattando temporaneamente la zona di saldatura come parte integrante del chip.
- Nelle proprietà dello studio viene, inoltre, impostata una temperatura iniziale uniforme di 300 K per garantire coerenza termica.
- Il modello viene, infine, meshato tramite la strategia Blended Curvature-based e la simulazione viene avviata.
I risultati mostrano che il dissipatore si espande più del microchip in ceramica, generando tensioni nell’area di contatto e una lieve deformazione dell’assemblaggio. La tensione media rilevata sulla superficie di contatto è pari a 86,42 MPa, un valore molto vicino agli 82,2 MPa ottenuti tramite calcolo manuale, ma con un livello di accuratezza decisamente superiore grazie alla valutazione della geometria reale e delle effettive condizioni di vincolo.
Metodo 3
Gestire l’intero workflow direttamente in SOLIDWORKS Simulation
Qui vengono abbandonati completamente i calcoli manuali e viene utilizzato SOLIDWORKS Simulation Professional per determinare la distribuzione iniziale delle temperature tramite uno studio termico. Questo approccio consente di descrivere con maggiore precisione il trasferimento di calore all’interno della geometria e di considerare gradienti termici non uniformi.
L’ analisi strutturale seguirà la logica del metodo precedente, integrando però ulteriori dettagli legati alla geometria del connettore.
- Lo studio termico viene, quindi, avviato definendo la sorgente di calore del modello tramite la funzione Heat Power, che permette di impostare in modo accurato la potenza termica applicata al componente.
Per iniziare, viene applicata una sorgente di calore da 3 watt all’intero corpo del microchip. Una volta definito come il calore entra nel sistema, bisogna stabilire come esce: attraverso la convezione. Per questo motivo si applicano diversi coefficienti di convezione alle superfici esposte — 50 per l’Heatsink e il connettore inferiore, 25 per il microchip in ceramica e 10 per il PCB — insieme a una temperatura ambiente di 300 K.
- Stabilite le condizioni di scambio termico con l’ambiente, si passa alle interazioni tra i componenti. Microchip, pasta termica, heatsink e connettori in rame vengono considerati accoppiati tra loro, così come PCB, connettore e pin. Alcune aree di contatto, però, presentano una connessione non perfetta e introducono resistenza termica aggiuntiva: a queste zone vengono assegnate resistenze locali dedicate.
- Completata la configurazione, il modello viene meshato e viene eseguito lo studio termico. La temperatura massima rilevata è di circa 82 °C, con un gradiente termico coerente su tutto l’assemblaggio. Il trasferimento di calore effettivo dal chip all’ Heatsink risulta pari a circa 2,06 W, in linea con i calcoli preliminari.
- Successivamente, i risultati termici vengono importati in uno studio strutturale. Grazie alla geometria più dettagliata e alla presenza dell’attrito nelle interazioni, il modello acquisisce una maggiore accuratezza. Il PCB viene inoltre stabilizzato mediante tre fixture dedicate, garantendo condizioni di vincolo coerenti per l’analisi.
Lo studio mette in evidenza un aumento delle tensioni nella zona di contatto del microchip, che raggiungono circa 92 MPa.
Questo approccio fornisce risultati più realistici perché non si basa più su temperature uniformi, ma permette di valutare meglio sia il gradiente termico interno del chip sia i percorsi di trasferimento del calore attraverso la geometria reale e le resistenze locali.
Metodo 4
Esecuzione dell’analisi del trasferimento di calore con SOLIDWORKS Flow Simulation e dell’analisi strutturale con SOLIDWORKS Simulation
In questo metodo viene utilizzato SOLIDWORKS Flow Simulation per la fase termica, così da calcolare automaticamente i coefficienti di convezione (convection coefficients) ed eliminare ogni stima manuale. Grazie alle sue capacità avanzate nella dinamica dei fluidi e nel trasferimento di calore, Flow Simulation permette un’analisi molto più realistica del sistema, includendo anche la convezione forzata (forced convection) generata dalla ventola inserita nel modello.
- Viene creato un progetto esterno di Flow Simulation, impostando l’aria come fluido e una temperatura iniziale di 300 K, in continuità con gli studi precedenti. Le proprietà dei materiali vengono importate direttamente dal modello CAD, mentre alla ventola viene assegnata una feature dedicata che ne simula l’effetto senza modellarne le pale. Sul microchip viene applicata una sorgente termica di 3 W e vengono definiti diversi engineering goals per monitorare temperature e coefficienti di scambio. Come nello studio FEA, viene inoltre introdotta una resistenza termica locale nelle zone di contatto.
- Dopo aver generato una mesh più dettagliata attorno al microchip, viene eseguito lo studio CFD. I risultati mostrano una temperatura massima compresa tra 76 e 77 °C, leggermente inferiore rispetto a quella ottenuta con Simulation Professional grazie al calcolo più accurato dei coefficienti di convezione. Le traiettorie di flusso e la distribuzione dei coefficienti di scambio evidenziano un comportamento realistico e non uniforme, coerente con una convezione forzata.
- Infine, i risultati termici vengono importati in SOLIDWORKS Simulation per l’analisi strutturale, configurata come nei metodi precedenti e con temperatura di riferimento fissata a 300 K. L’analisi evidenzia una tensione nella zona di contatto del microchip pari a 81,39 MPa, inferiore alle iterazioni precedenti grazie alla distribuzione termica più accurata fornita dalla CFD.
Questo ultimo risultato rappresenta lo scenario con il minor numero di assunzioni sia nella fase termica sia in quella strutturale. In particolare, non è più necessario stimare i coefficienti di convezione e il modello tiene conto di condizioni termiche più complesse e non uniformi.
Considerazioni finali
Dall’analisi dei quattro metodi emerge chiaramente come il livello di accuratezza aumenti passando dai calcoli manuali alle simulazioni FEM e CFD integrate. Nel primo metodo sono stati utilizzati esclusivamente calcoli manuali, sia per la fase termica sia per quella strutturale. Nel secondo metodo la parte termica è stata ancora valutata manualmente, mentre l’analisi strutturale è stata eseguita tramite FEA. Con la terza analisi entrambe le fasi — termica e strutturale — sono state affrontate con il metodo agli elementi finiti. Infine, nel quarto metodo la fase termica è stata gestita tramite una simulazione CFD, mentre quella strutturale è rimasta basata sull’analisi FEA.
In conclusione, l’impiego delle soluzioni SOLIDWORKS Simulation permette di rappresentare con maggiore precisione la geometria reale del sistema. Il risultato è un’analisi più affidabile e rigorosa, ideale per verificare in maniera accurata la capacità del progetto di soddisfare i requisiti prestazionali richiesti.
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