לראות לתוך התכנון האלקטרוני דרך העדשה של SOLIDWORKS FLOW SIMULATION מנקודת מבט של מהנדס זיווד אלקטרוני
בתכנון מערכות אלקטרוניות ישנם אתגרים רבים. חלקם ניכרים לעין, אך חלקם – כמו חום עודף במערכת – נסתרים מאיתנו. גורם זה היווה מאז ומעולם אתגר העומד בפיתוח מערכות מתקדמות.
מערכות אלקטרוניות עם כוח עיבוד גדול יותר, עוצמות שידור גבוהות יותר, חיישנים רבים יותר, תכנון רכיבים קטנים יותר, הן ברמת המוצר והן ברמת המעגלים החשמליים. מערכות אלו פוגשות את בעיית נושא החום בנקודה קריטית. נקודה, אשר יכולה לפגוע בביצועים, אמינות ואורך חיי המוצר. כל אלו הן רק חלק מהאתגרים של מהנדס הזיווד האלקטרוני כיום.
נציג לכם כיצד מתכנן מכני בחברה ביטחונית גדולה מתמודד עם האתגרים האלו וכיצד שילוב של כלי אנליזה מתקדמים ואינטגרליים בתוכנת SOLIDWORKS עוזרים לו ביום יום.
הפתרון
כיום כל מתכנן בחברה קטנה או גדולה מבין שעל מנת לצמצם את זמן הפיתוח, להפחית את הסיכונים לכשל תרמי ולהאריך את אורך חיי המוצר יש צורך לברר את ההיבטים התרמיים בשלבים מוקדמים יותר בתהליך התכנון.
ניתוח זה הינו קריטי כאשר אנו מסתכלים על רכיבים אלקטרונים. אין דרך למנוע לחלוטין את יצירת החום באלקטרוניקה. רוב המעגלים האלקטרוניים פולטים אנרגיה בצורה של חום. לרוע המזל, עליית הטמפרטורה פוגעת באורך החיים של המעגלים – כמחצית מכל התקלות במעגלים אלקטרוניים קשורים לטמפרטורה. לכן יש צורך ליישם מערכות פינוי חום אופטימליות במעגלים אלקטרוניים.
דיברנו עם מהנדס זיווד אלקטרוני בכיר בחברת ביטחונית גדולה (ביקש להישאר אנונימי) כדי לשמוע ממקור ראשון על ההתנסות האישית שלו, מה עוזר לו בעבודתו להתגבר על אי-הוודאות ולראות את הבלתי נראה.
באנימציה הבאה אפשר לראות את פילוג הטמפרטורה בחתך של הקופסא במצב מתמיד כאשר החתך נע לאורך הקופסא.
כיצד זה עוזר למתנן המכני ומה האתגר
פינוי החום המיושם במעגלים אלקטרוניים צריך להיות יעיל, אחרת המשמעות היא מוצר נחות שלבסוף מתורגם להפסד כספי. FLOW SIMULATION הינה מוצר סימולציה שיכול לעזור למתכננים ליצור תכנון תרמי אופטימלי כדי להבטיח אמינות ואורך חיים של המוצר. הדמיה תלת מימדית של מעבר חום ותנועת זורם משמשת לניתוח תרמי במעגלים אלקטרוניים. Flow simulation מתחשב בכל מנגנוני מעבר החום (הולכה, הסעה וקרינה) כך שתוצאות האנליזה הן המציאותיות ביותר.
אבל כמובן שלא הכל פשוט. כדי ולהימנע מ-GARBAGE IN – GARBAGE OUT צריך לדעת להשתמש בכלי האנליזה בצורה נכונה.
SOLIDWORKS FLOW SIMULATION חוזה במדויק פילוג טמפרטורה, קצבי העברת חום, נקודות חמות, שדות ודפוסים של זרימה וכו'. מתכננים יכולים להשתמש בנתונים אלה כדי למצוא פתרון ניהול תרמי אידיאלי ולהבטיח ביצועי מוצר מקסימליים.
ניתן להשתמש ב-CFD ברמת ה-PCB (כפי שניתן לראות בתמונה לעיל) וכן ברמת המערכת – בהתחשב בצלעות קירור, מחליפי חום, פלטות קרות, מוליכים, מאווררים וכו' (כפי שניתן לראות באנימציה הראשונה). האנליזה מאפשרת לבצע אופטימיזציה של גיאומטריית המודל לקבלת פילוג טמפרטורה אופטימלי.
אזורים בהם יש התנגדות גודלה לזרימת חום נקראים "Thermal bottlenecks" .
ה-Bottleneck number (Bn) הוא פרמטר מספרי המאפשר לזהות את האזורים הבעייתיים בהם יש זרימת חום גבוהה וגם התנגדות גדולה לזרימה.
אזורים בהם ניתן להעביר מסלולים חדשים לפינוי חום ניתנים לזיהוי על ידי פרמטר אחר בשם
Shortcut number (Sc) זהו פרמטר המראה היכן אפשר לעבור בצורה אופטימלית מהאזורים החמים לאזורים הקרים. אינדיקציות אלה מצביעות על מיקומים טובים ל-VIAS, HEAT PIPES או מוליך כלשהו על מנת להוריד את הטמפרטורות בצורה אופטימלית.
העלות של כשלים תרמיים
מערכות אלקטרוניות מודרניות הן מאוד מורכבות. כל הרכיבים צמודים אחד לשני עד אפס מקום על מנת להקטין את גודל המוצר ולהגדיל את כוח העיבוד. לכן היכולת לבצע שינויים בשלבים מאוחרים של הפיתוח מוגבלת מאוד וכרוכה בכמות עצומה של עבודה נוספת ועיכובים משמעותיים בפרויקט.
כמו כן, יכולת בדיקה מעמיקה ומספקת של המוצרים במצבי עבודה שונים לא תמיד אפשרית בבדיקות מעבדה, מה שיכול לגרום לכשלים שונים שיתגלו במוצרים לאחר יציאתם לשוק. סימולציה טובה של הזרימה הנוצרת בכלל המערכת המאפשרת מדידה של מגוון רחב של פרמטרים נוספים, כגון מהירות כפי שניתן לראות בתמונה כאן, הינה הפתרון לסוגיה זו.
זו הסיבה ששימוש ב-CFD בשלבי התכנון המוקדמים מהווה פרקטיקה מומלצת ורווחת. הטמעת SOLIDWORKS FLOW SIMULATION בארגז הכלים של מתכנן הזיווד האלקטרוני משפרת משמעותית את יכולתו להתמודד עם בעיות מורכבות ובכך מובילה לפיתוח מוצר איכותי יותר בעלות קטנה יותר וזמן קצר יותר.
