L’effetto Joule è uno dei principali fenomeni che si verificano negli apparati elettronici, quando l’energia elettrica si trasforma in energia termica. In sintesi, l’effetto Joule consiste nella produzione di calore che si verifica quando in un elemento di un circuito elettrico passa una certa corrente tra due estremi, caratterizzati da una certa differenza di potenziale.

L’effetto Joule in alcuni casi è voluto – come nel fusibile, nell’asciugacapelli o nel forno elettrico – ma nella maggior parte dei casi è una conseguenza inevitabile del passaggio di corrente, che provoca un calore non voluto e potenzialmente dannoso. Dal punto di vista di chi si occupa di simulazione termica nell’ambito della progettazione di un apparato elettronico, è un problema del quale è necessario avere un quadro preciso, nell’ambito di un ambiente di progettazione in 3D.

L’effetto Joule può essere gestito efficacemente con uno strumento come Simcenter FloTHERM XT, il simulatore termico integrato all’interno di PADS Professional, la suite di PCB Design proposta da Mentor e Siemens per le piccole e medie aziende di progettazione elettronica. Nelle ultime versioni di FloTHERM XT, le condizioni elettriche al contorno vengono imposte sulla periferia di una rappresentazione solida 3D del conduttore. Il successivo processo di simulazione elettro-termica 3D risolve il potenziale di corrente e la tensione e utilizza la potenza di riscaldamento Joule come una fonte cella per cella per la soluzione della temperatura.

Ambiti di applicazione tipici della simulazione del calore prodotto per effetto Joule sono le busbar, i substrati di alimentazione e i piani di terra del BGA, i leadframes e i fusibili. Si tratta di tutti quei casi in cui il calore dovuto alla resistenza gioca un ruolo dominante nella dissipazione totale della potenza.

Il ruolo svolto dal fusibile implica un accoppiamento tra il mondo elettrico e quello termico. Un aumento della temperatura determinerà un aumento della resistività elettrica, la quale aumenterà a sua volta la densità di corrente, la quale aumenterà la potenza del riscaldamento Joule, che aumenterà la temperatura e così via. Se il calore viene rimosso abbastanza velocemente, si ottiene un equilibrio e le condizioni si stabilizzano ad un aumento di temperatura costante. Se l'accoppiamento è troppo forte, in particolare in condizioni di corrente alta, la temperatura s’impenna, finché il fusibile non si surriscalda. FloTHERM XT è in grado di gestire questo accoppiamento, mediante la sua proprietà materiale di resistività elettrica dipendente dalla temperatura.