L’ingegneria elettronica e l’affidabilità dei dispositivi

L’affidabilità dei dispositivi elettronici è un tema che da sempre appassiona la Professoressa Giovanna Mura dell’Università di Cagliari. In questa intervista per la Società Italiana di Elettronica, ci ha raccontato la sua esperienza e il suo impegno in questo campo.

Dopo la laurea in ingegneria elettronica, la Professoressa Mura ha conseguito un dottorato di ricerca durante il quale ha iniziato a occuparsi di affidabilità e diagnostica dei dispositivi elettronici.

“Fin dal dottorato, mi sono interessata a diversi aspetti legati ai dispositivi optoelettronici e fotonici. Questi dispositivi possono emettere luce, o assorbirla e convertirla in energia. Queste tecnologie sono straordinarie e hanno un impatto importante in svariati ambiti della nostra vita.  Grazie a una lunga collaborazione con l’Università di Padova, ho lavorato sull’affidabilità e la diagnostica di LED, laser e celle solari. Abbiamo studiato l’affidabilità di questi dispositivi sottoponendoli a diversi fattori di degradazione con l’obiettivo di spingerli al limite per individuare eventuali debolezze e fornire ai produttori feedback utili per migliorare il processo di produzione. Questo approccio, per esempio, ha contribuito a passare da LED, con una durata limitata, a sorgenti luminose con numerosi vantaggi: elevato tempo di vita, grande efficienza energetica, qualità della luce superiore rispetto alle precedenti fonti di illuminazione e applicazioni innovative. Un esempio è l’illuminazione della Cappella Sistina, dove i LED garantiscono una visione ottimale che permette di apprezzare meglio gli affreschi, evitando al contempo di danneggiare i pigmenti e consumando molta meno elettricità delle sorgenti luminose tradizionali”.

La Professoressa Mura ci ha spiegato che l’affidabilità dei dispositivi elettronici comprende tutte le attività volte a valutarne la conformità nel tempo. Queste attività vengono svolte sia dalle aziende produttrici di elettronica sia nei processi di qualifica, per verificare se un componente può essere impiegato in settori particolarmente critici. Il testing affidabilistico è quindi fondamentale per determinare se il dispositivo è in grado di mantenere le proprie prestazioni per un determinato periodo in specifici contesti applicativi, come il settore automotive, aerospaziale e biomedicale.

“Mi occupo anche di diagnostica e analisi dei guasti, una sorta di “autopsia” dei dispositivi elettronici per capire perché si degradano o smettono di funzionare. L’obiettivo di questa analisi è individuare le cause del guasto, localizzare il punto esatto del danneggiamento e comprendere il meccanismo fisico-chimico responsabile del fallimento. Queste analisi vengono condotte sia all’interno delle aziende produttrici sia a valle di test di affidabilità, chiamati prove di vita accelerata. In questi casi, si conoscono gli stress applicati e si studia come abbiano influito sui materiali. Inoltre, l’analisi dei guasti può essere richiesta dopo un incidente, quando è necessario stabilire le responsabilità e determinare chi debba risponderne”.

L’affidabilità dell’elettronica è un aspetto cruciale anche nel settore aerospaziale dove la manutenzione è quasi impossibile. Un esempio significativo è rappresentato dai CubeSat, piccoli satelliti che stanno rivoluzionando l’accesso allo spazio e dando impulso alla cosiddetta New Space Economy. Questi dispositivi, dal peso di appena 1 kg e dal costo contenuto, rendono lo spazio più accessibile a università, privati e aziende, aprendo nuove opportunità in settori come le telecomunicazioni, la geolocalizzazione, il telerilevamento e la ricerca accademica.

“I CubeSat si distinguono dai satelliti monolitici tradizionalmente utilizzati dalle agenzie spaziali per il loro basso costo, i tempi di sviluppo ridotti e l’impiego di elettronica commerciale non progettata per l’ambiente spaziale. Tuttavia, questa caratteristica li rende meno affidabili e soggetti a frequenti guasti. Il mio interesse è studiare l’affidabilità di questi satelliti, poiché il loro malfunzionamento non solo compromette la missione, ma contribuisce anche all’inquinamento spaziale. I CubeSat inattivi restano in orbita, aumentando il rischio di collisioni con satelliti più grandi e importanti. La proliferazione di detriti spaziali è un problema urgente perché sta portando alla congestione dell’orbita bassa. Per questo, più che sulla manutenzione ancora di difficile applicazione, il mio obiettivo è riflettere su strategie per migliorare la loro affidabilità fin dalla progettazione, perché il miglior modo per evitare problemi derivanti dai detriti orbitali sarebbe in primo luogo quello di non causarli”.

L’ingegneria elettronica e la contraffazione

L’affidabilità elettronica è strettamente legata anche al problema della contraffazione. Esiste un vasto mercato di dispositivi elettronici contraffatti, che sembrano possedere determinate caratteristiche ma, in realtà, potrebbero avere difettosità latenti o essere stati recuperati da rifiuti elettronici, ricondizionati e poi rivenduti facendo credere siano nuovi.

“Questi dispositivi, che vengono venduti come autentici e nuovi ma in realtà non lo sono, possono compromette le prestazioni e la sicurezza dei sistemi in cui vengono impiegati. Pertanto, rappresentano un rischio per settori come la difesa, l’aerospazio, il biomedicale e l’industria automobilistica. Per questo motivo, è necessario acquistare solo da rivenditori autorizzati ma bisogna anche sviluppare strategie di controllo qualità e metodi di autenticazione per individuare e contrastare la diffusione di componenti falsificati, soprattutto quando l’obsolescenza ci impone l’acquisto di elettronica di dubbia provenienza. Mi sono appassionata a questa tematica e ho iniziato a utilizzare le tecniche di analisi dei guasti per identificare componenti elettronici contraffatti. Tuttavia, queste tecniche sono distruttive, poiché per dimostrare la contraffazione è necessario distruggere il dispositivo. Oggi, stiamo esplorando approcci più avanzati, che includono l’uso del machine learning e di tecniche non distruttive, che ci permettono di analizzare i dispositivi aumentando l’efficacia dell’identificazione senza comprometterne l’integrità”.

Essere a conoscenza del problema e poter identificare i componenti elettronici contraffatti è fondamentale, soprattutto perché questi dispositivi non offrono garanzie di affidabilità. A seconda dell’ambito di applicazione, un componente difettoso può causare guasti critici, mettendo a rischio la sicurezza di persone, sistemi e infrastrutture.

L’ingegneria elettronica del futuro

Tra le tante sfide che l’ingegneria elettronica dovrà affrontare è certamente importante considerare la sostenibilità e circolarità dell’elettronica per prolungare il loro ciclo di vita e ridurre la quantità di rifiuti destinati alle discariche.

“Un esempio virtuoso è lo smartphone Fairphone, prodotto da un’azienda olandese che si prefigge di minimizzare l’impatto etico e ambientale della nostra elettronica, progettato per essere facilmente riparabile, permettendo agli utenti di sostituire moduli invece di dover acquistare un nuovo dispositivo. Oltre alla riparabilità, è fondamentale sviluppare strategie efficaci per il recupero dei materiali. Diversi elementi chimici utilizzati nell’elettronica provengono da zone di conflitto e sono sempre più difficili da ottenere in modo etico e sostenibile. L’attuale modello di produzione contribuisce alla generazione di ingenti quantità di rifiuti elettronici, che spesso finiscono in circuiti illegali, con gravi impatti sull’ambiente. Questi rifiuti causano inquinamento del suolo, dell’aria e contaminazione delle acque, con effetti devastanti sulla salute, in particolare nei paesi in cui il loro smaltimento avviene senza regolamentazioni adeguate”.

La Prof.ssa Mura ha aggiunto che per affrontare e vincere queste sfide, è fondamentale avvicinare i futuri ingegneri, anche quelli che ancora non sono consapevoli della loro futura carriera, per illustrare tutte le opportunità offerte dal nostro settore.

“Molti ritengono che l’ingegneria sia troppo complessa, il che può rappresentare un deterrente. Certamente, è un corso di laurea impegnativo, ma offre enormi soddisfazioni. Bisogna mettersi in gioco, accettando anche i fallimenti, che, in realtà, sono parte integrante del processo di crescita. L’ingegneria elettronica, come tutte le altre branche dell’ingegneria, ha il potenziale di migliorare la qualità della vita, un aspetto sicuramente molto attrattivo. È cruciale concentrarsi sui giovani e iniziare a divulgare queste conoscenze fin dalla più giovane età, soprattutto per incoraggiare anche le ragazze a non precludersi una carriera scientifica a causa di stereotipi di genere e convenzioni sociali che non le invogliano verso le discipline STEM ”.