Um método de rede térmica para simulação de placas de circuito impresso regimes permanente e transiente

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021.O aumento da potência de componentes eletrônicos e a redução de suas dimensões contribuem para o aumento da densidade de potência térmica dissipada, fazendo com que o perfil térmico seja um critério importante no projeto de dispositivos eletrônicos. Modelos desenvolvidos a partir do método de rede térmica são úteis na simulação e análise do campo de temperatura em placas de circuito impresso (PCBs), tendo menor custo computacional quando comparado, por exemplo, a modelos baseados no método de volumes finitos. Um modelo de simulação foi desenvolvido neste trabalho a partir do método de rede térmica para simulação em regime permanente e transiente do perfil térmico de PCBs. Para isso, além de formulações usuais para resistências de condução e radiação e correlações para resistência de convecção natural, uma correlação para o cálculo de resistência de espalhamento foi desenvolvida com base em resultados de um modelo de volumes finitos. O modelo de rede térmica fornece flexibilidade para alterar parâmetros construtivos da PCB, propriedades dos materiais e potências dissipadas nos componentes. Os resultados mostraram que o modelo de rede térmica é capaz de simular placas posicionadas horizontalmente ou verticalmente, com diferentes números de componentes e considerando todos os modos de transferência de calor (condução, radiação e convecção). Além disso, o modelo permitiu simular o efeito de dissipadores de calor sobre a temperatura dos componentes da placa, sendo assim útil para a análise de soluções de gerenciamento térmico. O modelo foi também aplicado para analisar o caso de duas placas paralelas, em que uma das placas é considerada isotérmica, simulando o efeito de uma superfície quente próxima a PCB. Em todos os casos analisados neste trabalho, o modelo mostrou ser capaz de prever temperaturas dos componentes em diferentes configurações de PCBs, com diferenças inferiores a 7°C na previsão da temperatura dos componentes, quando comparados a resultados obtidos com modelos de volumes finitos.Abstract: The increase in the power dissipation of electronic components and the reduction of their dimensions contribute to the increase of their power density, making the thermal profile an important criterion in the design of electronics. Simulation models based on the thermal network method are useful in the analysis of the temperature distribution of printed circuit boards (PCBs), with lower computational cost in comparison with models based on the finite volume method. This work reports a model developed with the thermal network method to simulate the temperature distribution of PCBs under both steady and transient states. In addition to standard expressions for conduction and radiation thermal resistances and correlations for natural convective heat transfer coefficients available in the literature, an expression for the thermal spreading resistance was developed based on results of a finite volume model. The thermal network model allowed straightforward modifications associated with the constructive parameters of the PCB, material properties, and power dissipation of the electronic components. The results showed that the thermal network model can accurately predict the temperature distributions of PCBs positioned horizontally, vertically or in parallel with a second board, which was set as isothermal in order to represent a hot surface close the PCB. It was simulated PCBs with different numbers of electronic components and in presence of all heat transfer modes (conduction, radiation, and convection). The model was also capable to predict the effect of heat sinks on the temperature of an electronic component, thus being useful for the analysis of thermal management solutions. Overall, the model was shown to predict the temperatures of components for different configurations of PCBs with differences less than 7°C when compared to the results obtained with finite volume models