Modelação térmica de placas de circuito impresso

Abstract

Para reduzir o tempo e custo de desenvolvimento de um produto, o processo de prototipagem e os testes de validação têm vindo a sido substituídos pela produção assistida por computador. Em particular, ferramentas de CFD tornaram-se muito importantes na análise e projeto térmico de sistemas eletrónicos. A temperatura pode dar origem, não só a mudanças mecânicas, como também a alterações do desempenho elétrico de uma placa de circuito impresso. O projeto de ventiladores e dissipadores de calor deve equilibrar as atuais necessidades de dimensões reduzidas, com o escoamento de calor adequado, por forma a garantir que as placas de circuito impresso não deformem nem partam quando submetidas a uma temperatura excessiva. Neste trabalho é feito um estudo do comportamento térmico de placas de circuito impresso, tendo como ferramenta computacional de apoio o software de simulação CFD ANSYS FLUENT. Feita a modelação matemática do fenómeno associado à geração e troca de calor em placas de circuito impresso, procurou-se posteriormente testar e validar o modelo obtido, examinando cada mecanismo de troca de calor separadamente e selecionando, para o efeito, cenários específicos para análise do comportamento dos mecanismos. Finalmente foram considerados quatro casos de estudos para os quais foram realizadas simulações numéricas de modo a perceber o comportamento e a dispersão térmica de uma placa de circuito impresso na presença de componentes eletrónicos em funcionamento. Estes casos vão desde a simulação de uma placa com uma resistência elétrica em funcionamento até à situação de diferentes placas com diferentes resistências e pretendem fazer a análise de sensibilidade da temperatura e área de influência da transferência de calor, face aos parâmetros potência dissipada, composição da placa e número de elementos dissipativos.

To reduce product development cost and time, traditional prototyping and testing have been replaced by computer aided software. In particular, CFD has become an important tool in the thermal analysis and design of electronics systems. The temperature can produce not only mechanical changes, but also changes in the electrical performance of a printed circuit board. The design of cooling fans and heat sinks must balance the need for small size with adequate heat removal, so that printed circuit boards do not deform or crack under excessive thermal stress. This thesis aims to analyse the thermal behaviour of printed circuit boards by using the CFD software ANSYS FLUENT. After obtaining the mathematical model of the phenomena associated with generation and heat transfer on printed circuit boards, a program of validation and testing was implemented, by examining each heat transfer mechanism separately, and selecting for such purpose, specific scenarios to analyze the behavior of mechanisms. Finally, four study cases were considered and several numerical simulations were performed to understand the behavior and thermal profile of a printed circuit board in the presence of operating components. These cases range from the simulation of a board with one resistor on to the situation of different boards with different resistors and aim to do a sensitivity analysis of the temperature and area of influence of heat transfer, due to power dissipation, board composition and number of components.