Desenvolvimento de correlações de transferência de calor para componentes de placas eletrônicas

Abstract

O gerenciamento térmico em placas de circuito impresso (PCB) tem o intuito de evitar falhas devido a temperaturas elevadas de operação de seus componentes. Modelos de parâmetros concentrados são uma alternativa para minimizar o tempo e custo necessários para esse tipo de análise, especialmente nas fases iniciais de projeto. No entanto, a simulação térmica baseada nesses modelos de ordem reduzida necessita de correlações de transferência de calor para placas e seus componentes dissipadores calor, muitas das quais não estão disponíveis na literatura. Assim, considerando a necessidade de correlações para aplicações de gerenciamento térmico de PCBs, esta dissertação possui dois objetivos principais: (i) avaliar a aplicabilidade de correlações disponíveis na literatura para analisar a transferência de calor por convecção natural em PCBs em conjunto com seus componentes; (ii) desenvolver correlações para as situações não contempladas pela literatura. Para alcançar esses objetivos, a convecção natural em placas e canais com componentes dissipando calor foi resolvida numericamente, a partir de um método de volumes finitos, com as placas nas disposições horizontal, vertical e inclinada. Números de Nusselt médio e local foram calculados a partir da solução numérica, comparados com correlações da literatura e, quando necessário, novas correlações foram propostas utilizando um algoritmo genético de otimização. Em algumas situações, o desenvolvimento das novas correlações necessitou novas definições para os números de Nusselt e de Rayleigh de forma a melhor representar os aspectos físicos do problema. Correlações da literatura se mostraram adequadas em algumas situações simples de placas e canais, porém novas correlações foram necessárias para canais formados por placas horizontais, canais com uma das placas sem componente gerador de calor e para prever a transferência de calor local em placas e canais verticais. Além disso, correlações foram desenvolvidas para componentes sobre placas horizontais, verticais e inclinadas, considerando o efeito da interação térmica com outros componentes na placa. As correlações selecionadas na literatura e desenvolvidas no presente trabalho foram consideradas satisfatórias para aplicações em modelos de parâmetros concentrados, sendo que a diferença média entre os valores das correlações desenvolvidas e seus respectivos valores das simulações numéricas não ultrapassaram 15% nos casos analisados.

Abstract: The thermal management of printed circuit boards (PCB) aims to prevent failures due to high operating temperatures in electronic components. Lumped-models are an alternative to minimize the time and cost needed for this type of analysis, especially in the early design phases. This type of simulation needs heat transfer correlations, but the actual conditions found in electronic boards with components dissipating heat locally are generally different from the conditions analyzed in the literature, so that the existing correlations may not be suited for the simulation of PCBs. Aiming to provide correlations for PCB thermal management applications, this master?s thesis has two main objectives: (i) to assess the applicability of correlations available in the literature to predict the heat transfer by natural convection in PCBs, considering their components; (ii) to develop correlations for situations not covered by the literature. To meet these objectives, the natural convection in plates and channels with heat-dissipating components was solved numerically using a code based on the finite volume method, with the plates in horizontal, vertical and inclined arrangements. The average or local Nusselt number was calculated from the numerical solution, compared to correlations available in the literature, and when necessary, new correlations were proposed using a genetic optimization algorithm. In some situations, the development of new correlations required modifications in the formulation of the Nusselt and Rayleigh numbers in order to better represent the physical aspects of the problem. Correlations from the literature were considered suitable for engineering applications in some simple situations of plates and channels, although new correlations were needed in the following cases: horizontal channels, channels where one of the plates has no heated component, and local heat transfer in vertical plates and channels. Regarding the components, three correlations were developed: one for components on horizontal plates and two for components on vertical and inclined plates taking into account the effect of other components on the PCB. The Nusselt correlations available in the literature and those developed in the present work were considered satisfactory for applications in lumped-models, with the mean difference between their values and the numerical predictions was below 15%.