Modelo de rede térmica para trilhas de cobre de placas de circuito impresso

Abstract

Visando evitar o superaquecimento dos componentes de uma placa de circuito impresso, uma abordagem de gerenciamento térmico é realizada através de impressão de trilhas de cobre. Devido à sua elevada condutividade térmica, o cobre desempenha um papel crucial na redução da resistência de condução de calor no plano. Na tentativa de prever o superaquecimento, análises térmicas comumente utilizam a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), mas o seu elevado custo computacional restringe a sua aplicação principalmente na fase de desenvolvimento de produtos. Como alternativa, modelos de rede térmica são mais viáveis devido ao menor custo computacional. No entanto, para prever as temperaturas dos componentes usando um modelo de parâmetros concentrados, é essencial caracterizar a condutividade térmica de acordo com a geometria das trilhas e considerar os efeitos tridimensionais da condução de calor através e no plano da placa. Neste trabalho descreve-se um modelo de rede térmica desenvolvido para uma PCB de duas camadas, em regimes transiente e permanente, com um substrato formado por material epóxi em que é impresso uma fina camada de trilha de cobre. O modelo não possui limites para a quantidade de componentes conectados pelas trilhas de cobre. Para compor o modelo, 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 visando modelar a condução de calor tridimensional com base em resultados de um modelo de volumes finitos. O modelo é capaz de simular o efeito anisotrópico da condutividade térmica na condução de calor, prevendo perfis de temperatura ao longo da placa, sob ação dos três modos de transferência de calor. O modelo foi construído para ser modular, apresentando uma interface simples que permite a alteração de parâmetros construtivos da PCB, propriedades dos materiais, potências dissipadas nos componentes e condições de contorno. Ao analisar a transferência de calor em uma PCB sob convecção natural a uma temperatura ambiente de 20°C o modelo apresentou temperaturas em boa concordância com as previsões de um modelo CFD, com diferenças inferiores a 10°C.