Estudo teórico e experimental da condutividade térmica efetiva de placas de circuito impresso para aplicações espaciais

• Ano de defesa: 2012
• Autor(a) principal: Rafael Lopes Costa
• Orientador(a): Valeri Vlassov Vladimirovich
• Banca de defesa: Rosângela Meireles Gomes de Leite, Ézio Castejon Garcia
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Mecânica Espacial e Controle
• País: BR
• Resumo em Inglês: This work presents a method based in experimental tests and numerical simulation for the effective thermal conductivity of multi-layer printed circuit boards (PCBs) for aerospace use. Three different types of experimental tests are performed, including steady state with natural convection, transient with natural convection and transient in vacuum. Upgraded expressions with experimentally fitted factors are proposed for calculating the anisotropic effective thermal conductivities k$_{p,eff}$ and k$_{s,eff}$ as well as their uncertainty ranges. A total of 88 different numerical models of 11 PCBs are developed using the commercial software SINDA/FLUINT. These models, which represent the same setup conditions of the experimental tests are used to identify the thermal effective conductivity values for all test cases. Numerical investigations are conducted to confirm the results stability as a function of mesh parameters and choice of numerical methods with their convergence criteria. In order to calculate the isotropic effective thermal conductivity k$_{eff,}$ an investigation about the k$_{p,eff}$ and k$_{s,eff}$ best combination are conducted and a calculation method is proposed. The weighted means provide much more accurate k$_{eff}$ expressions with less variation compared to simplified canonical means. The intrinsic uncertainties of the k$_{eff}$ values caused by the irregular distribution of the conductive traces are evaluated in a quantitative way. An infrared imaging test is performed to corroborate such uncertainties. Finally, a practical guide for electronic thermal designers is elaborated and explains in detail how to use the methods developed in this research as well as recommendations about the main uncertainties involved.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2012/02.15.18.37

Este trabalho apresenta uma metodologia baseada em testes experimentais e simulação numérica para determinação da condutividade térmica efetiva de placas de circuito impresso (PCBs) multicamadas utilizadas em equipamentos de uso aeroespacial. Testes experimentais de três tipos são realizados: regime permanente em ambiente convectivo, regime transiente em ambiente convectivo e regime transiente em vácuo. Expressões adaptadas com fatores de ajuste experimentais são propostas para o cálculo das condutividades térmicas efetivas anisotrópicas k$_{p,eff}$ e k$_{s,eff}$, assim como suas faixas de incerteza. Um total de 88 modelos numéricos de 11 PCBs são criados usando o pacote comercial SINDA/FLUINT. Estes modelos numéricos, que representam a configuração dos experimentos, são usados para identificação dos valores de condutividades térmicas efetivas em todos os casos de testes. Estudos numéricos confirmam a estabilidade dos resultados em função de parâmetros de malha e escolha de métodos numéricos em conjunto com seus critérios de convergência. Para o cálculo da condutividade térmica efetiva isotrópica k$_{eff,}$ um estudo sobre a melhor maneira de combinar k$_{p,eff}$ e k$_{s,eff}$ é realizado e uma metodologia de cálculo é proposta. Médias ponderadas propostas oferecem expressões para condutividade térmica efetiva com muito mais precisão e menor variação quando comparadas com as médias canônicas simples. São levantadas e avaliadas quantitativamente as incertezas intrínsecas de valores de condutividades efetivas devido à irregularidade na distribuição das trilhas nas camadas condutivas de PCBs. Um teste separado de imageamento infravermelho é realizado para confirmar esta incerteza. Por fim, um guia prático para projetistas térmicos de equipamentos eletrônicos para utilização da metodologia desenvolvida neste trabalho é criado com recomendações e tratamento das incertezas envolvidas.