Loading...
Publication
Design and Optimization of Printed Circuit Boards Reinforced with Natural Fibers Using Computational Finite Element Methods
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| Documento em Acesso Embargado até dia 19-12-2028. Tente solicitar cópia ao autor carregando no ficheiro | 6.43 MB | Adobe PDF |
Authors
Abstract(s)
The growing environmental concerns and the search for more sustainable solutions have driven research into the development of eco-friendly materials for technological applications. In this context, this thesis addresses the design and optimization of printed circuit boards (PCBs) reinforced with natural fibers, using computational methods based on the Finite Element Method (FEM). The partial or complete replacement of traditional materials with natural fiber composites in PCBs aims to reduce environmental impact without compromising the mechanical, thermal, and electrical performance required for modern electronic applications.
The work begins with a critical review of the literature, identifying the main natural fiber (such as eucalyptus, pine, hemp, and bamboo, among others) and their relevant properties for PCB applications. A systematic material selection methodology is then proposed, combining criteria of sustainability, technical performance, and processing feasibility.
Computational modelling and simulation are fundamental in this study. Detailed three-dimensional models of composite PCBs were developed, incorporating the typical microstructure of natural fiber composites. The Finite Element Method was employed to analyse the structural behaviour (bending, tensile strength, fatigue) and thermal performance (heat dissipation, thermal expansion) of the new PCBs. Advanced modelling techniques, such as multiscale analysis and property homogenization, were applied to adequately represent the interaction between the polymeric matrix and the natural fiber.
The optimization phase involved the use of evolutionary algorithms and multi-objective optimization methods to find the best balance between weight, mechanical strength, thermal conductivity, and cost. Different reinforcement configurations, fiber orientations, and multilayer architectures were simulated and compared.
The results demonstrated that it is possible to achieve performance levels comparable to those of conventional materials in several critical metrics, with the added advantage of significantly reducing the carbon footprint of the final products.
This thesis includes two studies dedicated to the modelling of solder paste behaviour during printing and reflow processes. The first study develops a two-dimensional model that describes the flow of solder paste through the stencil, analysing aperture filling, the influence of viscosity, and the effects of squeegee dynamics on the final deposition profile. The simulations qualitatively reproduce the patterns observed experimentally, thereby validating the modelling approach.
The second study presents a three-dimensional simulation coupled with a six-degrees-of-freedom (6DoF) model and user-defined functions (UDFs) that describe the transition of the solder paste into its molten state. This approach enabled the analysis of the combined behaviour of the paste and the component during the Pin-in-Paste process, encompassing phenomena such as volumetric shrinkage, rheological evolution, surface-tension-driven effects, and meniscus formation. The results demonstrate that numerical modelling is an effective tool for understanding and optimizing soldering processes, particularly when applied to alternative substrates intended to replace conventional laminates.
Finally, the industrial impact of this approach is discussed, along with the observed limitations, and future research directions are proposed, including studies on long-term durability, behaviour in harsh environments, and the integration of additive manufacturing techniques to produce eco-friendly PCBs.
This work contributes to innovation in the design of sustainable electronic components, paving the way for a new generation of more environmentally friendly devices.
A crescente preocupação ambiental e a procura por soluções mais sustentáveis têm impulsionado a investigação no desenvolvimento de materiais ecológicos para aplicações tecnológicas. Neste contexto, esta tese aborda o projeto e a otimização de placas de circuito impresso "Printed Circuit Boards" (PCBs) reforçadas com fibras naturais, utilizando métodos computacionais baseados no Método dos Elementos Finitos (FEM). A substituição parcial ou total de materiais tradicionais por compósitos naturais em PCBs visa reduzir o impacto ambiental, sem comprometer o desempenho mecânico, térmico e elétrico necessário para aplicações eletrónicas modernas. O trabalho inicia-se com uma revisão crítica da literatura, identificando as principais fibras naturais (como eucalipto, pinho, cânhamo e bambo) e suas propriedades relevantes para aplicações em PCBs. Em seguida, é proposta uma metodologia sistemática de seleção de materiais, combinando critérios de sustentabilidade, desempenho técnico e viabilidade de processamento. A modelação e simulação computacional são fundamentais neste estudo. Foram desenvolvidos modelos tridimensionais detalhados de PCBs compostas, que incorporam a microestrutura típica dos compósitos de fibras naturais. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para analisar o comportamento estrutural (flexão, tração, fadiga) e térmico (dissipação de calor, expansão térmica) das novas PCBs. Técnicas avançadas de modelação, como análise multiescala e homogeneização de propriedades, foram aplicadas para representar adequadamente a interação entre a matriz polimérica e as fibras naturais. A fase de otimização envolveu o uso de algoritmos evolutivos e métodos de otimização multiobjectivo para encontrar o melhor equilíbrio entre peso, resistência mecânica, condutividade térmica e custo. Diferentes configurações de reforço, orientações de fibras e arquiteturas multicamadas foram simuladas e comparadas. Os resultados demonstraram que é possível atingir níveis de desempenho comparáveis aos dos materiais convencionais em várias métricas críticas, com a vantagem adicional de reduzir significativamente a pegada de carbono dos produtos finais. Esta tese inclui dois estudos dedicados à modelação do comportamento da pasta de solda nos processos de impressão e fusão. No primeiro, é desenvolvido um modelo bidimensional que descreve o escoamento da pasta durante a impressão por mascara de impressão, analisando o preenchimento da abertura, a influência da viscosidade e os efeitos da dinâmica da lâmina na formação da deposição. As simulações reproduzem de forma qualitativa os padrões observados experimentalmente, validando a abordagem adotada. O segundo estudo apresenta uma simulação tridimensional acoplada a um modelo de seis graus de liberdade (6DoF) e a funções UDF que representam a transição da pasta para solda fundida. Esta abordagem permitiu analisar o comportamento conjunto da pasta e do componente durante o processo Pin-in-Paste, abrangendo fenómenos como retração volumétrica, evolução reológica, forças de superfície e formação do menisco. Os resultados mostram que a modelação numérica é uma ferramenta eficaz para compreender e otimizar processos de soldadura, sobretudo quando aplicados a materiais alternativos aos laminados convencionais. Finalmente, discute-se o impacto industrial desta abordagem, as limitações observadas, e propõem-se direções futuras para investigação, incluindo o estudo da durabilidade a longo prazo, o comportamento em ambientes agressivos e a integração de técnicas de fabrico aditivo para a produção de PCBs ecológicas. Este trabalho contribui para a inovação no design de componentes eletrónicos sustentáveis, abrindo caminho para uma nova geração de dispositivos mais amigos do ambiente.
A crescente preocupação ambiental e a procura por soluções mais sustentáveis têm impulsionado a investigação no desenvolvimento de materiais ecológicos para aplicações tecnológicas. Neste contexto, esta tese aborda o projeto e a otimização de placas de circuito impresso "Printed Circuit Boards" (PCBs) reforçadas com fibras naturais, utilizando métodos computacionais baseados no Método dos Elementos Finitos (FEM). A substituição parcial ou total de materiais tradicionais por compósitos naturais em PCBs visa reduzir o impacto ambiental, sem comprometer o desempenho mecânico, térmico e elétrico necessário para aplicações eletrónicas modernas. O trabalho inicia-se com uma revisão crítica da literatura, identificando as principais fibras naturais (como eucalipto, pinho, cânhamo e bambo) e suas propriedades relevantes para aplicações em PCBs. Em seguida, é proposta uma metodologia sistemática de seleção de materiais, combinando critérios de sustentabilidade, desempenho técnico e viabilidade de processamento. A modelação e simulação computacional são fundamentais neste estudo. Foram desenvolvidos modelos tridimensionais detalhados de PCBs compostas, que incorporam a microestrutura típica dos compósitos de fibras naturais. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para analisar o comportamento estrutural (flexão, tração, fadiga) e térmico (dissipação de calor, expansão térmica) das novas PCBs. Técnicas avançadas de modelação, como análise multiescala e homogeneização de propriedades, foram aplicadas para representar adequadamente a interação entre a matriz polimérica e as fibras naturais. A fase de otimização envolveu o uso de algoritmos evolutivos e métodos de otimização multiobjectivo para encontrar o melhor equilíbrio entre peso, resistência mecânica, condutividade térmica e custo. Diferentes configurações de reforço, orientações de fibras e arquiteturas multicamadas foram simuladas e comparadas. Os resultados demonstraram que é possível atingir níveis de desempenho comparáveis aos dos materiais convencionais em várias métricas críticas, com a vantagem adicional de reduzir significativamente a pegada de carbono dos produtos finais. Esta tese inclui dois estudos dedicados à modelação do comportamento da pasta de solda nos processos de impressão e fusão. No primeiro, é desenvolvido um modelo bidimensional que descreve o escoamento da pasta durante a impressão por mascara de impressão, analisando o preenchimento da abertura, a influência da viscosidade e os efeitos da dinâmica da lâmina na formação da deposição. As simulações reproduzem de forma qualitativa os padrões observados experimentalmente, validando a abordagem adotada. O segundo estudo apresenta uma simulação tridimensional acoplada a um modelo de seis graus de liberdade (6DoF) e a funções UDF que representam a transição da pasta para solda fundida. Esta abordagem permitiu analisar o comportamento conjunto da pasta e do componente durante o processo Pin-in-Paste, abrangendo fenómenos como retração volumétrica, evolução reológica, forças de superfície e formação do menisco. Os resultados mostram que a modelação numérica é uma ferramenta eficaz para compreender e otimizar processos de soldadura, sobretudo quando aplicados a materiais alternativos aos laminados convencionais. Finalmente, discute-se o impacto industrial desta abordagem, as limitações observadas, e propõem-se direções futuras para investigação, incluindo o estudo da durabilidade a longo prazo, o comportamento em ambientes agressivos e a integração de técnicas de fabrico aditivo para a produção de PCBs ecológicas. Este trabalho contribui para a inovação no design de componentes eletrónicos sustentáveis, abrindo caminho para uma nova geração de dispositivos mais amigos do ambiente.
Description
Keywords
Elementos Finitos Fibras Naturais Placas de Circuito Impresso Sustentabilidade Finite Elements Natural Fibers Printed Circuit Board Sustainability