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電子機器の信頼性を高める効果的なPCB放熱技術10選

2023-08-09記者: SprintPCB

現代のエレクトロニクス分野では、デバイスのサイズが小型化し、性能が向上するにつれて、熱管理の問題はますます重要になり、無視できないものとなっています。ある賢人がかつて言ったように、「技術の進歩はしばしば熱の放出と隣り合わせである」のです。電子機器の動作中に発生する熱は、適切に処理・放散されなければ、目に見えない脅威となり、機器の安定性と寿命を静かに脅かす可能性があります。絶えず変化するデジタル世界において、PCB（プリント回路基板）の冷却に関する主要な技術を習得することは、電子機器の信頼性を高めるだけでなく、最先端の技術をリードするための不可欠な道でもあります。

PCBの放熱

電子機器は動作中に一定の熱を発生し、機器内部の温度が急激に上昇します。この熱が速やかに放散されないと、機器は発熱を続け、過熱による部品故障につながり、電子機器の信頼性と性能を低下させます。そのため、回路基板の放熱を効果的に管理することが非常に重要です。PCBの放熱は非常に重要な役割を担っているため、PCBの放熱技術についていくつか説明します。PCBの放熱材料として広く使用されているものには、銅張エポキシガラスクロス基板やフェノール樹脂ガラスクロス基板があり、少数ですが紙ベースの銅張基板も使用されています。これらの基板は優れた電気的特性と加工特性を備えていますが、放熱性は低いという欠点があります。高発熱部品の冷却方法としては、PCB樹脂自体を介した熱伝導に頼ることはほぼ不可能であり、部品表面から周囲の空気中に熱を放散させる方法を採用しています。しかし、電子製品が部品の小型化、高密度実装、高発熱の時代を迎え、部品の小さな表面積のみに頼って放熱を行うだけでは十分ではありません。同時に、QFPやBGAといった表面実装部品の普及により、電子部品から発生する熱はPCBに広範囲に伝わります。そのため、放熱対策として最も効果的なのは、発熱部品に直接接触するPCBの放熱性能を高め、PCBを介した熱伝導・放散を促進することです。

PCBレイアウトと部品配置

冷気ゾーンと感温部品

熱センサーを冷気ゾーンに配置すると、空気の循環が改善されます。

温度検知装置

温度検知装置は最も高温になる場所に設置します。

パーティションの配置

同一プリント基板上の部品は、発熱量と放熱量に応じて可能な限り分割する必要があります。発熱量が低い、または耐熱性の低い部品（小信号トランジスタ、小型集積回路、電解コンデンサなど）は冷却風の上流（入口）に配置し、発熱量が高い、または耐熱性に優れた部品（パワートランジスタ、大規模集積回路など）は冷却風の下流に配置する必要があります。

垂直レイアウトと水平レイアウト。

水平方向では、高出力デバイスは熱伝達経路を短縮するため、プリント基板のエッジに近づけて配置する必要があります。垂直方向では、高出力デバイスをプリント基板の上方に配置することで、動作中の他のデバイスの温度への影響を最小限に抑えることができます。機器のプリント基板内の放熱は、主に空気の流れに依存しています。そのため、設計段階では、空気の流れの経路を検討し、部品やプリント基板を適切に配置することが重要です。

温度感知センサー部品の位置

空気は動いているときに抵抗の少ない方向に流れる傾向があります。そのため、プリント基板上に部品を配置する際には、特定の領域に大きな空きスペースを残さないようにすることが重要です。システム内の複数のプリント基板に部品を配置する場合も、この原則を考慮する必要があります。温度に敏感なデバイスは、機器の底面など、最も温度の低い領域に配置するのが理想的です。発熱部品の真上には配置しないようにすることが重要です。複数のデバイスを配置する場合は、水平面上に千鳥状に配置することをお勧めします。

高出力デバイス

消費電力と発熱量が最も高いデバイスは、最適な冷却位置の近くに配置してください。近くに冷却装置が設置されていない限り、高発熱デバイスをプリント基板の角や端に配置することは避けてください。

ラジエーターと熱伝導プレート

放熱板と熱伝導板

小規模暖房装置

パワー抵抗器を設計する際には、大型のデバイスを選択し、プリント基板のレイアウトを調整する際に十分な放熱スペースを確保することが推奨されます。発熱量の高い部品には、ヒートシンクや熱伝導プレートを追加することができます。発熱部品の数が少ない場合（3個未満）、発熱部品にヒートシンクまたはヒートパイプを取り付けることができます。温度が十分に下がらない場合は、ファン付きヒートシンクを使用して放熱性を高めることができます。

大型放熱部品

発熱部品の数が多い場合（3個以上）、大型の放熱筐体（プレート）を採用できます。この専用ヒートシンクは、PCB基板上の発熱部品の位置と高さに基づいてカスタマイズするか、大型の平面ヒートシンク上に部品の高さを調整して配置することも可能です。放熱筐体は部品表面にしっかりと固定され、個々の部品に接触することで効果的な放熱を実現します。

熱相変化伝導パッド

しかし、はんだ付け時の部品高さの均一性が低いため、放熱効果は最適ではありません。そのため、部品表面に柔軟な熱相変化伝導パッドを貼り付けることで放熱性を高めることが一般的です。

回路設計と配線レイアウト

回路設計

自然対流空冷を利用する機器では、集積回路（またはその他の部品）を垂直方向または水平方向に配置することが推奨されます。適切に設計された配線構造によって効率的な放熱を実現するには、銅配線の保持力を高め、サーマルビアを組み込むことが主な方法です。基板材料内の樹脂の熱伝導率が低いため、銅配線とビアは効果的な熱伝導体として機能します。PCBの放熱能力を評価するには、PCBの絶縁基板に使用されている、熱伝導率の異なる様々な材料を組み合わせた複合材料の等価熱伝導率を計算する必要があります。同じプリント基板上の部品は、発熱量と放熱能力に基づいてゾーン分けして配置する必要があります。小信号トランジスタ、小型集積回路、電解コンデンサなど、発熱量が低い、または熱抵抗が低い部品は、冷却風（入口）の上流側に配置します。パワートランジスタや大規模集積回路など、発熱量が高い、または熱抵抗が高い部品は、冷却風の下流側に配置します。水平方向では、高出力デバイスは熱伝達経路を短縮するため、プリント基板の端に近づけて配置する必要があります。垂直方向では、他の部品の温度への影響を最小限に抑えるため、高出力デバイスはプリント基板の上部に配置する必要があります。デバイス内部のプリント基板の放熱は、主に空気の流れに依存します。したがって、設計段階では、空気の流れの経路を検討し、部品またはプリント基板を戦略的に配置することが重要です。空気は移動時に抵抗の低い領域に流れる傾向があるため、プリント基板上に部品を配置する際には、特定の領域に大きな隙間を残さないようにすることが重要です。アセンブリ内の複数のプリント基板の構成についても、同様の問題を考慮する必要があります。温度に敏感な部品は、最も温度の低い領域（デバイスの底面など）に配置することをお勧めします。発熱部品の真上には配置しないでください。複数の部品を扱う場合は、水平面上に交互に配置することが望ましいです。消費電力と発熱量が最も高い部品は、最適な放熱位置の近くに配置してください。近くに放熱装置が配置されている場合を除き、高発熱部品をプリント基板の角や端に配置することは避けてください。電力抵抗器を設計する際は、可能な限り大型の部品を選択し、プリント基板のレイアウトを調整する際に十分な放熱スペースを確保してください。PCB 上のホットスポットの集中を最小限に抑え、電力を PCB 全体にできる限り均等に分配して、表面温度の均一性と安定性を維持します。設計プロセスでは、厳密に均一な分配を実現することが困難な場合がよくありますが、電力密度が過度に高い領域を回避することが重要です。この予防措置は、回路の正常な動作に悪影響を与える可能性のあるホットスポットの発生を防ぐために行われます。条件が許せば、プリント回路の熱エネルギー解析を実行することが不可欠です。最近の一部の専門的な PCB 設計ソフトウェアには、熱エネルギー指数解析ソフトウェアモジュールが組み込まれており、設計エンジニアが回路設計を最適化するのに役立ちます。現代のハイテク分野では、PCB の熱管理技術の重要性がますます高まっています。偉大な建築家が超高層ビルを設計する際にその安定性を考慮しなければならないように、電子技術者も回路基板を設計する際には熱の流れと分散に重点を置く必要があります。適切なレイアウト、適切な放熱材料の選択、そして最新の設計ツールの活用により、電子機器内に完璧な「温度制御システム」を構築し、各コンポーネントが適切な温度で効率的に動作し、まばゆいばかりの輝きを放つことを可能にします。人類文明がイノベーションによって発展してきたように、電子技術も熱管理によって進化し続けています。テクノロジーの舞台で緊密に団結し、よりインテリジェントで効率的、そして信頼性の高い電子世界の創造に向けて、たゆまぬ努力を続けましょう。電子技術も熱管理を通じて進化を続けています。テクノロジーの舞台で緊密に団結し、よりインテリジェントで効率的、そして信頼性の高い電子世界の創造に向けて、たゆまぬ努力を続けましょう。電子技術も熱管理を通じて進化を続けています。テクノロジーの舞台で緊密に団結し、よりインテリジェントで効率的、そして信頼性の高い電子世界の創造に向けて、たゆまぬ努力を続けましょう。

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