PCBの熱伝達：プリント回路基板の熱管理を理解する

プリント基板（PCB）は動作時に熱を発生します。熱による損傷を防ぐには、このエネルギーを確実に放散させる適切な熱流制御技術が必要です。

熱伝達の基礎

熱伝達に関する基本的な議論は、温度と熱流という2つの重要な側面を網羅しています。温度は利用可能な熱エネルギーの度合いを指し、熱流は熱エネルギーがある場所から別の場所へ移動することを意味します。微視的なレベルでは、熱エネルギーは分子の運動エネルギーと直接結びついています。物質の温度が高いほど、分子の熱振動は大きくなります。運動エネルギーの高い領域から低い領域へ運動エネルギーが伝達されるのは自然なことです。温度の異なる2つの領域間の熱伝達は、いくつかの物質特性によって効果的に制御できます。これらの特性には、熱伝導率、物質の密度、流体の速度、流体の粘性などが含まれます。これらの特性が組み合わさることで、多くの熱伝達問題の解決が非常に複雑になります。熱伝導率は、物質の熱伝導能力を決定するため、熱伝達において重要な特性です。熱伝導率の高い物質は、熱伝導率の低い物質よりも効率的に熱を伝達できます。物質の密度も重要な要素であり、密度の高い物質はより多くの熱エネルギーを蓄え、時間経過に伴う温度変化を調節するのに役立ちます。流体の速度と粘度も熱伝達に影響を与える可能性があり、速度が高く粘度が低い流体は、速度が低く粘度が高い流体よりも速く熱を伝達できます。

熱伝達のメカニズム

熱伝達メカニズムは、大きく分けて3つのグループに分類できます。伝導：分子の直接衝突により、分子の運動エネルギーが高い領域から低い領域へと熱エネルギーが伝達されます。金属では、伝導帯の電子がエネルギーの一部をある領域から別の領域へ運ぶこともあります。対流：電子機器で熱が発生すると、伝導によって隣接する領域へ輸送され、そこから流体へと熱が伝達されます。このプロセスは対流と呼ばれ、流体は空気などの気体、または水などの液体です。放射：すべての物質は熱エネルギーを放出し、放出されるエネルギー量は温度によって決まります。温度が均一な場合、物体間の放射束は平衡状態にあり、熱エネルギーの交換は発生しません。しかし、温度が変化するとこの平衡は変化し、熱エネルギーは高温領域から低温領域へと伝達されます。電子機器やその他のシステムの熱管理を最適化するには、これら3つの熱伝達メカニズムを理解することが不可欠です。これらのメカニズムを操作および制御することにより、エンジニアや科学者は最適な熱性能を実現するための材料とシステムを設計および最適化できます。

熱伝達を考慮したPCB設計技術

PCBの熱管理には、いくつかの手法があります。選択肢としては以下が挙げられます。

• ヒートシンク。この技術では、高い熱伝導率を持つ大きな金属片を使用します。これらの金属片は熱を発生する部品に取り付けられ、より多くの表面積を空気にさらします。この配置により熱抵抗が低減し、冷却ファンと組み合わせることで熱の流れをさらに強化できます。
• 銅を流し込みます。未使用部分を金属で埋め、その金属を接地すると、PCB上のあらゆるコンポーネントが簡単に接地されます。
• サーマルビア。銅箔と一緒に使用されることが多く、サーマルビアは銅箔とPCBコンポーネントへの経路を作成します。
• 銅充填ビア。ビアに銅を充填して熱伝達を向上させることができます。
• より高熱伝導性の材料。アルミニウム、セラミック、銅コアなどの材料が、PCBの熱伝導性を向上させるために使用されます。