今日の電子製品は、様々な機能を備えながらも、小型軽量化を実現しています。これは主に、効果的なPCBの熱管理によるものです。プリント基板には、様々な機能を実現するために様々な部品が組み込まれており、その工程において、特に狭いスペースに詰め込まれた場合には、多かれ少なかれ熱が発生します。熱が過剰になると、PCBの性能に影響を与え、場合によってはデバイスの故障につながる可能性があります。そのため、PCB設計プロセスにおいて、PCBの熱管理の改善が求められています。
PCB 熱管理とは何ですか?
PCBの熱管理とは、PCB上に配置された部品から発生する熱を制御する手法です。PCBの熱管理を効果的に改善するために、次のような多くのソリューションや技術があります。 ヒートシンクサーマルビアや銅プレーンなどを用いて、PCBの特定の領域から効率的に熱を分散・除去します。私たちが目指しているのは、すべてのコンポーネントを常に最適な状態に保ち、電子機器の寿命を延ばし、性能を向上させることです。
一般的に使用される7つのPCB熱管理技術
PCB内の熱を効果的に管理するために、設計者は様々なPCB放熱技術を採用しています。ここでは、最も一般的に使用されている7つの技術を紹介します。
適切な材料の使用
PCBを設計する際には、選択に細心の注意を払う必要があります。 PCB 材料 熱管理を改善するには、銅などの熱伝導率の高い材料を使用することで、電力を大量に消費する部品の熱を容易に放散できます。さらに、材料の熱膨張係数も考慮する必要があります。部品の熱膨張係数に近い材料を選択することで、応力を最小限に抑え、温度変動による故障を防ぐことができます。さらに、より低い熱膨張係数を持つ材料を使用することで、 誘電率 ボード上のホットスポット形成の可能性を低減し、熱放散を増加させることができます。
戦略的なコンポーネントの配置
効果的な熱管理は、部品の配置を慎重に考えることにかかっています。発熱部品は、ファンやヒートシンクなどの冷却装置の近くに配置し、通気性の良い場所に設置する必要があります。高電力部品同士は、適切に放熱できるよう、少なくとも2cmの距離を置くことをお勧めします。この間隔は、局所的な熱の蓄積を防ぎ、ボード全体の温度を均一に保つのに役立ちます。
サーマルビアアレイの実装
サーマルビアアレイを使用することで、PCBの熱伝導性を向上させることもできます。これらのアレイには、シンプルビアとフィルド＆キャップドビアの2種類があります。シンプルビアは熱抵抗を低減できるため人気がありますが、フィルド＆キャップドビアはサーマルパッドの直下に配置できるため、より効率的に熱を逃がすことができるため、放熱性能において優れた性能を発揮することがよくあります。
十分なトレース幅と厚さ
PCBの熱性能は、 銅トレース幅 そして厚さ。電流を低インピーダンスで流す経路を確保するには、十分な寸法が必要です。特に高電流領域では、トレース寸法が不十分だと電力損失と発熱が増加する可能性があるため、これは特に重要です。したがって、熱の問題を最小限に抑えるには、トレース幅と厚さを徹底的に検討することが重要です。
ヒートシンクの活用
伝導型ヒートシンクは、高温部を伝導によって低温部へ伝達するデバイスの冷却に効果的です。この目的のため、PCB部品から熱を取り除き、表面積の大きいフィンを通して放熱します。ヒートシンクを選定する際には、材料の熱抵抗、フィンの設計、実装方法、使用する熱伝導材料（TIM）を考慮する必要があります。
ヒートパイプの使用
スペースが限られたコンパクトな設計では、ヒートパイプが受動的な熱伝達ソリューションとして最適です。振動がなく静かな動作、優れた熱伝導性、メンテナンスの容易さなど、信頼性の高い冷却性能を提供します。ヒートパイプには通常、少量の窒素、水、アセトン、またはアンモニアが含まれています。ヒートパイプは熱を吸収し、蒸気をパイプに沿って輸送します。蒸気がパイプを通過すると、凝縮器で蒸気は再び液体となり、このサイクルが繰り返されます。
冷却ファンの実装
PCBの熱管理でよく使われるもう1つの手法は、過熱を防ぐために熱気を外部に排出する冷却ファンの使用です。この手法は、電源などの高電流アプリケーションでよく知られています。ファンは便利で、そして何よりも迅速な熱除去を実現し、コンポーネントの効率的な動作と長寿命化を実現します。
PCB の熱問題を特定するにはどうすればよいでしょうか?
慎重に設計しても、熱の問題が発生することがあります。これらの問題を特定する方法を知っておく必要があります。以下に、熱の問題を検出する方法をいくつかご紹介します。
- PCB熱解析ツール
熱モデリングは、PCB設計における熱解析の重要な要素であり、故障解析に不可欠です。また、設計者は熱モデリングによって回路固有の熱問題を把握し、適切な冷却方法やPCB設計手法の選択に役立ちます。PCB設計者は、適切なモデリングソフトウェアを使用することで、最適なレイアウトや部品配置を決定できます。熱モデリングにより、設計者は熱の流れのパターンを迅速かつ容易に把握し、ヒートシンクを設計し、アクティブデバイスの冷却を実現できます。
- ボードを目視検査する
目視検査は、過熱、部品の焼損または部分的な損傷、接合部の乾燥、アーク放電などを発見するためのもう一つの方法です。部品の膨らみや焼損、PCB上の変色などは、目に見える兆候です。また、基板から異臭がする場合も、発熱の問題を示唆している可能性があります。このシンプルな手法により、基板の電源を入れなくても、熱の問題を迅速に特定できます。
- 赤外線カメラを使用する
赤外線カメラは、電源投入後の試作基板において、肉眼では確認できない熱源や未知の問題を容易に評価できます。また、これらのカメラは熱の発生箇所も特定し、純正部品と熱特性を比較することで、偽造品や不良品の判別にも役立ちます。さらに、熱画像カメラは、はんだ付けが不十分なPCB配線を検出し、抵抗値の増加や放熱の増加につながる箇所を特定できます。
最後の言葉
電子機器の信頼性と性能を実現するには、効果的なPCBの熱管理が不可欠です。熱問題は、設計プロセスの初期段階で考慮すべき最優先事項となります。上記の技術を用いることで、基板の熱を効果的に管理できます。電子製品の小型化、コンパクト化、多機能化が進むにつれて、PCBの熱管理はますます大きな課題に直面することになるでしょう。そのため、PCB設計者にとって、PCBの熱管理技術を習得することは必須のスキルです。
