熱モデルに基づく PCB の内部熱放散設計
電子技術の急速な発展により、電子製品の計算速度、計算頻度、および完全性が即座に改善されます。さらに、電子製品の体積が縮小するにつれて、体積電力密度がますます高くなります。また、薄型化、軽量化、小型化の開発志向により、電子部品は単位体積あたりの発熱量が増加しています。電子製品のアップグレードに伴い、PCB 内の熱流の密度が急速に増加した結果、電子製品の信頼性に悪影響が生じています。 10 度の原則によれば、温度が摂氏 10 度上昇するたびに、一部のコンポーネントのパラメータの一部が半分に減少します。調査によると、温度がコンポーネントの定格値をバイパスするため、電子デバイスの 55% が損傷しています。したがって、合理的なコンポーネント レイアウトと PCB の熱放散は、エンジニアが考慮しなければならない主な要素です。
電子製品の熱設計は、通常、システム レベル、ボード レベル、パッケージ レベルのレベルに分けられます。ボード レベルの熱設計とは、ラジエーター、電子ステンシル、および PCB の熱設計を指します。この記事では、部品の温度と温度差を減らすことを目的として、PCB レイアウトに影響を与えることなく、部品の底部の熱を外部にすばやく伝達し、部品の放熱面積を増やす新しい放熱方法を提供します。従来の熱放散方法と比較して、この新しい方法には、複数の熱放散構造、PCB の熱歪みの低減、小さな占有スペースなどのいくつかの属性があります。全体的な PCB の熱放散は、銅含有量、銅の厚さ、スルー ホール、および位置などの複数の機能につながる、最上層、最下層、および配線層を含む PCB 層の複数のパターンの結果として異方性です。この記事では、熱分析ソフトウェアとコンポーネントの物理的形状と熱的特徴に基づいて、簡略化された PCB とコンポーネントをセットアップし、さまざまな条件のシミュレーション データ分析から得られた実験結果を使用して、冷却フィンの長さ、幅、および数について説明します。
熱分析の原則
PCB ボード レベルでの熱解析理論は、伝熱理論の基本原理に基づいています。熱伝達手順には、熱伝導、熱対流、熱放射の 3 つの異なる熱伝達モードがあり、その中で熱伝導が主要な熱放散方法です。
熱伝達理論のフーリエの法則によると、x 方向に任意の厚さ d の微分層では、単位時間に d を通過するエネルギーは、温度変化率の面積 A に正比例し、次の式で表示できます。 
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この式で、Q(W)は面積Aを単位時間に通過するエネルギーで、これも熱流です。 A (m²) は、伝導方向の断面積を指します。 L (m) は伝導経路の長さを表します。 k [W/(m•°C)] は熱伝導率です。 Δ t (°C) は、d の両側の温度差です。 x (m) は熱流の経路です。マイナスは、熱伝達方向と温度上昇の反対を示します。
熱流密度 q (W/m²) は、単位時間内に単位面積 A を通過する熱流の量を指し、式で示されます。 
.
材料によって熱伝導率 k が異なり、高い値は優れた伝導性を示します。
PCB 熱抵抗理論
PCB は複雑な多層構造であり、その熱伝導は異方性です。 PCB の熱解析では、各層の材料構造が異なるため、グリッド数が多く、計算速度が遅いため、モデルを設定するのが困難です。この記事では、熱解析ソフトウェアを使用して単純化したモデルを使用します。簡略化された多層 PCB モデルを下の図 1 に示します。
銅層と FR-4 層の厚さが同じで、各層の間隔が同じであるとします。 kn これは通常の熱伝導率と kp です つまり、各層の熱伝導率は、PCB の熱性能を表すために使用されます。次の式を使用して、kn の値を計算できます。 そして kp .
この式では、δCu 各銅層の厚さを指します。 kCu は銅の熱伝導率で、値は 388[W/(m•°C)] です。 kj は各銅配線の熱伝導率です。 δF は各 FR-4 層の厚さです。 kF FR-4の熱伝導率0.35[W/(m・°C)]; δPCB PCB 全体の厚さです。 Aj 層 j の銅配線の全体面積です。 PCB の熱抵抗は、図 2 の簡略化されたモデルに示されています。
PCB 表層と下層の温度はそれぞれ t1 です。 そして t2;全体の伝達熱は Q です。全体の抵抗はRです。厚さ方向での各層の熱抵抗は R1 です 、R2 そしてR3 長さ L1 で 、L2 そしてL3;ボードの面積は A です。図 2(a) に基づいて、方向は垂直のみであると想定され、熱抵抗は次の式で計算できます。
R1 =L1 (A•k1 )
R2 =L2 (A•k2 )
R3 =L3 (A•k3 )
図 2(b) に基づいて、向きは水平のみであると想定され、熱抵抗は次の式で計算できます:
R1 =L/(A1 •k1 )
R2 =L/(A2 •k2 )
R3 =L/(A3 •k3 )
1/R =1/R1 + 1/R2 + 1/R3
垂直および水平方向に沿った全体的な熱抵抗は、式 Q =(t1 による熱抵抗の直並列接続に従って表示できます。 -t2 )/R.
上記の式に基づいて、水平方向の全体的な熱抵抗は垂直方向の熱抵抗よりもはるかに低いことが明らかです。したがって、銅を PCB に水平に埋め込むと、より良い放熱効果が得られます。この記事では、分析対象として 2 層 PCB を取り上げます。図 3 は、PCB 埋め込み銅のスケッチです。
シミュレーション分析と検証
• PCB モデル設計
簡略化されたモデルのサイズは下の表に記載されています。
| アイテム | サイズ |
| PCB | 100mm*100mm |
| チップ | 10mm*10mm |
| コンポーネント パッケージ | 20mm*20mm |
| チップのエネルギー消費量 | 8W |
コンポーネントは、熱源の下に銅が埋め込まれた PCB の中央に配置されます。銅の冷却フィンは、銅に隣接して埋め込まれています。図 4 は、サイズが 0.5mmx30mm のシミュレーション モデルです。
電流2Aの回路をシミュレーション対象とし、線幅0.5mm以上、スルーホール0.5mmとします。埋め込まれた銅に隣接する冷却フィンは最小 1mm の間隔が必要であり、この記事の冷却フィンの幅は 0.13mm、0.25mm、0.5mm、0.75mm、および 1mm、長さは 20mm、30mm、および 40mm と定義されています。幅 10mm、間隔 1mm 未満の条件で、幅の異なる冷却フィンの数を下の表に示します。
| フィン幅 (mm) | 温度 (°C) | フィンの長さ (mm) | フィンの数 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 30 | 40 | |||
| 0.13 | 最高 | 96.7 | 91.2 | 89.8 | 10 |
| 最低 | 89.1 | 84.5 | 83.4 | ||
| 0.25 | 最高 | 92.5 | 89.5 | 87.5 | 8 |
| 最低 | 85.4 | 83.6 | 81.9 | ||
| 0.50 | 最高 | 92.1 | 88.6 | 86.2 | 7 |
| 最低 | 85.3 | 83.2 | 81.2 | ||
| 0.75 | 最高 | 91.9 | 87.9 | 85.3 | 6 |
| 最低 | 85.2 | 83.0 | 80.8 | ||
| 1.00 | 最高 | 91.8 | 87.8 | 85.1 | 5 |
| 最低 | 85.0 | 82.9 | 80.8 | ||
| 銅が埋め込まれていないコンポーネントの温度 (°C) | 最高:108.4 最低:98.3 | ||||
• 結果分析
表 2 に基づいて、銅フィンの幅と長さの違いはすべて、PCB のコンポーネント温度の大幅な上昇につながると推測できます。ただし、実際のアプリケーションでは、実際の状況と銅のコストを考慮して、適切な PCB の長さとフィンの幅を選択する必要があります。図 5 はコンポーネントの最高温度のグラフであり、図 6 はコンポーネントの最低温度のグラフです。
グラフが示す変化傾向から、フィンの幅が 0.5mm 未満の場合、フィン幅の拡大に伴い部品の温度が大幅に低下することがまとめられます。幅が 0.5mm 以上になると温度降下が安定します。したがって、材料費が最も安い0.5mmのフィン幅を維持した場合、温度差が最も大きくなります。冷却フィンの増加に伴い、コンポーネントの温度が低下します。
フィンの長さが 20mm から 30mm の範囲で温度が最も低下し、5°C 以上低下します。フィンの長さが 30mm から 40mm の範囲では、温度は 2°C 前後とわずかに低下します。したがって、長さ20mmから30mmのフィンを比較的低コストでピックアップした場合、温度差を減らすことは比較的大きくなります。 PCB 冷却フィンは長すぎても広すぎてもいけないという事実を考慮すると、幅 0.5mm、長さ 30mm のフィンをピックアップするのに適しています。
図 7 は埋め込み銅を使用しない PCB シミュレーションの温度分布のグラフであり、図 8 は長さ 30mm、幅 0.5mm のフィンを使用した PCB シミュレーションの温度分布のグラフです。
2 つの図によると、最高気温は 108.4°C から 88.6°C に低下し、18.5% の減少幅であることがわかります。最低気温は 98.3°C から 83.2°C まで下がり、15.3% の減少幅があります。図 7 と図 8 の温度場の比較に基づいて、銅を埋め込んだ PCB は、温度場を均一に分散させ、基板の温度差を減らしてホット スポットを回避することができます。銅が埋め込まれた PCB は、コンポーネントの温度を下げます。これは、PCB 上のコンポーネントの熱放散の改善に役立ち、コンポーネントの信頼性が大幅に向上します。
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