高性能エレクトロニクスの熱管理マスターガイド

はじめに：

すべてのデバイスは、副産物として熱を発生しながら動作します。これらのデバイスが過熱しないようにするには、熱管理が必要です。デバイスの効率は温度に反比例します。したがって、高性能コンポーネントはデバイスの寿命を縮め、効率を低下させる熱を発生させます。したがって、これらのデバイスから発生した熱を除去して温度を管理する必要があります。

時間の経過とともにデバイスは小型化しましたが、機能は増大しました。これにより処理が高速化し、結果として電力消費の増加とともに更多くの熱が発生するようになりました。同様に、熱を分散させる実装も小型化され、エンジニアにとって課題となっています。一般的に、熱放散は電力放散に比例しなければなりません（電力方程式によれば）。エンジニアが電力放散の管理で直面する3つの主要な問題は、高密度PCB、ICチップの高密度化、デバイスの小型化とモバイル化です。

一部のコンポーネントは少量の熱を発生し、他のデバイスは比較的大量の熱を発生します。したがって、それらの寿命と信頼性を延ばすための対策を講じる必要があります。通常、熱を発生する絶縁電気コンポーネントは、デバイス内で発生する熱が周囲への熱損失と等しくなり、デバイスが平衡に達するまで熱を発生し続けます。熱は通常、物質中の電子の流れに対する抵抗によって生成されます。抵抗が低いほど導電性が高く、発生熱は少なくなります。これはジュールの法則 H=I²Rt で証明されます。

デバイスにおける熱管理：

熱管理は電子設計の主要な部分です。コンポーネントとシステムのホットスポットの効率と精度を確保するには、余分な熱をそれらから遠ざける必要があります。エンジニアはインテリジェントな熱設計を用いて熱関連のエラーを減らせます。熱管理における材料への要求を駆動する3つの厳格な要因があります。

第一に、速度向上のために設計者はマイクロプロセッサのコアをより小さなサイズに圧縮しました。これにより単位面積あたりの発熱密度が高まります。その結果、マイクロプロセッサ内の伝導による温度降下とヒートスプレッダを介した温度降下が、許容最大温度降下と同等になります。第二に、トランジスタ間のインターコネクトにおける温度上昇が増加しています。これは金属層の増加とインターコネクト間の電流密度増加によるものです。第三に、現代および計画中のトランジスタ技術における温度上昇の増加です。チャネル寸法の縮小により電力密度が増加し、デバイス内で電子-フォノン非平衡が生じます。これらは材料科学と固体物理学の研究に課題を提起します。

電子機器の冷却：

ニュートンの冷却の法則によれば、熱損失率は物体と周囲の温度差に比例します。物体の温度が上昇するにつれ、熱損失も増加します。熱損失率が発熱率と平衡状態になると、デバイスは平衡温度に達します。この温度はコンポーネントの寿命を縮める可能性があり、熱管理のための特定の対策が必要です。

回路やデバイスの温度を制御する一つの方法は、換気による気流の増加です。これにより動作温度が低下します。また、高地では大気密度が低下するため、周囲への熱伝達が効果的でなくなり、動作温度が上昇することに注意してください。デバイスの冷却方法には、ヒートシンク、ペルチェ素子（熱電冷却）、空冷システム、ファンなどがあります。

1. ヒートシンク

熱損失はコンポーネントの表面で発生し、表面積の増加とともに増加します。動作温度を下げる一つの方法は表面積を増やすことです。これは、デバイスに金属製ヒートシンクを取り付けることで実現されます。ヒートシンクは通常、銅、アルミニウムなどの優れた熱伝導体です。ユニット全体がよく換気されていれば、ヒートシンクはより効果的です。通常、ヒートシンクとコンポーネントが接触すると、表面上に小さな空気層ができます。空気は熱の悪い伝導体なので、これがデバイスからの熱損失を制限します。この効果を克服するために、熱伝導化合物が使用されます。

2. ヒートスプレッダー

ヒートスプレッダーも冷却デバイスとして使用されます。熱伝導性の金属プレートや箔で、熱をより広い領域に分散させます。熱源と二次熱交換器（ヒートシンクなど）の間の中間熱インターフェースとして使用されます。ヒートスプレッダーは、発熱コンポーネントを持つPCBのバッキングプレートとして適用できます。熱貫通ビア（サーマルビア）は、ヒートスプレッダーとコンポーネントパッケージ間の熱伝導チャネルとして使用され、熱流を改善します。

3. ヒートパイプ

ヒートパイプは、液体または冷却剤を含む密封された中空チューブです。一端は熱源に、もう一端は二次熱交換器（ヒートシンクなど）に取り付けられます。発生した熱で一端の液体が沸騰し、蒸気が冷たい端へ移動し、そこで凝縮して液体に戻り、加熱端へ戻ります。通常、導電性金属で作られ、スペースが限られた基板設計に適しています。

4. 熱インターフェース材料

これらは熱伝導性のある既製材料で、さまざまな形態（パッド、接着剤、ゲルなど）で利用可能です。接触面間の空気隙間を埋めるように設計されています。その結果、最大表面積が熱伝達に使用され、動作温度が低下します。熱伝導化合物には多くのタイプがあります。Electrolubesは、キャリア流体（非シリコーン系またはシリコーン系）中のミネラルフィラーで構成される熱伝導ペーストを製造しています。シリコーン系ペーストは非シリコーン系より高い動作温度に耐えられます。熱伝導材料を使用する際、デバイスとヒートシンクのインターフェースが完全に埋め尽くされることが重要です。

5. 強制空冷

強制空冷は冷却に使用されるもう一つの一般的な方法です。ファンやブロワーを使用して、発熱コンポーネント上の空気の流れを増やします。これによりヒートシンクから加熱された空気を遠ざける流れが増え、放熱が改善されます。さまざまなサイズのファンを使用でき、配置を最適化して流路を改善できます。

6. 固体熱ポンプ

TEC（熱電冷却器）としても知られ、熱源とヒートシンクの間に配置される薄型コンパクトな半導体デバイスで、放熱を改善します。TECに電圧を印加すると、デバイスの両側に温度差が生じ、伝導による熱伝達が可能になります。効率はそれほど高くありませんが、大量の熱を移動させ、寿命が長いです。また、電流を反転させると熱伝達の流れが逆転し、ヒーターとして機能するため、温度制御アプリケーションに理想的です。