PCB熱設計のマスター：信頼性のための必須原則

電子部品の半数以上が、熱環境による高ストレスで故障すると推定されています。近年、大規模・超大規模集積回路（IC）と表面実装技術（SMT）が普及し、電子製品は小型化、高密度化、高信頼性化の方向へ発展しています。したがって、電子システムにはますます高い熱性能が求められています。電子製品の登場とともに生まれた熱管理は、電子システムの性能と機能を決定する上で重要な役割を果たします。

電子デバイスの骨格であるPCB（プリント基板）の合理的な設計が、高性能を保証します。PCB設計が熱要件を部分的でも完全に満たさない場合、電子デバイスは確実に損傷リスクや故障に見舞われます。回路モジュールの集積度向上とICおよびマルチチップモジュール（MCM）の大量採用により、部品実装密度が向上し、PCB上の熱流密度が高まっています。高品質なPCBは、正確で合理的なレイアウトと配線だけでなく、安全な動作のための高い熱信頼性にも依存します。したがって、PCBに対して包括的な放熱ルールと分析を実施することは非常に重要です。本記事では、基本的な熱設計原則から始め、電子設計者が実務で手軽に適用できるエンジニアフレンドリーな熱設計ルールを紹介します。

熱設計の基本原則

熱設計は熱伝達と流体力学の基本理論に基づきます。温度差があれば、高温域から低温域へ熱伝達が起こります。熱伝達は熱伝導、熱対流、熱放射の3形態で達成されます。

熱伝達の式は：Φ = KAΔt で表されます。ここでΦは熱伝達量（単位：W）、Kは熱伝達係数（単位：W/(m²·K)）、Aは熱伝達面積（単位：m²）、Δtは熱流体と冷流体の温度差（単位：K）です。

PCBの熱設計とは、冷却対策により熱源から放熱空間への熱抵抗を最小限に抑える、または熱流体密度を許容範囲内に制御するプロセスと定義されます。信頼性を確保するため、以下の観点から有効な熱設計対策を講じる必要があります：

• a. 自然冷却：外部動力なしで熱を伝導。熱伝導、放射熱伝達、自然対流伝熱を含む。
• b. 強制空冷：ファンやラムエアで冷却気流を電子デバイス/部品に流し、熱源から放熱器へ熱を伝達。
• c. 流体冷却：2つの方法がある。
  • 1) 直接流体冷却：部品を冷却媒体に直接浸す。
  • 2) 間接流体冷却：部品が冷却媒体に直接触れず、熱交換器やコールドプレートを通じて冷却。
• d. 蒸発冷却：現在最も効果的な熱伝導方法。冷却媒体の沸騰により熱伝達を得る。
• e. その他の冷却対策：ヒートパイプ、コールドプレート、ペルチェ冷却。

熱管理プロセスでは、実際の動作環境（温度、湿度、大気圧、粉塵等）、基板上の熱流体密度、電力体積密度と総消費電力、表面積、体積、放熱器、その他特殊条件に応じて適切な熱設計対策を講じ、温度の均等分布と規制限度内での合理的な温度上昇を確保します。

熱設計ルール

熱設計の一般的目的は、基板上に実装されたすべての電子部品の温度を制御し、電気的性能の安定性を確保し、電気パラメータの温度ドリフトを防止・低減し、部品の基本故障率を下げ、動作環境温度が最高許容温度を超えないようにすることです。本記事では、PCB上の部品利用、PCB熱設計、部品実装とPCBレイアウトの3観点から熱設計ルールを説明します。

a. 電子部品の利用

1) 部品の動作温度をどう制御するか？

温度は部品性能と故障率に影響する第1要因です。要求される信頼性レベルと各部品の配分故障率に基づき、最高許容動作温度と消費電力を決定すべきです。表1は、熱設計の信頼性観点から見た部品の許容最高表面温度値を示します。

部品	最高表面温度/°C	部品	最高表面温度/°C
トランス、チョーク	95	セラミックコンデンサ	80-85
金属皮膜抵抗	100	ガラスセラミックコンデンサ	200
カーボン皮膜抵抗	120	シリコントランジスタ	150-200
パラジウム皮膜抵抗	200	ゲルマニウムトランジスタ	70-90
巻線抵抗（プレス）	150	真空管	15-200
プリント抵抗	85	CMOS全密封フラットパッケージ	125
塗装巻線抵抗	225	セラミックDIP、黒磁器DIP	/
紙コンデンサ	75-85	CMOSプラスチックDIP	85
フィルムコンデンサ	60-130	TTL小規模IC	25-125
マイカコンデンサ	70-120	TTL中規模IC	70-85

2) 部品のジャンクション温度をどう制御するか？

部品のジャンクション温度は、自己の消費電力、熱抵抗、環境温度に依存します。したがって、ジャンクション温度を許容範囲内に制御する対策には：

• 内部熱抵抗の低い部品を選定する。
• ディレーティングを用いて温度上昇を抑制する。
• 特に電力部品を含む回路は、標準マニュアルのガイドラインに従い、綿密な熱設計で信頼性を確保する。

3) 部品使用時のディレーティング設計をどう行うか？

必要に応じてディレーティング設計を実装し、部品を定格パラメータ（電力、電圧、電流）以下の条件で動作させることで、温度上昇と故障率を大幅に低減できます。

b. PCBの熱設計ルール

PCBの垂直実装は放熱に有利で、基板間距離は20mm以上を維持すべきです。基板熱設計ルールには：

1. 耐高温性と高熱伝導パラメータを持つ材料をPCB基板材料として選定。高電力・高密度回路では、熱抵抗が低いためアルミニウムベースやセラミックを基板材料として使用可能（PCBCartはこれらの基板材料でのPCB製造に完全対応。このページでアルミベースおよびセラミックベースPCBの見積もり依頼が可能）。
2. 多層構造がPCB放熱の最適選択。
3. 回路基板の熱伝導能力を高めるため、放熱性基板を使用するのが最適。多層PCBではメタルコア基板を用いて基板、支持デバイス、放熱デバイス間で優れた放熱を実現。必要に応じて保護コーティングや封止材を用いて、支持デバイスや放熱デバイスへの熱伝達を促進。

4. PCBの放熱能力を高めるため、バスバーを使用可能。優れた放熱器として機能し、PCBの耐干渉性能も向上。
5. PCBの熱放散能力向上のため、金属箔厚を増やし、内層導体に大面積金属箔を使用。さらに、グランド配線幅を適切に増やすと、大面積グランド配線は耐干渉能力と放熱容量の両方を向上させる。

c. 部品実装とPCBレイアウト

部品レイアウトは、特に垂直配置のPCBにおいて熱性能に不可欠です。部品実装方向は冷却媒体の流れ特性に従い、冷却媒体に最小抵抗を与えるべきです。実装とレイアウトにおける部品ルールには：

1. 自然対流空冷の製品では、IC等を図2のように縦長配置するのが最適。強制空冷の製品では、図3のように横長配置するのが最適。

2. 同一PCB上の部品を、発熱量と放熱レベルに応じて分類・配置。発熱が少ない、または耐熱性が低い部品（小信号トランジスタ、小規模IC、電解コンデンサ等）を上流（入口側）に、発熱が多い、または耐熱性が高い部品（高周波トランジスタ、超大規模IC等）を下流に配置。小信号増幅器の周辺には温度ドリフトの小さい部品を配置し、液体媒質コンデンサを熱源から遠ざける。
3. 水平方向では、高周波部品をPCBエッジ付近に配置し熱伝達パスを最小化。垂直方向では、高周波部品をPCB上部付近に配置し、他部品の温度への影響を低減。
4. 温度に敏感な部品を、製品底面など最低温度エリアに配置。発熱部品の真上には配置せず、発熱部品から遠ざけるか遮蔽する。
5. 最大消費電力・発熱部品を、最適な放熱場所に隣接配置。高温部品をコーナーやエッジに配置しない（放熱器を周囲に配置する場合を除く）。電力抵抗配置時は大型部品を選び、PCBレイアウトで十分な放熱スペースを確保。
6. PCB上で電力を均等に分散し、バランスと整合性を保ち、熱集中ポイントを回避。厳密な均一性は困難だが、極端に高電力密度なエリアは避け、オーバーヒートによる全回路の異常動作を防止。
7. PCB設計時にエアフローパスを十分考慮し、部品を合理的に配置。空気は抵抗の少ない場所へ流れる傾向があるため、部品配置時に比較的大きな空気スペースを避ける。
8. 基板に熱実装技術を適用し、良好な熱伝達効果を実現。ICやマイクロプロセッサなどの部品が発生する熱の半分以上は、自らのリードを通じてPCBへ伝達されるため、実装穴にはメッキスルーホールを使用。これらの部品を熱伝導スティックや基板に直接実装し、部品による熱抵抗を低減することも可能。
9. 高放熱部品とPCBの接続における熱抵抗を可能な限り低減。チップ下に熱伝導材料を使用し、接触面積での部品放熱を維持して熱特性要件を満たす。
10. 部品とPCBの接続ではピンを短くする。高消費電力部品選定時はリード材料の導電性を考慮。可能なら断面積の大きいリード、ピン数の多い部品を選択。

d. その他の要件

1. 部品パッケージ：PCB熱設計では部品パッケージタイプと熱伝導率を考慮。基板と部品パッケージ間に熱伝導パスを設け、熱伝導パス上に空気層を作らない。
2. 技術手法：基板両面に部品がある領域で局所的高温が生じる場合、はんだペーストに微細銅粉を添加し、はんだ付け点を部品下で一定高さまで盛り上げる。部品とPCB間の空気層を増やし、熱対流を改善。
3. 放熱ホール：PCBに放熱用スルーホールやブラインドビアを配置し、放熱面積を効果的に増やし、熱抵抗を低減、PCBの電力密度を向上。

熱解析

計算熱伝達に基づく熱解析の数値計算手法には、有限差分法、有限要素法、境界要素法があり、モデル簡略化、数学モデル構築、非線形方程式解法、解析手順の作成・調整・計算、熱パラメータの測定・試験のプロセスを指します。

熱設計の基礎的側面として、熱解析は熱設計の重要性を評価する重要な手法です。PCB熱解析とは、PCBの構造・原材料、部品パッケージタイプ、PCB動作環境に基づき、部品の熱モデルを構築しシミュレーション制御パラメータを設定して、PCBの熱挙動値を推定するプロセスです。熱解析はコンセプト段階でレイアウト前に実施し、PCB設計プロセス全体を通じて行う必要があります。

熱解析から部品温度、基板温度、気流温度の値が得られ、PCBの熱特性をカラー画像、温度等温線ビジュアルグラフィックス、具体的データの形で表示できます。

熱解析結果に基づき、PCBの熱問題を迅速に特定し、適切な対策をタイムリーに講じ、高温密集エリアを排除できます。これにより熱伝導パスを決定し、主要部品の位置、放熱器の形状・サイズを最適化して放熱率を最大化し、放熱ホールと放熱器の熱伝達効率を高め、基板間および基板上部品の間隔を決定できます。

PCBCartは高度な機能を持つPCB製造の豊富な経験を有します

2005年の設立以来、PCBCartは80カ国以上のクライアント向けに回路基板を製造してきました。当社製PCBはほぼすべての業界で広く使用されています。カスタムPCBプロジェクトについてはこちらからご相談ください。

参考リソース

• PCB熱設計の考慮事項
• 熱モデルに基づくPCB内部熱放散設計
• メタルコアPCB：PCBとPCBAの熱問題への理想的ソリューション
• PCB製造業者またはPCB実装業者の評価方法
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス
• PCBCartの高度なPCB実装サービス