エキスパートPCB熱設計：熱管理のための実践的ヒント

電力部品がますます小さな表面実装パッケージで提供されるようになった今、PCB設計におけるこれらの部品の熱放散要求を緩和するための首尾一貫したアプローチを考案することが重要です。PCB設計の熱特性の正確な数学的分析の開発は複雑なプロセスになり得ますが、設計の熱伝導を改善するためのいくつかのシンプルなルールを適用することは可能です。最終的に、設計における熱放散を適切に制御することで、より信頼性が高く経済的なPCB設計を生み出すことができます。以下は、標準的な熱放散モデルの簡単な説明と、設計における熱放散に対処するための一般的ルールです。

まず、このエントリの残りで使用される用語を定義することが重要です。次の図は、熱管理について議論する際に考慮しなければならないパワーICのさまざまな構成要素を示しています。この記事を通じて、部品のジャンクション、トップ、ケースの温度と、それらの周囲環境への熱抵抗について議論します。

これらの用語を踏まえ、部品の熱放散をシミュレートするために使用される標準モデルを簡単に見てみましょう。熱抵抗は通常、抵抗ネットワークとしてモデル化されます。部品の標準モデルは次の図に示します：

示された図では、T_Jはジャンクション温度（部品の内部動作部分）、T_Tはパッケージの「トップ」温度（通常は部品のプラスチック筐体）、T_Cは「ケース」温度（これは部品の高熱伝導パッドと接続されたPCBの温度）、T_Aは周囲環境の温度です。電子設計者の目標は、ジャンクションと周囲環境の間の熱抵抗を可能な限り低くすることです。θ_CAを除き、システムの熱抵抗（θ_JT、θ_TA、θ_JC）は部品の特性によって定義され、該当部品のデータシートから取得できます。PCB設計者として、私たちが主に影響を与えられるのはθ_CAの値であり、これはPCB設計に依存します。したがって、設計者の主な課題は、ICのケースから周囲環境への熱抵抗（θ_CA）をこの抵抗を低減することで減らすことです。この熱抵抗（θ_CA）をどれだけ下げられるかが、周囲環境と部品のジャンクションの間に発生する温度差（またはその欠如）を大きく定義します。

注目すべきは、熱伝導のもう1つのパスは部品のプラスチックケース（または「トップ」）だということです。ほとんどの電力部品のプラスチックパッケージは周囲環境への良好な熱パスを提供しないため、設計の熱放散効率は、ケースを通じて周囲環境へ熱エネルギーを放散する設計の能力により大きく依存します。このルールの唯一の例外は、問題のパワーICが部品のトップに熱パッドを持つように設計されている場合です。この場合、ICはヒートシンクをICのトップに直接取り付けるように設計されており、部品の「トップ」を通じた熱放散が設計ではるかに重要な要素になります。

パワー部品から熱を逃がす標準的なアプローチは、熱ビアによってパワー部品を隣接する銅プレーンに熱的に接続することです。これは通常、パワーICのフットプリントに多数のビアを配置することで達成されます。これらのビアはICの下の銅層への熱的接続を提供し、それらが部品から熱を伝導します。

また、熱ビアによってパワーICに接続される銅プレーンが多いほど、PCBの熱放散効率は高くなります。例：同じ面積の設計を比較した場合、4層設計と2層設計では、PCBの電力放散容量を最大30%向上できます。

以下の設計ルールは、設計の熱的考慮事項にアプローチするための良い出発点として提供されます。

1. 1ワットの電力を放散するための経験則として、40°Cの基板温度上昇で、15.3cm²（または2.4in²）/ワットの基板面積が必要です。基板がエアフローの対象となる場合、この要件は半分（7.7cm²または1.2in²/ワット）に削減できます。これらの値は、部品が基板エッジまで延びる銅プレーンに熱的に結合され、基板の両面に空気が自由に流れるように配置されていることを前提としています。これらの電力密度要件が設計にとって制約がきつすぎる場合、外部ヒートシンクの導入が必要になる可能性があります。また、40°Cの温度上昇は、回路基板の温度制御を検討する際の良い出発点です。
2. 基板上に複数の電力部品を配置する場合、それらの部品によってPCBが均等に加熱されるように配置するのがベストプラクティスです。PCB設計の長さ方向に大きな温度差があると、PCBが実装電力部品から熱エネルギーを最適に逃がせなくなります。設計者が利用できる場合、サーモグラフィーにより設計リビジョン完了後に部品配置を経験的に検査できます。
3. 部品の下に配置できるビアが多いほど、PCBは接続された銅プレーンにより効果的に熱エネルギーを伝達できます。アレイビアを使用して、パッケージの電力パッド（部品の大型熱伝導パッド）と接触するビア数を増やします。
4. より高ワット数を放散する設計では、より高い銅厚を使用する必要があります。1oz銅を電力設計の出発点として推奨します。
5. 銅ベタを使用して部品から熱エネルギーを逃がす場合、そのベタがパワー部品から離れる熱パスに垂直に走る配線によって中断されないことが重要です。
6. システム温度を公差内に保つためにヒートシンクが必要な場合、ヒートシンクは部品のケースに熱的に接続されるように配置すると、通常はるかに効果的です。これは通常、表面実装部品の反対側の基板面にヒートシンクを取り付けることを意味します。部品のトップに直接ヒートシンクを配置したくなるかもしれませんが、部品のプラスチックケースの熱抵抗によりヒートシンクは無効になります。前述の通り、このルールの例外は「トップ」にヒートシンクを取り付けるように明示的に設計されたパッケージです。

まとめると、パワー部品を扱うときはいつでも、設計の熱性能を考慮することは非常に重要です。本記事で提示した設計ルールをPCB設計プロセスの早い段階で使用することで、PCBの温度制御に良いスタートを切り、開発プロセスの後期における大幅な再設計を回避できます。

参考リソース

• PCB熱設計の最も包括的な原則
• 熱モデルに基づくPCB内部熱放散設計
• FPGAシステム制御基板の熱設計ヒント
• 高温環境における高電力PCB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
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応