高温環境向け高電力PCBの設計

一般的な部品集積プラットフォームとして、多層PCBは回路基板と部品を接続します。電子製品の軽量・薄型・小型化と高性能化に伴い、IC部品が高集積化し、PCBの高密度化が進んでいます。その結果、発熱が顕著に増加し、特にA/D・D/A型等の高周波IC部品の大量採用と回路周波数の向上により、PCB熱密度が上昇しています。大量の熱損失を放出できなければ、電子機器の信頼性に大きな影響を与えます。統計によれば、電子機器故障要因のうち温度が55%を占めトップです。温度上昇に伴い、電子部品故障率は指数関数的に増加。環境温度が10℃上昇すると、一部部品の故障率が2倍になります。航空宇宙製品では、特殊環境下のあらゆる回路に不適切な熱設計を採用すると、システム全体の完全故障を招く可能性があります。したがって、PCB設計時に熱設計に多大な注意を払う必要があります。

原因分析から始めましょう。PCB高温の直接原因は消費電力部品の存在です。各部品は異なる程度の消費電力を持ち、熱強度の変化を引き起こします。温度上昇現象には2タイプあります：局所温度上昇または広範囲温度上昇、短期温度上昇または長期温度上昇。熱伝達には熱伝導、熱対流、熱放射の3経路があります。放射は電磁波運動で空間を通過し熱を放散しますが、放散熱量が比較的少ないため通常は補助的放熱手段と見なされます。本稿では、熱伝導とヒートシンク蓄熱技術に基づき、長期動作する高温環境下でのPCB放熱ソリューションを、サーボPCBを例に紹介します。

このサーボPCBには、2W電力増幅チップ2個、R/D変換チップ2個、CPUチップ2個、EPLDチップ1個、A/D変換チップ1個が搭載。総消費電力9W。サーボPCBは限られた空気対流の密閉環境に設置され、スペース制約でコールドプレート放熱が設置できません。正常動作を確保するため、熱伝導とヒートシンク蓄熱技術のみでPCB発熱を筐体へ伝達・放出します。

メタルコアPCBによる放熱

一般的な方法として、優れた熱伝導性を持つ金属板を多層PCBの間に埋め込みます。金属板から直接放熱するか、分離装置を金属板に接続して放熱します。動作構造を図1に示します。

メタルコアPCBの主材料はアルミニウム、銅、鋼。グランド層としても使用可能。メタルコアPCBの上下層はメッキスルーホールで相互接続可能で、熱を内層と表面のメタルコアに伝達できます。発熱部品を底面から基板にはんだ付けし、熱伝導ホールで熱を伝達。発熱部品から生成された熱は直接メタルコアPCBに伝わり、熱伝導ホールで接触シャーシに伝えて放出します。この構造のPCBは幅広い用途がありますが、問題もあります。メタルコアPCBは厚く、不均一放熱で変形しやすく、チップとピンの接触不良を招きます。放熱が速いためチップ交換が極めて困難で、交換時の局所熱吸引で基板が深刻変形。基板面積が大きいほど変形しやすいことが検証されています。

メタルコアPCBの改良設計

上記問題を解決するため、メタルコアPCBを改良設計します：

1. 厚さ0.15mmの4層銅箔をPCB内に挟み込み、PCB厚を3mm増やして変形を防ぎ、スルーホール信頼性を向上
2. 2W発熱チップの底面にSMTパッドを追加し、熱をPCB金属層へ伝達
3. チップ底面の熱を、大面積銅箔と熱伝導ホールで内層銅箔層へ伝達
4. PCB両面の絶縁層を削り取り、エッジメタライゼーションを実現。ベアエッジPCBとベースの接触で放熱。36本ネジで固定し、PCBと筐体の熱伝導を増強

上記対策実施後の改良PCB設計を図2に示します。

シミュレーションモデリングと分析

電子機器熱状況用ソフトウェアFLoTHERMを使用し、サーボPCBのシミュレーションモデリングと分析を行います。サーボPCBの境界条件：環境温度65℃、動作時間90分。搭載部品はすべてXディレーティング要件を満たします。各部品の許容温度は下表の通り。

部品	消費電力/W	Xディレーティング最大温度/℃	Xディレーティング最大ボディ温度/℃
CPUチップ	0.6	100	87
R/Dチップ	0.5	100	87
EPLDチップ	0.5	100	85
電力増幅チップ	2.0	100	87

サーボPCBの主要電力部品は2チップ（49.76×41.4mm）で各2W。他部品総消費電力5W、PCB全体9W、サーボ駆動部品10W、電源40W、サーボ+電源総消費電力59W。

サーボ制御チップ温度を図3に示します。65℃環境で90分動作の熱解析結果：連続30分でチップ温度急上昇し72℃以上、連続50分で徐々に安定、連続90分で2Wチップボディ温度77.9℃（許容87℃）、0.6Wチップ84℃（許容87℃）、0.5Wチップ78.2℃（許容87℃）、0.5Wチップ77℃（許容85℃）。

理論解析・シミュレーション熱設計条件下では、サーボ制御チップ温度は許容範囲内に収まります。理論解析ではチップとPCB間に隙間なしと仮定しますが、実際の取付時には隙間が生じる可能性があり、シリコーンゲルで充填して放熱効果を確保します。

PCBCartで高電力PCBを製造

PCBCartは2005年以来、10年以上にわたり回路基板を製造。高温環境関連の多数プロジェクトで実績があります。回路基板製造でお困りなら、こちらからご相談ください。PCBお見積もりは常に無料です。

参考リソース

• 中国の電子製造リソースを最大活用し、コストと性能の最適バランスを実現
• PCBメーカー・PCB実装業者の評価方法
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス
• PCBCartの先進PCB実装サービス