基板の熱設計複雑な計算はExcelで

転ばぬ先の杖熱源と経路を事前計算

複数熱源の影響と課題

プリント基板上には複数の熱源が存在し，それぞれが基板を介して熱結合しています．熱源からの熱は基板表面から周囲の空気や筐体に放出されます．単一の高発熱部品では，ヒートシンクやファンを組み合わせることで1次元モデルでの計算が可能です．ジャンクションからケース，ケースからヒートシンク，ヒートシンクから空気への熱経路は直列の熱抵抗として扱うことができ，トータル熱抵抗と温度差の計算は比較的容易です．

複数熱源の影響と課題

複数の熱源が存在する場合，熱はお互いにカップリングして作用します．基板上での熱分布は各部品の発熱量，表面からの放熱条件に依存し，温度によって放熱率が変化します．このため連立方程式を解く必要があり，手計算では解析が困難です．配線パターンやビアも熱経路として作用するため，これらを考慮しないと正確な解析は行えません．

Excelによる事前計算の有効性

複雑な連立計算を簡易化する手段として，Excelを用いた熱設計が有効です．各部品の発熱量，熱抵抗，基板面積を入力することで，目標温度と予想温度の比較が可能です．フロント・ローディングとして早期に問題点を把握できるため，設計段階で必要な放熱手段を検討できます．例えば次の手法が考えられます．

1. 各部品の熱抵抗を基に必要な追加表面積を算出する
2. ヒートシンクの配置とサイズを決定する
3. ファンや強制対流を組み合わせて熱伝達率を向上させる
4. 水冷システムやラジエータを利用して遠隔放熱を行う
5. 配線パターンやビアを熱経路として活用する

設計時の注意点

シミュレーションでは詳細な情報が必要であり，配線やレイアウトが確定するまで正確な温度分布を求めることは困難です．製造直前に問題が判明すると手戻りが発生するため，早期段階でExcelなどを活用した事前計算により，熱源と経路を把握しておくことが重要です．このアプローチにより，基板上の部品温度管理と効率的な放熱設計が可能です．

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1977年 早稲田大学理工学部 機械工学科卒
• 1977年 沖電気工業に入社．電子交換機やミニコン，パソコン，プリンタ，FDDなどの冷却方式開発や熱設計に従事．その後，電子機器用熱解析ソフトの開発，CAD／CAM／CAEおよび統合PDMの構築などを担務
• 2007年　サーマル・デザインラボを設立．上流熱設計と熱解析の両輪による「熱問題の撲滅」を目指し，製品の熱設計，熱対策支援，プロセス改革コンサルティング，研修などを手がける．

著書

1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. 高密度実装時代の熱設計教科書，トランジスタ技術2020年8月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［KIT］ミリ波5G対応アップ：ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．