未然に大トラブル回避！電卓でまず計算「全消費÷表面積」

300Wm$^$2以上なら早めの設計見直し

基板全体の熱流束を把握する重要性

電子機器の設計において，基板全体の放熱性能を把握することは極めて重要です．発熱は部品の体積で生じますが，熱は表面からしか逃げません．このため，基板の面積あたりの発熱密度，すなわち熱流束を計算することが最初の確認作業です．計算式は「基板に搭載された部品の総消費電力÷基板の表面積」で求められます．単位はW/m$^2$です．電卓で簡単に確認できる値であり，未然に大きな温度上昇トラブルを避ける第1歩です．

許容値と基板設計の目安

自然空冷の場合，基板全体の熱流束はおおよそ300～400W/m$^2$以内に収めることが望ましいです．これを超えると温度上昇が急激に大きくなり，冷却手段を追加しなければなりません．基板設計の初期段階で，この目安を満たしているかを確認することは大切です．許容値を外れる基板は，完成後にサーモグラフィで観測すると局所的な温度上昇が明確に現れます．したがって，初期段階での簡易計算が有効です．

熱流束の均一化とブロック設計

基板全体で基準値を満たしていても，回路ブロックごとの熱流束が偏っていると温度分布に大きな差が生じます．これを防ぐためにはブロックごとに消費電力を把握し，ブロック面積で割って局所的な熱流束を確認することが重要です．その結果に基づいて面積を調整すれば，温度の局所上昇を抑えられます．

1. 基板の総消費電力を把握する
2. 基板の外形寸法から表面積を求める
3. 全消費電力÷表面積で熱流束を算出する
4. 熱流束が基準値内か確認する
5. ブロックごとの熱流束を計算し，均一化を図る

熱流束の分布は温度分布に直結します．シミュレーションを行わなくても，電卓計算だけでおおよその温度傾向を予測できる点が大きな利点です．

熱拡散による対策

熱流束が局所的に大きい場合は，銅箔を利用して熱を拡散させることが有効です．基板の残銅率を高くすれば，熱が面全体に広がり温度上昇を抑制できます．チップ抵抗などを分散配置することでも温度を下げられます．さらに，多層基板にして銅箔を増やすことで，放熱性能は向上します．このような工夫を組み合わせれば，基板自体が放熱デバイスとして機能します．

〈著：ZEPマガジン〉

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チャプタ・リスト

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．