部品の熱の 90%以上は基板側から逃げる


プリント基板を活用したICの放熱技術

熱は空中には移動しない

図1　ICの熱は空中ではなく基板側に流れ出ていくイメージが重要．画像クリックで動画再生．詳細は［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点を参照

半導体チップは動作中に発生する熱を効果的に放散する必要があります． 特に，現代の高性能ICは微細な構造と高密度な集積度を持ち，発熱量が増加しているため，効率的な放熱技術が求められます．

そこで注目されるのが，基板を通じた放熱技術です．

多くのパッケージタイプで，部品の熱は90$\%$以上が基板側から逃げることが確認されています．例えば，PBGA（Plastic Ball Grid Array）パッケージやQFN（Quad Flat No-lead）パッケージは，放熱の大部分が基板を介して行われ，上面からの放熱はわずか10$\%$以下に過ぎません．

基板を通じた放熱がこれほど大きな割合を占める理由は，基板が熱伝導性の高い材料で構成されており，チップから発生した熱を効率的に広範囲に拡散できるためです．

基板自体の設計も放熱性能に大きく影響します．

基板上のレジン・サイズやヒートシンクの配置，さらには基板の層構造などが，放熱効率を決定する要因となります．特に，タブやリードを基板に半田接続することで，熱抵抗を低減し，より効率的な放熱が可能となります．しかし，基板の熱設計手法はまだ確立されておらず，個々の設計要件に応じた最適な放熱方法を模索する必要があります．

熱設計においては，各熱源が基板を介してどのように熱結合しているかを理解することが重要です．

各チップのジャンクションから基板へ，そしてヒートシンクや周囲環境へと，熱がどのように伝わるかをシミュレーションし，最適な放熱経路を設計することが求められます．これにより，半導体の信頼性や寿命を大幅に向上させることができるのです．

基板を利用した放熱技術は，電子機器の性能と信頼性を左右する重要な要素です．特に，高性能ICの放熱対策が十分でない場合，熱暴走や故障のリスクが増大します．そこで，基板設計が持つ役割について深掘りしてみましょう．

基板は，単なるチップの支持体ではなく，熱伝導の主要な経路として機能します．基板の材質や構造，層数などは，放熱効率に大きな影響を与えます． 例えば，厚みのある銅箔を使用した基板は，熱伝導率が高く，効果的に熱を拡散することができます．また，基板の層構造が複数ある場合，内層にも熱を逃がすことで，放熱性能を向上させることができます．

さらに，プリント・パターンの設計も重要です． 広い銅箔面積を確保し，熱を拡散させるための適切な経路を設計することが求められます． これにより，局所的な温度上昇を防ぎ，基板全体で均一に熱を分散させることが可能です．

また，基板上のコンポーネントの配置も放熱に影響を与える要因です．熱源同士が近接して配置されると，熱の相互干渉が起こり，放熱効率が低下する可能性があります． 一方で，放熱を助けるための外部要素として，ヒートシンクやファンなどの冷却装置を適切に配置することも重要です． これらの冷却装置は，基板からの熱を効率的に外部に排出する役割を果たしますが，基板の設計と一体化することで，その効果を最大限に引き出すことができます．

総じて，基板を活用した放熱技術は，電子機器の長寿命化と安定動作に不可欠な要素であり，今後の電子機器設計においてもその重要性は増していくでしょう．〈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. 熱設計完全制覇，日刊工業新聞社．
  6. 熱設計完全入門，日刊工業新聞社．
  7. 電子機器の熱対策設計，日刊工業新聞社．
  8. 電子機器の熱流体解析入門，日刊工業新聞社．
  9. トコトンやさしい熱設計の本，日刊工業新聞社．
  10. 熱設計と数値シミュレーション，オーム社．
  11. 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．