Excelのススメ！初めての熱＆基板設計

鍵は見積りと見極め 目指せ！放熱器レス

事前のちょこっと計算をするかしないかで段違い

1．熱設計は初期が大切

基板設計において，熱管理は製品の寿命や信頼性に直結します．高密度実装が求められる昨今では，部品の消費電力や発熱量を正確に見積もることが重要です．Excelを使用すると，部品ごとの許容温度や消費電力を一覧化し，効率的に見積もりが可能です．

表計算を用いて部品の発熱量を整理し，周囲温度や基板の熱伝導率を基に以下のような計算を行えます．

\[ Q = P / （T_{\text{許容}} - T_{\text{周囲}}） \] ここで，$Q$は熱流束，$P$は消費電力，$T_{\text{許容}}$と$T_{\text{周囲}}$はそれぞれ部品の許容温度と周囲温度を表します．

2．部品分類と放熱対策の見極め

部品を「対策不要」「基板冷却対応」「ヒートシンク対応」に分類することは，熱設計の初期段階での重要な作業です． 以下は，指定された条件での一例です．

1. 対策不要部品:部品13
2. 基板冷却対応部品:部品1，部品3，部品7，部品9
3. ヒートシンク対応部品:そのほかの部品

分類には以下の手法を活用します．

1. Excelの条件付き書式を用いた視覚的な分類
2. 熱抵抗計算に基づくフィルタリング

これにより，危険部品を効率的に特定し，設計の最適化を進めることが可能です．

3．実践的な設計事例:部品の放熱スペース最適化

部品A（30mm×30mm×5mm，消費電力5W）を考えます．この部品は周囲9mmの放熱スペースでは基板冷却が困難であり，ヒートシンクの使用が推奨されます．一方，部品13（55mm×25mm×2.5mm，消費電力1.2W）は適切な基板配置により追加の放熱対策を必要としません．

このように，設計の初期段階で放熱対策を検討することで，基板スペースの有効活用が実現します．

熱抵抗とは

熱抵抗は，熱設計の中核をなす概念です．以下にその基本を解説します．

1．熱抵抗とは？

熱抵抗は，温度差と熱流量の関係を示す物理量であり，以下の式で表されます． \[ R_{\text{th}} = \frac{\Delta T}{Q} \] ここで，$R_{\text{th}}$は熱抵抗，$\Delta T$は温度差，$Q$は熱流量です．単位は[K/W]で表され，値が小さいほど熱が効率よく伝わります．

2．熱抵抗の低減方法

熱抵抗を低減するためには以下の手法が有効です．

1. 材料選定
   熱伝導率の高い材料（例:銅）を使用する
2. 放熱設計
   部品周囲の放熱スペースを確保し，ヒートシンクや放熱パッドを適用する
3. 基板設計
   多層基板やビアの活用により，熱の伝導経路を確保する

3．実践例

部品Aの単体熱抵抗は$R_{\text{th}} = 4.0\ \text{K/W}$と計算されます．目標値を満たすためには，放熱器の追加が必要です．このようなExcelでの計算は，設計の初期段階での判断を大いに助けます．〈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．