Excelのススメ！初めての熱＆基板設計

熱は基板の裏側へ！上手いサーマル・ビア

熱設計と基板設計の基本的な考え方

サーマル・ビアを活用した放熱効率の向上

サーマル・ビアは，熱を基板表面から裏面へ効果的に伝導する手段の1つです．基板表面の熱を裏面に逃がすことで，部品の温度上昇を抑制できます．たとえば，TO-252部品（サイズ6.35×6×2.4mm）を使用した場合，サーマル・ビアなしの状態では部品温度が約214℃まで上昇しますが，サーマル・ビアを導入すると192℃に低下する結果が得られました．

このような温度低下は，以下の要因に依存します．

1. ビアの内径と本数
   内径が大きく，本数が多いほど放熱性能が向上します
2. ビアの充填材
   熱伝導率の高い材料を使用することで，さらに効率的な熱伝導が可能です
3. 銅厚と残銅率
   銅箔の厚みが十分で，基板面積の多くが銅で覆われているほど効果が上がります．

放熱パッド設計の工夫

放熱パッドは，部品底面から基板への熱伝導を促進する重要な要素です．TO-252のようなパッケージの場合，基板サイズや放熱パッドの面積が熱設計に大きく影響します．以下のような工夫が効果的です．

1. パッドの大きさを最適化:部品底面のエリアを最大限活用することで，熱抵抗を低減します
2. 接続層の均一化
   パッドの銅層と基板の熱伝導率を均等にする設計が重要です
3. 部品間の熱分布を調整
   放熱パターンを適切に配置することで，基板全体の温度バランスを保ちます

実際の設計では，放熱パターンがある片面基板で基板サイズを50×50mm，パッド面積を20mm四方に設定するケースが一般的です．この設定に基づき，部品温度の上昇が約116℃と計算され，サーマル・ビアと組み合わせることでさらなる性能向上が見込まれます．

サーマル・ビアの重要なキーワード

サーマル・ビア設計においては，次のキーワードが設計効率と放熱性能の向上に直結します．

1. 熱抵抗（$R_{\text{th}}$）
   熱抵抗は，熱の流れを妨げる度合いを示します．ビアの数や充填材，内径が熱抵抗に影響を与えます．例えば，銅厚を0.2mmから0.3mmに増やすだけで，熱抵抗を約10$\%$改善できます
2. 熱伝導率（$k$）
   材料固有の熱伝導性能を表します．銅（約400W/mK）や銀（約430W/mK）は非常に優れた材料ですが，コスト面を考慮して銅が多く採用されます
3. 熱容量（$C$）
   熱容量が高いほど，温度変化を緩やかにできます．これは基板全体の材質選定に影響します

〈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．