Excel活用のススメ 熱の流れは水に似ている

ゴールは空気，90%はいったん基板へ

熱流量と水の流れの類似性

熱の流れを理解する際，水の流れに例えると直感的に把握しやすいです．熱はエネルギの一形態であり，時間当たりに移動する熱量（熱流量）は，配管を流れる水量に相当します．熱設計を考える際，以下のような対応関係が成り立ちます．

1. 水位（温度）：熱の蓄積量を表します．
2. 水量（熱量）：システム内に溜まっているエネルギの量を示します．
3. 注水量（発熱量）：発熱源が供給するエネルギです．
4. 管路抵抗（熱抵抗）：熱の流れにくさを表します．
5. 水はけ（放熱）：基板やヒートシンクが熱を逃がす能力です．

熱の流れを制御するためには，適切な「水はけ（放熱）」を確保することが重要です．熱が基板に溜まりすぎると温度が上昇し，電子部品の性能や寿命に悪影響を与えるため，放熱経路を最適化する必要があります．

90%の熱は基板経由で流れる

電子機器における熱の流れは，約90%が基板を経由して放熱されることが知られています．特に，熱伝導率の高い基板を使用することで，効率的に熱を拡散できます．

FR-4のような一般的な基板は熱伝導率が低いため，放熱設計が重要になります．放熱経路を確保するために，以下の工夫が有効です．

1. 熱伝導率の高い基板材料を選定する
2. 基板内に熱ビアを設けることで熱の流れを改善する
3. 放熱パッドを利用し，熱をヒートシンクへ誘導する

輻射の理解と誤解

熱の移動には，熱伝導・対流・熱放射の3つのメカニズムがあります．このうち，輻射（熱放射）は電磁波による熱移動であり，真空中でも伝わるという特徴があります．

輻射の重要なポイントは，温度の4乗に比例して放射エネルギが増加することです（プランクの法則）．このため，高温環境では輻射の影響が大きくなります．しかし，電子機器の温度範囲では，対流や熱伝導の影響のほうが支配的です．

一般的な誤解として，「黒い物体は熱を吸収しやすいから冷却に向いている」というものがあります．実際には，黒い表面は放射率が高いため，周囲温度が低い場合には熱を逃がしやすくなりますが，高温環境では逆に外部からの熱を吸収しやすくなります．このため，放熱設計では単純に黒色塗装を施すのではなく，周囲環境や熱源の分布を考慮することが重要です．

熱のオームの法則

熱の流れを定量的に評価する際，熱のオームの法則が便利です．これは電気回路のオームの法則と類似しており，以下の式で表されます．

\[ \text{熱流量（W）} = \frac{\text{温度差（K）}}{\text{熱抵抗（K/W）}} \]

ここで，熱抵抗は材料の性質と構造によって決まります．

\[ \text{熱抵抗} = \frac{\text{長さ（m）}}{\text{熱伝導率（W/mK）} \times \text{断面積（m2）}} \]

熱抵抗を低減する方法として，以下の手段が有効です．

1. 熱伝導率の高い材料を使用する
2. 放熱パスを短くし，熱の移動距離を縮める
3. ヒートシンクや熱ビアを利用し，熱拡散を促進する

このように，熱のオームの法則を用いることで，熱設計の最適化が容易になります．〈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．