1. 銅面積の拡大と大面積銅の注入
基本原則: 銅の熱伝導率は約 401 W/(m・K) で、FR-4 基板 (約 0.3 W/(m・K)) の数千倍です。発熱コンポーネントの周囲の銅箔面積を拡大すると、熱拡散のためのより大きな断面積が作成され、接合部から周囲への熱抵抗が効果的に低減されます。
エンジニアリングの重要なポイント:
熱集約型 IC の電源ピンとグランド ピンは、大きな銅プレーンに直接接続する必要があります。熱の流れを制限する狭い配線を避けてください。
最上層と最下層の両方に銅を流し込み、ビアを介してそれらを熱的に結合して、同等の銅の厚さを 2 倍にします。
銅の注入量が多くても、必ずしもそれに比例した利益が得られるわけではありません。熱利得はチップ サイズの 3 ～ 5 倍を超えると減少します。 EMI に対する熱性能と信号の整合性のバランスをとります。
底部サーマルパッドを備えた BGA / QFN デバイスの場合は、チップの直下でセグメント化せずに連続した銅を維持します。
2. サーマルビアアレイ
基本原則: コンポーネントのサーマル パッドが最上層にあり、主な熱放散が最下層または内層で発生する場合、垂直熱抵抗は FR-4 誘電体によって支配されます。サーマルビアは PCB 層全体に銅チャネルを形成し、上面のパッドから下層の銅またはヒートシンクに熱を急速に伝達します。これらは、垂直方向の熱抵抗を下げる最も効果的な方法の 1 つです。
エンジニアリングの重要なポイント:
単一ビアの直径よりも数量が重要です。複数の小さなビアは 1 つの大きなビアよりも優れたパフォーマンスを発揮します。一般的な実装: 直径 0.3 ～ 0.5 mm のビアが、サーマル パッドの下に 1.0 ～ 1.5 mm ピッチでアレイ状に配置されます。
はんだの吸い上げを防止します。ビアがパッドに直接着地すると、はんだが吸い取られる可能性があります。量産の場合は、ビア充填と銅キャップを備えた VIPPO (Via‑in‑Pad Plated‑Over) を採用します。
サーマル ビアを固体内層のグランドまたは電源プレーンと組み合わせて、ビアとプレーンを組み合わせた 3D 放熱構造を構築します。
消費電力が 5 W を超えるデバイスの場合は、少なくとも 9 つのサーマル ビアを使用し、熱シミュレーションを通じて結果を検証します。
3. サーマルパッドと露出パッド (EPAD)
基本原則: QFN、DFN、SOIC-EP などのパッケージは、底部に露出した金属ダイ パッドがチップ ダイに直接接合されているのが特徴です。 PCB 上に設計された一致する銅パッドにより、コンポーネントのリードだけではなく、チップの裏面から熱を逃がすことができます。
エンジニアリングの重要なポイント:
PCB EPAD の寸法はデータシートの推奨事項に従う必要があり、通常はパッケージのエクスポーズド パッドよりわずかに大きくなります (各辺のマージンが 0.1 ～ 0.25 mm)。
EPAD をサーマル ビア アレイを介して下層または内層の大きな銅プレーンに配線します。最上層の銅だけでは冷却能力に限界があります。
EPAD 上に (1 つのしっかりした大きな開口部ではなく) 複数の小さな開口部を持つステンシルを設計して、はんだペーストの量を制御し、コンポーネントの浮きやブリッジを防ぎます。
適切に実装された EPAD は、1 ～ 2 度 /W という低い熱抵抗を達成でき、熱設計に高いコストパフォーマンスをもたらします。
4. メタルコア PCB (MCPCB / アルミニウムベース PCB)
基本原則: 標準 FR-4 基板は熱伝導率が低いです。 MCPCB は、薄い熱伝導性誘電体層 (50 ～ 100 μm) を備えたコアとしてアルミニウムまたは銅を使用します。全体の熱伝導率は 1‑8 W/(m・K) に達し、FR-4 の何倍も高くなります。熱はコンポーネントのパッドから誘電体層を通って金属コアに伝わり、さらに筐体に伝わります。
エンジニアリングの重要なポイント:
一般的な用途: 高出力 LED 照明、自動車エレクトロニクス、電源モジュール。 LED ジャンクションの温度制御は、アルミニウムベースの PCB に大きく依存しています。
誘電体層が主な熱ボトルネックです。コンポーネントの選択時にベースメタル材料のみに焦点を当てるのではなく、誘電体の熱伝導率を優先します。
FR-4よりもコストが高くなります。導電性の金属コアのため複雑なビア処理が必要です。多層 MCPCB は技術的に困難です。
代替案: 部分的な銅コイン/銅インレイを FR-4 ボード内に埋め込み、コストと熱性能のバランスを実現します。
5. 外部ヒートシンクおよびサーマルインターフェースマテリアル (TIM)
基本原則: PCB 固有の熱放散が限界に達すると、熱をより大きな外部ヒートシンクに伝導する必要があります。発熱コンポーネントまたは裏面の PCB 銅は TIM を介してヒートシンクと接触し、微細な隙間を埋めて空気を追い出します (空気の熱伝導率は約 0.026 W/(m・K)、熱伝導率が低い)。
| タイプ | 熱伝導率 | 厚さ | アプリケーションシナリオ |
|---|---|---|---|
| サーマルグリース | 2‑8 W/(m·K) | とても薄いです(<0.1 mm) | IGBT、CPU。制御された圧力で再組み立てできるアプリケーション |
| サーマルギャップパッド | 1‑6 W/(m·K) | 0.5～5mm | 高低差補正、電気絶縁、衝撃吸収 |
| 二液型熱接着剤 | 1‑3 W/(m·K) | アプリケーションに依存する | 熱接触と機械的接合の両方が必要なシナリオ |
| 相変化材料 | 3‑6 W/(m·K) | 0.1～0.25mm | 高温で溶けて隙間を埋めるため、長期信頼性が優れています |
6. コンポーネントレイアウトの最適化とエアダクトの設計
基本原則: 前の 5 つの方法は熱伝導に焦点を当てています。最終的に、熱は対流と輻射によって周囲に放散されなければなりません。適切なレイアウトとエアフロー設計により、BOM コストを追加することなく、システムの熱抵抗を大幅に削減できます。
概要: 熱設計のための体系的な考え方
PCB の熱設計は、単に個々のトリックを積み重ねるのではなく、熱抵抗チェーン全体にわたって系統的に最適化することです。
チップジャンクション → パッケージ → はんだパッド → PCB 銅線 → ビア/メタルコア → ヒートシンク → 周囲環境
各セグメントの熱抵抗を定量的に評価する必要があります。推奨されるワークフロー:
各発熱デバイスの消費電力と最大許容ジャンクション温度を推定します。
許容総熱抵抗を計算します: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max。
パッケージ、PCB、ヒートシンクに熱抵抗の予算を割り当て、ボトルネックを特定します。
上記の方法を組み合わせます。 EPAD とサーマル ビア、および大規模な下層銅により、最もコスト効率の高いベースラインが提供されます。高電力シナリオには、ヒートシンクまたはメタルコア ボードを追加します。
熱シミュレーション (FloTHERM、ANSYS Icepak など) によって検証し、赤外線熱画像測定で校正します。
