オーバーヒートの解決PCB放熱テクニック

プリント基板の過熱がエレクトロニクス分野で大きな問題となる理由

最先端エレクトロニクスの絶え間ない発展は、そのサイズと能力をかつてないレベルにまで高め、部品が密集した状態での熱管理といった新たな問題を引き起こしています。プリント回路基板（PCB）の過熱は、単なる不便さではなく、デバイスの性能、信頼性、耐久性に影響を及ぼす悲惨な問題です。極端な熱条件下でもデバイスが機能し続けるようにするには、すべての電子機器設計者と製造者が熱管理の基礎と高度に洗練された熱管理戦略を知っていなければなりません。熱を適切に管理することは、デバイスに永久的な損傷を残さないために不可欠です。

PCBにおける熱管理の基礎

簡単に言えば、プリント基板の熱管理とは、電圧レギュレーターのような発熱部品からの熱を理想的に移動させることです。電子部品は、そのタスクを実行する際に、常に電気抵抗のエネルギーを消費して熱を発生させます。どんなに小さくても、電力を使用した結果、熱は必ず発生する。例えば、平均的なマイクロコントローラーは2～3ミリワットから数ワットのエネルギーを放散しますが、ハイパワーコンポーネントやプロセッサー、パワーLED、トランジスタは非常に強力で、数十ワットから数百ワットのオーダーで熱を発生させます。

PCBは、熱伝導体としての役割も含め、二重の役割を果たしている。しかし、この機能は一様ではなく、選択された材料と設計に大きく依存します。部品から発生する熱は、PCBを適切な熱分布で層間移動させ、環境に放散させる必要があります。熱伝導の2つのモードは、リードからの伝導、周囲の流体や空気への対流、および多くの熱を放出する波の放射です。熱エネルギーの効果的な制御と管理は、部品内の熱エネルギーの経路の効率を向上させ、動作中の部品の温度が限界内に収まるようにします。商用アプリケーションの場合、これは0℃から70℃の間ですが、高信頼性や特殊な電子機器の場合は、通常もっと厳しくなります。

不適切な放熱の結果：性能、信頼性、寿命

プリント基板の「放熱」に対する注意が欠けていると、電子機器に多くの、広範囲に及ぶ悪影響を及ぼす可能性がある。

• パフォーマンスの問題： 半導体デバイスの温度上昇に伴い、電気特性も変化する傾向がある。つまり、トランジスタのスイッチング速度が低下し、処理時間の増加やシステム性能の低下につながる。アナログ回路の場合、温度上昇はノイズやドリフト信号の原因となり、信号の完全性を低下させる。3GHzで動作するように設計されたプロセッサーは、最適温度が10℃上昇するごとに10%から15%の間で低下する。
• 信頼性の低下： 高熱は、デバイス内のほとんどすべての化学反応の速度を増加させる可能性があるため、早期老化と故障率の増加につながる。研究によると、温度が10℃上昇するごとに、多くの電子部品で推定2倍の故障率が発生する。アレニウス方程式は、温度と部品の寿命の関係を最もよく表しているが、実際には、このような部品はしばしば故障する。電解コンデンサーは85℃で10,000時間の定格がありますが、105℃の一定の熱では、もっと早く故障点に達する可能性があります。
• 寿命の短縮： 電子機器の性能、信頼性、寿命が損なわれることを累積的減損という。デバイスの寿命は常に限られていると言えます。高温に長時間さらされる部品は、高い確率で故障する。そうなれば、デバイスは使い物にならなくなってしまう。このシナリオは、保証修理費用の増加や顧客満足度の低下をもたらすだけでなく、航空宇宙、医療、産業用制御システムなど、デバイスの耐用年数が重要な多くの分野にとっても大きな課題となっている。
• エネルギー消費の増加： デバイスがオーバーヒートすると、必ず多くのエネルギーを消費する。この過剰な熱を管理しなければならず、冷却システムは残業しなければならない。熱の管理はバッテリーの寿命に直接影響するため、電源供給をバッテリーに依存するほとんどの充電式機器では、このようなケースが見られる。
• 安全性への懸念： 積極的な対策を講じない限り、過熱は危険となり、極端な場合、熱暴走や可燃性材料の火災につながる可能性がある。

以上のことから、プリント基板の設計には効果的な放熱技術を取り入れる必要がある。このような技術は、少なくとも、電子製品が要求される機能性、耐久性、安全性を維持することを保証しなければならない。

高度な放熱方法

プリント基板の過熱問題を解決するために、多くの洗練された高度な放熱方法が開発され、電子設計プロセスで一般的に使用されています。これらの方法は、部品からの熱伝導を高める方法と、周囲空間への熱の放射や対流を含む方法の2つに分類することができます。全体的な熱設計では通常、複数の熱制御技術を同時に使用します。

ヒートシンクの実装

対照的に、ヒートシンクは、より高度な方法で作動する受動的な装置である。シンクは、熱を周囲の空気に伝えるための表面積を増やすことを目的とした熱管理装置である。ヒートシンクはほとんどの場合、アルミニウムや銅のような導電率の高い素材から作られ、さまざまな形や大きさがあり、通常は表面積を増やすためにフィンが付いています。

電力を放出するすべての放出型電子部品は、動作中に温度の上昇を経験する。発熱の場合、ヒートシンクはデバイスからエネルギーを受け取り、周囲の媒体に放散されるエネルギー量を増大させるために使用される。これらのデバイスは、フィン付き表面の使用により接触面を最大化し、ヒートシンクの周囲を強制循環または自然循環する冷却空気の流れをサポートします。その効率は、材料、表面積、フィンの構成、部品とヒートシンク間の界面の熱抵抗に依存します。サーマルペーストやパッドなどのサーマルインターフェイス材料（TIM）を使用することで、適切な熱伝達のためにインターフェイスを適切に取り付け、インターフェイスの熱抵抗を低減することができます。例えば、表面積が50cm²と大きいアルミニウム製ヒートシンクは、自然対流によって数ワットの熱を受動的に冷却することができ、これはヒートシンクのない高温の部品よりも大幅に多くなります。大電力用途では、より大きく、より細かく分割されたヒートシンクが必要になります。

熱の流れを促進するサーマルバイアスの活用

サーマルビアは、熱伝導性材料（多くの場合銅）を充填しためっきスルーホールで構成され、PCBのある層から別の層への垂直方向の熱伝達のためのビアとして機能します。多層PCBに採用された場合、表面実装デバイスの熱を内側の銅プレーンに移動させ、熱をさらに基板周囲に拡散させる上で重要な役割を果たします。

サーマルビアの性能を最大限に引き出すには、発熱部品の下に戦略的に配置する必要があります。必要なサーマルビア数は、PCB材料の熱伝導率と放熱される熱量に依存する。例えば、直径0.3mmのサーマルビアを10～20本密集して配置すれば、表面部品と内部銅プレーン間の熱抵抗値を劇的に下げることができます。効果的な熱管理方針は、これらのサーマルビアの量と配置を最適化することに焦点を当てなければなりません。

熱伝導のための銅トレースと平面の最適化

PCB 構造において、銅は最良の熱伝導体であり、その高い熱伝導率により、熱放散率を高めるために戦略的に採用することができ、ハイパワーアプリケーションにおいて最良の熱放散を提供します。電気抵抗の減少に加え、大電流を流す銅トレースの幅と厚みを増やすことで、銅トレースの抵抗と部品からの放熱能力の両方が向上します。さらに、大面積の銅プレーンには熱を拡散する能力もあり、特にグランドプレーンやパワープレーンはPCBの真上にあるため、プレーン構成部品を広範囲に加熱することができます。

大電力アプリケーションでは、層全体または層の大部分を銅プレーン用に確保することで、熱管理に大いに役立ちます。銅の熱伝導率はほぼ 400W/m・Kであり、一般的な FR-4 の熱伝導率が低いため 0.2W/m・K程度であるのに比べ、はるかに優れています。この違いは、放熱に銅を利用する必要性を強調するものであり、熱設計戦略の一部として考慮されるべきものです。例えば、銅トレースの厚みを片側から2倍に増やすと、熱抵抗はおよそ50％減少します。

ヒートパイプ技術とPCBへの応用

ヒートパイプの原理は、密閉されたチューブ内の作動流体の蒸発と凝縮の連続プロセスによる熱の移動に基づいている。ヒートパイプは、かなりの距離を最小限の温度損失で熱を伝達する装置と定義される。以前は、ノートパソコンの冷却など、用途はかなり限定されていましたが、ヒートパイプは簡単に組み込むことができ、現代のエレクトロニクスで利用可能な最良の熱管理戦略の1つであることから、大きな電力を必要とするPCBに設置されるヒートパイプの普及が一般的になりつつあります。

プリント基板（PCB）の能動的冷却には、PCBへのヒートパイプの組み込み、PCB部品への直接取り付け、小型化ヒートパイプの適用などがあります。ヒートパイプは、集中した熱流束をホットスポットから放熱可能な設計領域に移動させるのに極めて効果的です。これはパイプを小型化することで可能になり、その結果、無垢の銅よりも熱伝導率がかなり高くなります。

一例として、小型ヒートパイプの効率的な熱伝導率は、無垢の銅の熱伝導率よりも数桁高いことがあります。そのため、小型ヒートパイプは、高レベルの集中発熱を伴うあらゆる種類の電子機器に理想的に適しています。

強制対流冷却ファンの活用

冷却ファンは、PCBとヒートシンク全体に動的に空気を移動させ、対流熱伝達を改善する能動的な熱管理デバイスとして機能します。冷却ファンは、受動的な冷却方法では部品の温度を許容範囲内に維持できないようなアプリケーションで特に効果的であり、エレクトロニクス業界のさまざまなデバイスの熱を管理するために最も広く使用されている戦略の1つです。

ファンの構成は、排出する熱量、ファンを設置できるスペース、必要な風量、許容できる騒音レベルによって決定される。風量と圧力特性は様々なファンで異なります： アキシャルファン と送風ファンがあり、それぞれ異なるタイプの気流と圧力を提供する。

送風ファンとしても知られるラジアルファンは、特定の場所または限られた容積に気流を送る必要がある場合によく使用されます。 アキシャルファンヒートシンクは、PCB全体に一般的な気流を供給するのに適しています。一例として、ヒートシンク上を流れる空気の速度を1m/sから3m/sにすると、ヒートシンクの放熱能力は50-100%増加します。

熱管理強化のための部品配置戦略

冷却システムに関するPCB上のコンポーネントの戦略的配置は、イノベーションを必要とする分野です。設計者は、さまざまなシステムの熱特性、システム内の位置、利用可能な冷却方法を慎重に検討することで、放熱を強化することができます。

• ハイパワーコンポーネントの分離： 熱を発生する部品は、局所的な温度上昇を避け、熱的結合を減らすために、互いに離れた場所に配置されるべきである。
• エアフローを考慮し、コンポーネントの向きを決める： 強制空冷システムの場合、コンポーネントは、スクリーン面の大部分を一方向に空冷できるように配置する必要があります。例えば、フィン付きヒートシンクを冷却気流の方向と平行に配置します。
• 熱に弱い部品： 冷却に敏感な部品は、強力な部品エリアから外し、冷却された領域内に配置する。
• ボードエッジの使用： 大電力コンポーネントは、熱をシャーシやエンクロージャに移動できるように、PCBの端にマウントすることができます。
• 熱対称性： PCB上の発熱デバイスの分布のバランスを取ることは、ホットスポットの減少によるPCB上の局所的なエリアの温度低下や、PCB上の空気温度基準の改善に役立つ可能性がある。

PCB放熱技術のベストプラクティス

設計プロセスの段階にもよりますが、プリント基板（PCB）の熱管理は、問題の特定から熱管理の課題の解決まで、体系的に行わなければなりません。

初期段階の熱解析とシミュレーション

設計サイクルの初期段階では、物理的なプロトタイプを製作する前に、評価とシミュレーションを行い、過熱のリスクを軽減し、その他の熱制御技術の効率をテストする必要があります。有限要素解析（FEA）のようなプロセスを採用したプログラムでは、プリント回路基板がどのように発熱し、熱がどのように伝導するかをシミュレートするため、エンジニアは部品や冷却部、冷却ファンの配置を改善することができます。製品が開発の後期に入る前にこれらの問題を修正できることは、多くの資源と時間を節約することになる。

さまざまなアプリケーション環境への配慮

電子機器の動作条件は、次のような場合に大きく影響する。 熱管理 戦略を採用する必要がある。低温で風通しの良い環境で機能する機器に比べ、高温または空気の流れが制限される閉鎖空間で機能する機器は、より複雑な冷却ソリューションが必要になる。

さらに、高度、湿度、ほこりやその他の汚染物質の存在もデバイスの熱性能に影響を与える可能性があります。PCBの放熱方法を選択・設計する際には、これらの滞在要因のバランスを取る必要があります。例えば、温暖な気候の屋外で使用されるデバイスは、空気制御された屋内で使用される同じデバイスと比較して、より強力な冷却ファンと大きなヒートシンクが必要になる場合があります。

複数のテクニックを組み合わせて効率を最大化

ほとんどの場合、効果的な熱管理を実現する最善のアプローチは、複数の技術を採用することである。例えば、ハイパワーコンポーネントにヒートシンク、戦略的に配置されたヒートスプレッダとサーマルビア、ハイパワーコンポーネントに強制空冷を組み合わせると、単一の技術を使用するよりもはるかに効率的にデバイスを冷却することができます。

実際に使用される冷却方法や技術は、発生する熱、使用可能な面積、投資コスト、必要な信頼性など、アプリケーション固有のパラメータによって異なる。

ACDCFANのヒントPCB設計で冷却ファンの使用を検討するタイミングは？

ほとんどの場合、PCB設計でファンを使用することは、システムの機能、コスト、ノイズ、信頼性の間のトレードオフです。ここでは、アクティブファン冷却の必要性を示唆するいくつかの重要な兆候を示します：

• 高い電力消費：I基板上に実装された1つまたは複数の部品が大きな電力（例えば10W以上）を放散する場合、ヒートシンクなどの受動的冷却を利用するだけでは、特にコンパクトな環境の場合、安全な動作温度を保証することはできません。
• 高い周囲温度： 周囲温度が高い地域（例えば40℃以上）でデバイスが機能することが要求される場合、受動的な熱伝達を促進する温度差は必要以上に低くなるため、能動的な冷却が必要となる。
• 限定的な自然対流： 換気が悪く空気の流れが制限された密閉システムは、熱の蓄積につながり、ファンによる強制空冷が必要になる場合がある。
• 厳しい性能要件： 特定のプロセッサーやGPUを常にピーク性能で動作させる必要があるアプリケーションでは、アクティブ冷却が最適な動作温度を確保し、サーマルスロットリングの影響を回避するのに役立ちます。
• 高い部品密度： 高密度に実装されたプリント基板には大量の熱が蓄積されるため、パッシブ冷却方式では温度制御が難しくなる。
• 信頼性の問題： アクティブ冷却は、動作温度を下げることで、重要なコンポーネントを長持ちさせることができます。その結果、長期的な信頼性を必要とするアプリケーションに最適です。

パッシブ冷却とアクティブ冷却の比較

PCBに採用されている熱管理戦略は、受動的な方法と能動的な方法に分けることができ、それぞれ高度な電子機器の全体的な熱管理に異なる貢献をしている：

パッシブ冷却では、外部エネルギーを使わずに熱を取り出します。例えば、ヒートシンク、サーマルビア、銅層の最適化、PCB材料の選択などがあります。このような技術は通常、複雑さが少なく、可動部品がないため信頼性が高く、余分なエネルギーを必要としません。その反面、受動的な方法で熱を取り出すため、冷却の可能性は限られています。PCBに能動部品を戦略的に配置することも、受動的冷却技術に該当する場合があります。この場合、隣接する部品間の熱干渉を最小限に抑えるように部品を配置します。

冷却のための能動的な技術は、PCBから熱を遠ざけるために働く外部エネルギー駆動装置を利用するものである。最も広く使われているのは、冷却ファンを使ってヒートシンクとPCB表面に空気を送り込む方法です。その他の能動的な方法の例としては、液冷システムがあり、冷却能力は高いが、より複雑で高価になる傾向がある。アクティブ方式にもパッシブ方式にもそれぞれ独自の利点がありますが、アクティブ冷却方式は熱の放散を劇的に改善できるため、パワーエレクトロニクスを利用するアプリケーションや、自然対流がほとんどない場所での使用にはるかに有益です。しかし、これらのアクティブ・ソリューションには、不要な音を発生させる、追加エネルギーを消費する、アクティブ・パーツの信頼性に基づいて寿命が制限されるなどの欠点があります。

ACDC FAN：効果的なプリント基板冷却のパートナー

世界的な冷却ソリューションメーカーであるACDCFANは、以下の製品に特化しています。 AC＆ラジアル, BLDC＆ラジアルそして 軸流ECファンPCBの最適な温度調節に必要なものすべてです。当社のファンは、40°Cで最大70,000時間の寿命を持ち、120°Cまでの温度に対して無制限のカスタマイズが可能で、高い信頼性と耐久性を持つように独自に設計されています。これにより、長期的なデバイスの安定性と性能維持の問題の低減が保証されます。

さまざまなアプリケーションのニーズを熟知している当社のファンは、1000～30,000 RPMの多段階回転数を備えており、特定のプリント基板の制約や動作冷却環境に対応した風量と圧力の制御が容易です。さらに、システム統合を強化し、さまざまな熱問題に対処するための設計や機能とともに、ファンのサイズや形状のカスタマイズも提供しています。

ISO認証取得企業（ISO9001、ISO14001）として、ACDCFANは最高の品質と環境基準を遵守しています。当社の冷却ファンは、製品の安全性を保証するRoHに準拠しており、UL、CE、TUVなどの国際的な安全規格を満たし、Isoの制限に沿って、汚染物質が使用されていないことを確認しています。

高い電力損失、コンパクトな部品配置、または困難な熱条件のPCBレイアウトのために、ACDCFANはお客様のニーズに合わせ、最適なパフォーマンスを保証する信頼性の高い冷却システムを提供します。その結果、信頼性が向上し、エレクトロニクス製品の寿命が延びます。お客様の緊急なPCB冷却要件を解決するために、私たちと手を携えてください。

結論

プリント基板の放熱技術は、もはやオプションの検討事項ではありません。電子機器の信頼性を高め、超高性能を実現するために不可欠なものとなっています。製品の過熱や浸食を引き起こすリスクは、熱管理についてしっかりと理解し、洗練された冷却方法を導入し、部品配置を最適化し、ベストプラクティスに従うことで解決できます。

パッシブ冷却ソリューションがお好みであれ、ファンが提供するより積極的なアクティブ冷却ソリューションがお好みであれ、首尾一貫した熱管理アプローチを持つことが鍵となります。電子機器を設計する際には、ACDCFANのような経験豊富な冷却ソリューションサプライヤーと協力することで、PCBの放熱問題に対処できることを忘れないでください。