アルミニウム基板が熱伝導性を向上させる仕組み
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現代の電子機器が小型化・高性能化するにつれ、熱管理は電子設計における最重要課題の一つとなった。プリント基板（PCB）には多様なコア材と材料が存在する。過去には幅広い材料を扱ってきたが、今日では金属コア基板が主眼となる。基本基板の放熱不良は、電気機器の性能低下、寿命短縮、あるいは致命的な故障を引き起こす。
従来のFR-4基板と比較して、アルミニウム基板は熱伝導性に優れており、効率的な代替手段となります。本記事では、その異なる特性を以下に列挙します。さらに、アルミニウム基板の構造、利点、用途、そして熱伝導性を向上させる仕組みについても検証します。
アルミニウム基板とは？
アルミニウムプリント基板（PCB）は金属基板を用いたプリント基板です。回路基板内で発生するパワーエレクトロニクスの熱を制御するために設計されています。基盤基板として従来のガラス繊維（FR-4）の代わりにアルミニウムを採用しています。アルミニウムPCBの基本構造は以下の通りです：
1. 銅配線層：この層の主な機能は、PCB上の全部品に電気的接続性を提供することです。標準的なCCL（1～10オンス）と比較して、使用される銅層は比較的厚くなっています。PCBの価格設定時には、銅の重量を選択するオプションがあります。銅のコーティングが厚いほど、より高い電流容量が得られます。
2. 誘電体層（絶縁層）：絶縁層として知られる誘電体層の厚さは約50～200μmです。電気的絶縁層および熱伝導層として機能するため、熱抵抗は低く、電気信号に対する抵抗は高い特性が求められます。
3. 金属ベース層（アルミニウム）：アルミニウム基板で構成されるアルミニウムベースは、PCBに機械的強度を提供します。しかし主な用途は熱伝導体として機能し、熱を放散することです。
4. アルミニウムベース膜層：このタイプの膜は選択的です。金属表面の不要なエッチングや傷を防ぐ保護目的を果たします。
電子機器において熱伝導率が重要な理由
電力変換器、LED、車載電子機器などの電子部品の動作時には熱が発生します。この熱が周囲へ迅速に放散されないと、周辺の部品が加熱されます。過剰な熱の蓄積は部品の寿命を縮め、はんだ接合部の疲労を引き起こす可能性があります。部品の過熱は焼損を引き起こし、PCBや回路全体に引火する恐れがあります。
アルミニウム基板の熱伝導率
1. アルミニウムの優れた熱伝導性
両基板の特性を並べて比較すると明らかです。FR-4基板の熱伝導率は0.3～0.4 W/mKです。一方、アルミニウムの熱伝導率は約205 W/mKです。比較によると、従来のFR-4基板の熱抵抗は5.50×10⁻⁴ °C/Wであり、これはアルミニウム基板の熱抵抗よりも約30%大きい値です。その結果、熱放散効率が大幅に低下します。
2. 誘電体層の役割
アルミニウムは高い熱伝導率を有するものの、銅配線とアルミニウムの間に位置する誘電体層が熱伝達を大幅に促進します。設計によっては、絶縁層の熱伝導率が1 W/mKから10 W/mKの範囲にあります。
熱抵抗式：
Rth値が低いほど熱伝導性が優れていることを示す。メーカーは誘電体材料を最大化し厚みを削減することで、アルミニウム基板の放熱性能を大幅に向上させている。
アルミニウム基板における放熱と膨張
放熱性能において、アルミニウム基板は標準的なFR4基板を上回ります。例：厚さ1.6mmのアルミニウム基板の熱抵抗（TR）は2～3℃/Wです。一方、同厚のFR4基板のTRは22～25℃/Wです。熱膨張係数も材料によって異なります。アルミニウム基板は優れた放熱性により、熱膨張・収縮の問題が生じません。
アルミニウム基板 vs 従来型FR-4基板
アルミニウム基板の応用分野
1. LED照明：高輝度LEDが発する熱を制御するため、LED器具や電球に頻繁に使用されます。基板ベースを最も近い放熱器に直接接続できるため、全てのLED電球に採用されています。
2. 電力電子機器：電力需要が大きい場合や電圧/電流変換を行う際に使用されます。電源装置、電圧レギュレータ、コンバータなどが例です。
3. 民生用電子機器：電子機器の小型化が進む中、小型ヒートシンクは最適な選択肢とは言えません。そこで金属コア基板が好まれる傾向にあります。民生用電子機器での応用例には、コンピュータ、モバイル機器、LCDバックライトなどが挙げられます。
4. 医療機器：MRIスキャナー、手術用照明、診断機器など、常に低温状態を保つ必要がある高精度電気機器の代表例です。
結論
部品の発熱が主要な問題となる場合、アルミニウム基板が優れている理由は複数確認されています。高出力かつ小型デバイスへの需要が高まる中、アルミニウム基板は現在、熱管理における主要選択肢となっています。機械的強度と優れた熱伝導性においてFR4を凌駕します。ただし、動作中の回路への熱侵入を防ぐさらなる技術が存在し、冷却ソリューションは常に利用可能です。アクティブ冷却技術、ヒートシンク、ヒートパイプ、基本的なCPUファンなどである。熱伝達の原理を理解することで、エンジニアは耐久性があり効果的な電気機器を設計できる。
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