高出力エレクトロニクスのソリューション：PCB放熱を極める

• 銅が熱を拡散：銅は標準的なFR4材料よりも1,000倍以上効率的に熱を伝達します。  
• サーマルビアアレイ：16～25個のビアを並列に配置すると、熱抵抗が大幅に低下します。  
• 高負荷にはMCPCB：メタルコア基板はFR4よりもはるかに低い熱抵抗を提供します。  
• スマート配置：熱源を基板の角から離し、熱に弱い部品を風上に配置します。  
• ジャンクション温度の計算：部品の故障を防ぐために、早い段階で総熱抵抗を見積もりましょう。  

PCBの放熱は、10年間動作し続けるパワーボードと、8ヶ月で現場から戻ってくるボードの違いを生みます。レギュレータ、LED、モータードライバが消費するすべてのワットは、銅、基板材料、そして空気を通って物理的に外へ出ていかなければなりません。その経路を間違えると、最初は静かです。電解コンデンサが乾燥し、はんだ接合部がひび割れ、ボードはベンチで誰も再現できない間欠的な問題として戻ってきます。このガイドでは、サーマルビアのサイズ設計、銅と基板の選択、ジャンクション温度を計算するための完全な実例、 ヒートシンク の統合、そしてサーマルインターフェース材料の選択について説明します。

熱ストレスの理解：なぜ熱が現代のPCB信頼性を破壊するのか

熱いフライパンを木のまな板の上に置いても、まな板はそれほど温かくなりません。鋼鉄の作業台の上に置くと、数秒以内に熱がスラブ全体に拡散します。まな板は標準FR4であり、鋼鉄は銅です。

FR4は0.3 W/mKを伝達し、銅は400 W/mKを伝達します。したがって、銅はFR4よりも1,000倍以上横方向に熱を伝達する能力に優れています！熱は電流のように流れ、ワットはアンペアのように、度はボルトのように、そしてその間にあるものはすべて抵抗のようなものです。

コンパクト回路における過熱の主な原因

基板の熱はほぼすべて4つの源から発生し、最初のものが通常最大の原因です。

• リニアレギュレータは電圧差を消費します：AMS1117-3.3が800 mAで5 Vを3.3 Vに降圧すると、SOT-223タブ内で1.36 Wが熱に変わります。タブのジャンクション-アンビエント間抵抗は、接続されている銅に応じて60～100 °C/Wの範囲であり、周囲空気温度より82～136 °C上昇します。
• MOSFETとダイオードのスイッチング損失：これらは周波数に比例して変化し、500 kHzのコンバータは100 kHzの同じ部品よりもはるかに多くの遷移損失を発生させます。
• 巻線と銅のオーミック損失：熱はIの二乗×Rに比例するため、電流を2倍にすると熱は4倍になります。0.5 mm（20 mil）の1 ozトレース上の3 Aレールはスロークッカーです。
• インダクタのコア損失と電解コンデンサのESR：これらの発熱部品には金属タブがまったくないため、熱の逃げ場が明確にありません。

最も熱い部分が必ずしも最も多くの熱を発生させているわけではありません。最も逃げ道が悪いのです。

産業用途における不適切な熱管理のコスト

熱が初日に基板を破壊することはほとんどありません。それは基板上のすべてのものの寿命を静かに縮め、保証データがベンチよりもずっと早くそれを捉えます。

ご存知の通り、通常温度より10 °C高いごとに、アルミ電解コンデンサの寿命は約半分になります。2,000時間、105 °Cのコンデンサは、85 °Cで最大8,000時間、65 °Cで32,000時間を提供でき、高温のMOSFETから15 mm（0.6インチ）の距離であれば、3年の製品寿命と10年の製品寿命の差になり得ます。

積層板も損傷します：Tg（130～180 °C）を超えると、FR4のZ軸膨張係数は約50～70 ppm/°Cから250～350 ppm/°Cに上昇します。これは、ビアバレル内の銅が17 ppm/°Cでしか動かないことを意味し、FR4のZ軸膨張係数もはるかに高くなります。PCBのTgの選び方に関するガイドはこちらで、高グレードのものにはそれだけの価値があります。経験則として、基板はTgより20～30 °C低い温度で動作させるべきです。

熱効率のための実証済みPCB放熱技術

実際のレバーは3つだけで、それらは順番に機能します。銅を介して熱を横方向に分散させ、基板の反対側に押し出し、それでも不十分な場合は基板を交換します。すでに支払った銅は追加コストがかからないため、最も安価なものから始めましょう。

サーマルビアと厚銅層の実装

サーマルビアはメッキされた穴で、上部銅から下部銅へ熱を輸送するためだけに使用されます。1.6 mm（63 mil）基板上の単一の0.3 mm（12 mil）ビアは、メッキ厚に応じて通常150～200 °C/Wに設計されます。

これは並列でのみ有用であり、その数学的関係は並列抵抗と同じです：

1. 0.3 mm（12 mil）の穴を開ける：大きな穴はリフロー工程中にはんだパッドからはんだを引き出し、ボイドを残します。
2. 適切に数を数える：4つのビアは約40 °C/Wを提供しますが、これは測定できません。16個で約10 °C/W、25個で約7 °C/Wになります。
3. 予算が許せば充填する：銅充填ビアは開放バレルよりも6～8倍熱的に効果的で、はんだ充填は約70%の熱効果があり、コストが低くなります。
4. 真の銅に接続する：孤立した5 mm（0.2インチ）の島で熱を放散するビアは、実質的に何もしません。

1オンス銅の厚さは35 µm（1.4 mil）で、2オンスは70 µm（2.8 mil）です。2 ozに変更すると、基板上の各熱経路の抵抗が約半分になります。これはすべてIPC-2152によって規定されており、基板の厚さと材料の厚さを考慮します。外層1 oz銅では、1 mm（39 mil）のトレースは10 °Cの温度上昇あたり約2.3 Aを運ぶことができ、2 ozでは10 °Cの温度上昇あたり約3.9 Aを運ぶことができます。

部品配置とエアフロールートの最適化

配置は回路図レベルでは無料で、ルーティングされたレイアウトレベルではコストがかかります。ほとんどのメリットをカバーする4つのルールがあります：

• 発熱部品を基板の角から離す：角は銅が4方向ではなく2方向に広がるため、同じ部品がそこでは明らかに高温で動作します。
• 1つのヒートシンクが覆わない限り、熱源を離す：5 mm（0.2インチ）離れた2つの2 W部品は、1つの銅パッチを共有し、温度上昇を合計します。
• 温度に敏感な部品をエアフローの上流に置く：電解コンデンサ、水晶、精密リファレンスは、空気がまだ冷たい場所に属します。
• 発熱部品の前に背の高い部品を使用しない：10 mm（0.4インチ）の電解コンデンサは、ファンの効果を無効にすることができるデッドエアポケットを作り出します。

自然対流の場合、熱伝達係数は約5～10 W/m²Kで、強制空冷の場合は25～100 W/m²Kです。ヒートシンクの熱抵抗は、1 m/s（約200LFM）で移動するとほぼ50%減少します。当社のPCB設計ルールとベストプラクティスガイド（PDF）には、配置ルールを自動的に適用する方法についての議論が含まれています。

アルミニウム基板とメタルコアPCB（MCPCB）の統合

メタルコアPCB は、ガラス繊維コアをアルミニウムまたは銅板に置き換え、薄い絶縁層で回路銅に接着します。その層が、金属ではなく、性能を決定します。

メタルコア基板が高速放熱するのは、薄い絶縁層によるものであり、高速な金属によるものではありません。それは、誘電体がわずか50～200ミクロン（2～8 mil）の厚さであり、205 W/mKのプレートを持つスタックでも1～4 W/mKのスタックのように機能するからです。

それでも印象的な成果です！1.6 mm（63 mil）のFR4基板は22～25 °C/Wの熱抵抗を持ち、アルミニウムはわずか2～3 °C/Wです。これが、ほぼすべての商用LED電球のドライバが普通のFR4に実装されている理由であり、普通のFR4では自らを加熱し、アルミニウムでは涼しく動作します。トレードオフは、アルミニウム基板が単層で、コアへのメッキスルーホールがなく、一般的にHASLのみで出荷されることです。

正確なPCB熱解析とシミュレーションの実行

解析が、製作にお金を使う前に答えられる質問が1つあります：シリコンは実際にどれくらい熱くなるのか？手計算で設計が実現可能かどうかの答えを提供でき、シミュレーションと実際の基板でそれが正しいかどうかを判断できます。

ジャンクション温度と熱抵抗の推定

熱抵抗は、流すワットあたりどれだけ温度が上昇するかの尺度です。電気抵抗のように機能します：ワットは電流、電圧降下は度、°C/Wはオームです。つまり、2 Wを10 °C/Wに流すと20 °Cの上昇が得られ、2 Aを10オームに流して20 Vを得るのと同じです。シリコンから空気への連鎖は、これらの抵抗が3つ直列になったもので、抵抗を足し合わせます：

ジャンクション温度 = 周囲温度 + 電力 ×（ジャンクション-ケース間 + ケース-シンク間 + シンク-周囲間）

例：TO-220のLM2596T-5.0降圧レギュレータが、12 Vを2 Aで5 Vに変換し、約80%の効率で動作し、約2.5 Wを消費します。データシートによると、ジャンクション-ケース間熱抵抗は2 °C/W、最大ジャンクション温度は150 °C（推奨は125 °C）です。

読み取れることは、ヒートシンクが連鎖の支配的な部分であり、ワットあたり11.5度のうち8度がヒートシンクにあるため、そこに努力を注ぐべきです。40 °Cの筐体内でも、ジャンクションはまだ69 °Cにしかならず、125 °Cの制限内に十分収まります。

FEAツールと物理的プロトタイピングの組み合わせ

手計算では、Ansys Icepak、SolidWorks Flow Simulation、Cadence Celsiusなどのシミュレーションツールが解決できる熱拡散を解決できません。これらのツールには、ベンチと結果が異なる3つの誤りがあります。

誤り1：データシートのジャンクション-周囲間の数値を信じること。

これはJEDECで指定されたテスト基板と特定の銅面積で測定されたものであり、あなたの基板ではありません。これを修正するには、パッケージ特性のジャンクション-ケース間を使用し、残りを自分で計算してください。

誤り2：裸の基板（筐体なし）。

静止空気中の開放基板は、最も単純な熱環境であり、そのような状態で出荷される製品はほとんどありません。これを修正するには：筐体壁をモデル化し、周囲温度として内部空気温度を使用してください。

誤り3：銅の充填率をインポートすること。

層全体に「60%銅」を塗りつけると、熱障壁である実際のギャップや分割が不明瞭になります。これを修正するには：Gerberデータから真の銅ポリゴンをインポートしてください。

裸の銅を見るIRカメラに頼らないでください。光沢のある銅は放射率が0.03に近く、本来よりずっと低温に読み取られますが、緑のソルダーマスクは0.9に近く、期待通りに読み取られます。測定する金属表面にマットブラックペイントを一滴垂らしてください。

高度なPCB熱設計とヒートシンク統合

銅と基板が最高の能力を発揮しているなら、残りの熱は金属物体を通って空気へ逃げなければなりません。ヒートシンクは、実際には基板よりも多くの表面積を持つ部品です。機能するかどうかを決定する2つの要因：フィンの形状と部品-金属間のインターフェースです。

カスタムPCBヒートシンク設計の主要ガイドライン

ヒートシンクを選定または設計する際は、この順序に従ってください。

1. 冷却モードに応じたフィン間隔の決定：自然対流では、暖かい空気が上昇して逃げられるようにフィン間に6～12 mm（0.24～0.47インチ）が必要です。強制空冷では、ファンが空気を送り込むため2～4 mm（0.08～0.16インチ）まで狭くできます。
2. 広がりのためにベースを厚くする：3～5 mm（0.12～0.20インチ）のベースにより、10 mm（0.4インチ）パッケージからの熱が部品の下に蓄積するのではなく、フィンの外側に伝わります。
3. 自然対流のみ：黒色アルマイト処理を使用してください。静止空気中の黒色表面からの放射の寄与は約10%～15%で、ファンが動作している場合はそれほどでもありません。

製造ソリューション：JLCPCBが熱課題をどのように解決するか

上記のすべての決定は、注文を出すとすぐに製造仕様になります。ファブが提供するかしないかが、銅の重量（充填）と基板です。

高熱伝導材料と厚銅スタックアップ

材料をワット数に合わせなければ、何もルーティングしていないのと同じです。

• FR4上の厚銅：基板の厚さは外層の重量（1、2、2.5、3.5、または4.5 oz）と内層の重量（0.5、1、または2 oz）によって決まります。1 ozから2 ozに移行すると、各ベタの拡散抵抗が約半分になります。
• アルミニウムコア：一般的な1 W/mKの誘電体は、厚さ方向でFR4よりも3～4倍優れており、LED基板、ドライバ、単層パワーステージに適しています。
• ヒートシンクと銅コアへの直接接続：コアは1 × 1 mm（39 × 39 mil）以上の接触面積として露出でき、ヒートシンクは積層板ではなく金属に接触します。

JLCPCBの見積もりページで基板を比較し、すぐに見積もりを依頼してください。アルミニウムコアや銅コア基板、および一般的なFR4などがあります。

精密サーマルビアメッキと高度なアルミニウムPCB製造

熱設計の真の成功または失敗はビアメッキにあり、バレル内の銅以外に基板が熱を利用している兆候はありません。

• 平均穴メッキ厚18 µm（0.7 mil）：楽観的な25 µm（1 mil）のビアあたり熱抵抗を使用しないでください。
• 0.15 mm（6 mil）という小さなビアも使用できますが、0.3 mm（12 mil）がサーマルアレイの推奨サイズであり続けます。穴あたり約2倍の伝導性があるためです。
• ビアインパッド、エポキシまたは銅ペースト充填およびキャップ：露出パッド下のアレイが熱的な仕事をしている場合、銅ペーストを選択してください。銅は伝導し、エポキシは伝導しません。

基板の製造に加えて部品を追加する場合、パワー部品はコンポーネントライブラリから直接取り出され、レギュレータとそのフットプリントは回路図からアセンブリまで同じままです。

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PCB放熱に関するFAQ

Q: 既存のPCB設計で放熱を改善する最速の方法は何ですか？

発熱部品に接続された銅ベタを拡大し、その下にサーマルビアを追加します。どちらもレイアウト段階では無料で、回路図や部品表に触れることなく、部品温度を20～40 °C下げることができます。

Q: パワー部品の下にサーマルビアはいくつ必要ですか？

サーマルパッド全体に1.0～1.2 mm（39～47 mil）間隔でフルグリッドを目指し、通常16～25個のビアを意味します。単一の0.3 mm（12 mil）ビアは約150～200 °C/Wなので、大きな並列グループのみが意味のある低下を生み出します。

Q: 放熱に関してアルミニウムPCBは常にFR4より優れていますか？

熱に関しては、はい。1.6 mm（63 mil）のアルミニウム基板は厚さ方向で約2～3 °C/Wであり、FR4の22～25 °C/Wと対照的です。ただし、常に正しい選択とは限りません。アルミニウム基板は単層で、コアへのメッキスルーホールが使用できず、コストが高くなります。

Q: FR4上の小さな表面実装部品にヒートシンクを追加すると実際に効果がありますか？

熱がヒートシンクに到達できる場合のみです。プラスチックパッケージに接着されたヒートシンクは、パッケージ自体の貧弱な伝導と戦うため、通常は数度の改善です。露出パッドを通って銅とビアに逃げる熱が、ほとんどの場合より大きな経路です。

Q: 厚いPCBは放熱が優れていますか？

厚さ方向では優れていません。上部銅と下部銅の間のFR4が多いほど熱抵抗が増加します。厚い基板は、追加の層がより多くの内部銅を運び、熱を横方向に拡散する場合にのみ役立ちます。

結論

PCB放熱 についての最良の考え方は、基板を冷却しているのではなく、経路を構築しているということです。熱はダイからパッケージに伝達され、銅を通って伝導され、誘電体材料またはインターフェース層を通って移動する空気に入ります。各ステップに数値が与えられ、最大の数値が注目すべきものです。

だからこそ、算術がどの単一の技術よりも優れています。16個のサーマルビア、2 oz銅、8 °C/Wのヒートシンクは、5分で書き留められる1つの連鎖への答えであり、普遍的なルールではありません。連鎖を実行し、それに適した基板、銅の重量、ビア充填を選択してください。FR4が限界に達した場所には、JLCPCBが提供するアルミニウム、銅コア、厚銅基板があります。