放熱と信頼性の高いはんだ付けのためのサーマルリリーフパッドの最適化

重要なポイント

• はんだ欠陥を防止：リリーフスポークが熱を閉じ込めてコールドジョイントを防ぎ、小型部品のトゥームストーン現象を防止します。  
• パワーパッドはスキップ：サーマルパッドと>3Aのトレースはベタのままにして、最大限の放熱と最小限の電圧降下を確保します。  
• スポーク形状を合わせる：パッシブ部品には細いスポーク（0.10～0.20）を、標準SMDには広いスポーク（0.20～0.30mm}）を使用します。  
• エッチングマージンを追加：製造時のオーバーエッチングに耐えるよう、スポークをファブの最小値より30%大きく設計します。

おそらくあなたはこれまで一度もサーマルリリーフパッドの設定を変更したことがないでしょう。設計ツールがインストールした日に選んだスポーク幅を、それ以降すべての基板のすべてのグランドピンが黙って使い続けています。サーマルリリーフパッドに銅が多すぎると、はんだごてが接合部を加熱できず、現場で6ヶ月後に故障するコールドジョイントが発生します。逆に銅が少なすぎると、パワーパッドが高温になったり、許容できない電圧降下が発生したりします。このガイドでは、スポークが実際に何をするのか、どの幅とギャップがどの部品に適しているのか、リリーフを完全に省略すべきタイミング、そして製造公差が描いた銅をどのように変えるのかを説明します。

サーマルリリーフパッドとは何か、なぜ使用されるのか

パッドを銅プレーンに接続する際の定義と役割

サーマルリリーフパッドは、ベタ銅ではなくいくつかの細いアームを介してパッドを銅プレーンに接続します。そのアームがスポークであり、その周囲の露出した基板のリングがエアギャップ（アンチパッド）です。電気的には、パッドは依然としてプレーンに接続されています。熱的には、絞られています。

鍋の取っ手を例に取りましょう。取っ手は細い鋼の首を通して鍋にボルトで固定されており、その首があるからこそ手を火傷せずに鍋を持ち上げられます。鍋本体に平らに溶接すれば、中の水と同じくらい熱くなります。サーマルリリーフパッドは、銅でできたその首なのです。銅の熱伝導率は約400 W/mK、FR4は約0.3 W/mKであるため、大きな銅ベタはその下の基板よりも千倍効率的に接合部から熱を逃がします。

放熱とはんだ付け性のバランス

はんだは接合部が融点を超えたときにのみ流れます。有鉛Sn63/Pb37は約183°Cで溶け、鉛フリーSAC305は約217°C必要なので、オーブンはマージンを取って235°C～250°Cでピークに達します。これはパッドで起こる必要があり、その上の空気中ではありません。そのパッドを2オンスのグランドプレーン上に置くと（家庭用LED電球内のドライバ基板のように）、接合部を加熱しようとしている間にプレーンが熱を横に引っ張ります。60Wの手ごてではその競争に完全に負ける可能性があり、ウェーブマシンには勝つための数秒しかありません。

つまりパッドには2つの相反する役割があります：動作中に素早く熱を逃がすこと、そしてはんだ付け中は熱を保持することです。スポーク幅がそのトレードオフを決めます。

適切なサーマルリリーフパッド設計の主な利点

高電力部品のための効果的な熱管理

ここが人々を驚かせる部分です。本当に高温になる部品の場合、最良のサーマルリリーフ設定は通常、まったくリリーフを設けないことです。

例：SOT-223パッケージのAMS1117-3.3レギュレータ、またはTO-263タブパッケージのLM2596降圧コンバータを取り上げます。シリコンからの熱には1つの逃げ道しかありません：金属タブを通り、パッドに入り、プレーンに入り、基板全体に広がります。スポークはその経路に位置するため、0.3 mm（12 mil）の4本のアームへのベタ接続を切断すると、熱が利用していた銅の大部分が取り除かれます。どのパッドをリリーフするかを知ることがスキルです。信号および低電流グランドピンはミリアンペアしか流さず、きれいにんだ付けするだけでよいため、リリーフの恩恵を受けます。タブと露出パッドは熱を移動させることが本来の目的であるため、ベタのままにします。

はんだ付け品質の向上とトゥームストーン現象リスクの低減

トゥームストーン現象とは、リフロー中に小型の2端子部品が一端で直立し、もう一端が空中に浮いて回路が開放される現象です。これはスマートフォン充電器に詰め込まれた0402や0603部品で最も一般的な欠陥の一つであり、銅の不均衡が主な原因です。

0402コンデンサの一端が広いグランドベタ上に載り、もう一端が0.2 mm（8 mil）のトレース上に載ります。ベタ側の端にはより多くの銅が接続されているため、加熱が遅く溶融も遅くなります。トレース側の端が先に溶け、表面張力で強く引っ張られ、部品が直立して回転します。ベタ側のリリーフが加熱を均等にします。

効果的なサーマルリリーフパッドの設計上の考慮事項

スポーク幅、スポーク数、クリアランス設定

サーマルリリーフパッドを定義する3つの数値：スポーク幅、ギャップ幅、スポーク数。IPC-2221Bはスポーク幅の実用的な下限を0.2 mm（8 mil）とし、4本のスポークを通常の最大値としています。4本はほぼすべてのツールが生成する数であり、使用すべき数です。

小型部品には細いスポークと狭いギャップが必要で、ピンホールには導通を確保するために太いスポークが必要であり、高電流パッドは完全に回避するのが最善です。Altiumのデフォルトはほとんどの部品で0.2mm（8 mil）のスポーク/クリアランスで、KiCadは両方とも0.508mm（20 mil）がデフォルトです。

部品タイプ、電力レベル、基板厚の影響

基板がどのようにんだ付けされるかから始めましょう。手はんだ付けが最も過酷で、1つのこて先がプレーン全体に打ち勝たなければなりません。ウェーブはんだ付けが次で、接合部あたり数秒の接触があります。リフローが最も穏やかで、基板が均一に加熱されるため、表面実装設計ではリリーフの重要性がはるかに低くなります。

0.25 mm（10 mil）のアームを持つ4本スポークのリリーフは、パッドあたり約1～3ミリオームになるため、5 Aでは5～15 mVを失い、25～75 mWをそこで熱に変えます。3 A連続を超える場合は、ベタ接続に切り替え、プリヒートではんだ付けを解決します。

厚さも同じように作用します：2つの内層プレーンを持つ2.0 mm（79 mil）基板はバレル充填にとって最悪のケースで、1.0 mm（39 mil）の2層基板は最も簡単です。内層プレーンは問題を隠すこともあります。ピンは外層でリリーフされているように見えても、2つの埋設シートにベタ接続されている可能性があります。

サーマルビアと銅ベタ戦略との相互作用

底面端子部品をカバーする規格IPC-7093は、QFN、DFN、またはDPAKの下にビアアレイを備えた直接銅接続を要求しています。そのパッドはダイの唯一の逃げ道であり、スポークはそれを詰まらせてしまいます。

アレイを適切にサイズ設定してください。スポークではなくアレイが仕事をするのですから：

1. 0.25～0.33 mm（10～13 mil）の穴を開ける： それより大きいとリフロー中にはんだを吸い取ってしまいます。
2. 1.0～1.2 mm（39～47 mil）間隔で配置： 一般的なアレイはパッドサイズに応じて9～25ビアです。
3. テント、プラグ、または充填： 開放ビアはペーストを下方向に排出し、その上にボイドを残します。
4. ボイドをIPC-7093の限界50%以下に抑える： ボイドは閉じ込められた空気であり、空気は何もないのとほぼ同じくらいしか熱を伝導しません。

ベタ戦略も同じくらい重要です。ピンは目に見えるトップ層ではリリーフされていても、目に見えない埋設プレーンにベタ接続されている可能性があり、埋設された方が接合部を台無しにします。

よくある設計ミスとその回避方法

強すぎるまたは弱すぎるサーマルリリーフによるはんだ付け問題

ミス1： ツールのデフォルトをすべてのパッドに適用したままにすること。

0.508 mm（20 mil）のスポークはスルーホールコネクタでは問題ありませんが、0402の下では不格好で、4本の太いスポークとそのギャップが部品間のプレーンを飲み込んでしまいます。修正方法：部品クラスごとに1つのリリーフルールを作成します。

ミス2： ファブの最小値でスポークを描くこと。

トラック幅の公差は通常±20%なので、0.10 mm（4 mil）のスポークは0.08 mm（3 mil）で到着するか、完全にエッチングされて、どの検査でも発見できない開放回路を残す可能性があります。修正方法：ファブの公称最小値より少なくとも30%大きく設計します。

ミス3： パワーパッケージ下の露出パッドをリリーフすること。

ツールはデフォルトですべてのパッドにベタルールを適用します。QFN下のサーマルパッド も含まれ、スポークが熱経路を半減させる可能性があります。修正方法：露出パッドを直接接続に設定し、ベタを検査します。

高電流または高周波設計との不適切な統合

ミス1： 組み立てを容易にするために高電流パッドをリリーフすること。

スポークは接合部をはんだ付け可能かつ抵抗性にします。10 Aパッドでは、3ミリオームを追加するリリーフがそこで300 mWを消費します。修正方法：高電流パッドはベタのままにし、プリヒートではんだ付けを解決します。

ミス2： 高速設計のグランドビアとシールドピンにリリーフを設けること。

リターン電流は信号に沿い、プレーンを通って戻る低インダクタンス経路が必要です。スポークはそれを4本の細いアームに絞り、除去したかった場所にインダクタンスを追加します。修正方法：ビアをリリーフルールから除外し、コネクタとシールドキャンのグランドを直接接続します。

ミス3： RF部品のグランドパッドをリリーフすること。

ESP32-WROOM-32などの無線モジュールでは、下のパッドは熱経路であると同時にRF基準プレーンでもあります。修正方法：RF基準パッドは直接接続として扱います。

製造面と品質保証

エッチング精度、ソルダーマスク位置合わせ、プロセス管理

スポークは基板上で最も細い銅であるため、プロセスがドリフトすると最初に影響を受けます。エッチングは銅を下方向だけでなく横方向にも除去し、その不足分は1 mm（39 mil）のパワートレースよりも0.15 mm（6 mil）のスポークではるかに大きな割合になります。

要約すると、受け取る銅は常に描いた銅より薄くなり、パッド周囲のギャップがきれいに保たれるかどうかはマスクの位置合わせに依存します。

熱性能検証のための試験方法

サーマルリリーフパッドが機能することを確認するには、接合部の内部を見て温度を測定する必要があります。6つの方法が実際の答えを出します：

1. 接合部のマイクロセクション： スルーホールピンの 断面は、J-STD-001の75%充填要件と比較して、はんだがバレルをどれだけ上ったかを明らかにします。
2. 底面端子部品のX線検査： QFNまたはDPAKパッド下のボイドは外からは見えず、IPC-7093によりパッド面積の50%以下に制限されています。
3. 熱電対プロファイルの実施： スクラップ基板上のリリーフありとなしのパッドに熱電対をテープで貼り、リフローします。リリーフされたパッドが早く溶ければ、リリーフは効果的です。
4. 負荷時のサーマルカメラ画像の撮影： シミュレーションに対して10°C～15°C以上の差があれば、どこかに銅が欠けています。
5. 熱サイクルサンプル： IPC-9701は表面実装はんだ接合信頼性のサイクルをカバーしており、バレルが痩せたものが亀裂する場所です。
6. すべての基板の電気試験： フライングプローブは完全にエッチングされたスポークを検出します。これは顕微鏡下で完璧に見える唯一の欠陥です。

JLCPCBのサーマルリリーフパッド実装における専門知識

熱およびはんだ付け性能に最適化された高度なDFMレビュー

すべての注文は製造現場に届く前に自動設計製造チェック（DFM）を通過し、JLCDFMでコミットする前に同じチェックを自分で実行できます。プロセスの最小値を下回る銅フィーチャにフラグを立て、これはまさに細いスポークを殺す故障モードです。

特にリリーフ形状に使用してください。1 oz多層基板で0.09 / 0.09 mm（3.5 / 3.5 mil）未満、または2 oz外層銅で0.16 / 0.16 mm（6.5 / 6.5 mil）未満のスポークは、自身の 設計ルールチェックを通過しても、確実にエッチングできません。製造前にそれを捕捉すればコストはかからず、製造後に捕捉すればビルドがかかります。

熱的に重要な基板のための信頼性の高い高品質生産

熱を押し上げる基板には、標準的な2層スタックアップを超えるオプションが必要です： 1～32層、仕上がり厚さ0.4 mm～4.5 mm（16 mil～177 mil）、2層基板で外層銅最大4.5 oz。より重い銅は、より少ないスポークでより多くの電流を運ぶか、リリーフを完全に省略しても快適に手はんだ付けできます。

製造だけでなく組み立ても行う場合、同じ基板が部品ライブラリの部品を使って直接SMT組み立てに入ります。これはここで重要です。オーブンプロファイルを設定する人々が、あなたが描いた銅を見ることができるからです。

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サーマルリリーフパッドに関するFAQ

Q: サーマルリリーフパッドとは何ですか？

ベタ銅ではなく、いくつかの細いスポークを介してパッドを銅プレーンに接続します。スポークは電気的接続を維持しながら熱の逃げを絞り、パッドのはんだ付けをはるかに容易にします。

Q:表面実装パッドにサーマルリリーフは必要ですか、それともスルーホールピンだけですか？

両方に必要になることがあります。スルーホールピンが最も必要とします。はんだ付けがバレルを充填するためにプレーン全体と戦わなければならないからです。表面実装パッドは、小型パッシブ部品間で銅のバランスを取ってトゥームストーン現象を防ぐために必要です。

Q: 出発点としてどのスポーク幅とギャップを使用すべきですか？

0.20～0.30 mm（8～12 mil）の4本スポークと0.25～0.40 mm（10～16 mil）のギャップがほとんどの部品に適しており、密集した0402および0603エリアでは0.10～0.20 mm（4～8 mil）に下げます。IPC-2221Bは0.2 mm（8 mil）を下限としています。

Q: QFNまたはDPAK下の露出パッドにサーマルリリーフを設けるべきですか？

いいえ。IPC-7093はビアアレイを備えた直接銅接続を要求しています。そのパッドはダイの唯一の熱逃げ経路だからです。ほとんどのツールはデフォルトでリリーフするため、明示的に直接接続に設定してください。

Q: サーマルリリーフはパッドが運べる電流量を減らしますか？

はい、ただし電流が大きくなるまでは小さなままです。0.25 mm（10 mil）のアームを持つ4本スポークのリリーフは約1～3ミリオームを追加するため、5 Aでは5～15 mVを失い、25～75 mWを放出します。3 A連続以上では、直接接続を使用してください。

結論

サーマルリリーフパッドの有用な再解釈は、善と悪の間で選択しているのではないということです。基板の寿命のどの数秒を最適化するかを選択しているのです。スポークははんだ付け中にきれいな接合部を買い、その後の10年間の熱流と電流容量を犠牲にします。信号パッドは喜んでそのトレードを行います。パワータブ、露出パッド、高電流レールは決してそうすべきではありません。そのため、エクスポートする前にベタ銅を検査し、ルーティングだけを見ないでください。ほとんどのリリーフ故障はその段階で5秒で見え、その後は永遠に見えなくなります。銅が確定したら、JLCPCBのDFMレビューと厳しいエッチング公差が、完成基板上のスポークが画面上のものと一致することを保証します。