熱管理のためのPCB設計におけるサーマルビア

　サーマルビアは、PCBのある層から別の層へ熱を伝えるように設計された特殊なビアです。これらのビアは、熱経路を作成するために発熱部品の近くに配置され、熱を放散し、過熱のリスクを低減するのに役立ちます。ヒートシンク、サーマルパッド、銅プレーンと併用することで、その効果を高めることができる。プリント回路基板（PCB）の表面実装熱源部品の下に配置され、熱伝達を可能にする単純なメッキスルーホール（PTH）です。

ビアは、PCB上面の銅から下面への低熱抵抗経路を確立します。一方、ビアは1つだけでは熱をうまく放散できないため、一般的にはビア・アレイが必要となります。エレクトロニクスとPCB設計では、別のタイプの管理が必要なため、設計チームは夜も眠れません。PCB設計の優れた熱管理は、基板を発熱から守り、設計チームがプレッシャーで爆発しないようにします。

熱管理の必要性

PCB設計における効果的な熱管理は、過度の熱による電子システムの故障の50%以上を防ぐことができます。PCB内の熱は、一般的にプロセッサ、LED、パワーレギュレータなどのハイパワーコンポーネントによって発生します。主な考慮点は、銅面積、PCB の厚さ、材料などの要因に影響される熱抵抗を最小限に抑えることです。パワーコンポーネントの解析やメーカーデータの活用など、設計段階での初期戦略は、より良い放熱を保証します。対流、放射、ヒートシンクなどの技術は、基板からの熱の移動を助けます。高性能電子機器の機能を維持し、コストを削減し、故障を回避するためには、熱管理のための積極的な計画が不可欠です。

サーマルビアによる熱管理

サーマルビアは、熱を部品からグラウンドプレーンや外部ヒートシンクのような放熱性の高い場所に移動させる経路を作ります。このメカニズムにより、局所的な過熱が防止され、安定した動作が保証されます。サーマル・ビアを追加すると、貴重な基板スペースを占有する可能性がありますが、ほとんどメリットはありません。

サーマルビアとは、PCB内のある層から別の層へ熱を伝導させる目的で設けられた、2つの層間の非通電ビアのことです。その目的は、より低温の表面と比較して、加熱表面の温度を下げることです。典型的なシナリオでは、加熱面は部品の下のパッドであり、冷却面はPCB内の深い銅プレーンかもしれません。反対側の銅表面が接続されていない状態でサーマルビアを使用しても効果はありません。適切な熱伝達には、PCB設計内で熱が加熱面から冷却面へ効率的に流れるような相互接続構造が必要です。

サーマルヴィアの効果

サーマルビアが 「効果的 」である、あるいは 「効果的でない 」とはどういう意味でしょうか？一つの解釈は、サーマルビアを追加するにつれて、サーマルビアを横切る温度低下が少なくなり、より多くの熱が加熱表面から伝導されることを意味するというものです。私たちは、周囲の環境（または周囲温度）に対するパッド上の絶対温度の低下によって、サーマルヴィアの有効性を判断します。

しかし、それにも問題がある。何度も強調しているように、温度は「点」の概念である。つまり、温度に影響を与えるすべての要因も点の概念であるため、温度はパッド上やトレースに沿って点から点へと変化する。ヒートプロファイルの参考画像から、結論として-サーマルヴィアの1つの頂点を見ると、50.32℃である。近くのビアの温度は46.99℃。パッドのほぼ中央の温度は50.57℃。ほんの数mm先の温度は48.91℃である。適切な温度はパッドの最高温度であると考えられる。

サーマルビアのヒートプロファイル

サーマルビアはプリント基板の熱抵抗を効率的に下げ、熱が基板全体に均一に広がるようにします。しかし、その性能は直径、数、メッキの厚さなどの要因に依存します。例えば、熱源の下に複数の小さなサーマルビアをグループ化した場合、少数の大きなものよりも優れた性能を発揮することがよくあります。

サーマルバイアの設計上の考慮点

・サイズと数： 小さく密に詰まったビアの方が放熱効果が高い。

・ビアのメッキ： 銅層が厚いめっきビアは熱伝導がよい。

・サーマルパッド： 放熱パッドやプレーンと共にサーマルビアを使用する。

・充填材： 組み立て時のはんだウィッキングを防ぐため、充填材入りビアまたはプラグ入りビアを使用する。

・配置： 最大の効率を得るために、サーマルビアを熱源の直下に配置する。

・コストへの影響： 製造上の制約とビア密度のバランスをとることにより、コスト効率を確保する。

サーマルビアを使用するタイミング

サーマルビアは、回路基板の表面実装熱源の下に位置する非常に単純な穴で、熱伝導を可能にします。単純なビアまたはビアインパッドは、熱抵抗を大幅に削減することができます。また、厚さが0.70ミリを超える回路基板アプリケーションでは、熱はんだパッドの下に直接充填およびキャップされたビアを配置することもできます。ビアをエポキシで充填し、銅でキャップすることで、はんだフローが制御不能になるのを防ぎます。さらに、充填されキャップされたビアは、優れたはんだ付け性を保証します。サーマルビアは次のような場合に必要です：

・LEDやMOSFETなどの大電力デバイスを使用する場合。

・PCB設計で部品を高密度に配置する場合。

・ヒートシンクやサーマルパッドが設計に組み込まれている。

・デバイスが高温環境で使用され、高度な放熱戦略が必要な場合。

サーマルビアの数と位置は熱抵抗に直接影響する。ビアを熱源のできるだけ近くに配置することで、熱放散をより速い速度で改善し、熱抵抗を下げることができます。サーマルビアは、PCBの上面と下面を銅で接続した両面基板で機能し、PCBの複数の層を接続することもできます。

どのようにサーマルビアを配置するか？

ビアにはさまざまな直径を使用できますが、最高の熱伝導率を得るための最適な最終直径は0.30ミリメートルです。ビアからビアまでの最適な距離は0.80mmです。ビア・アレイを配置する前に、まずビア間の距離を確認した方がよい。ビアはパッケージ底面の放熱板の真下に配置する。

ICの放熱板直下のビアによる放熱が不十分な場合、IC周辺にビアを追加配置することができる。これらのビアは、できるだけICの近くに配置する。直径、数量、形状、および関連するパラメータによるセットアップは企業によって異なり、多くの場合、特定の設計ルールによって導かれます。これらの要因を考慮し、放熱を効果的に最適化するように設計を調整することが重要であり、研究や実装の際にはこのような原則を念頭に置く必要があります。

シミュレーションツールを使用すれば、サーマルパッドのサイズや形状を定義したり、より大きな熱負荷に対応できる最適な基板材料を選択したりすることができます。さらに、シミュレーションツールを使って部品の性能を解析し、基板上のホットスポットの可能性を特定することもできます。シミュレーションでは、基板の上面と下面の銅プレーンからの熱の流れを示し、熱抵抗とビアの数の関係を説明することができます。PCB設計で使用される他の異なるタイプのビアについては、当社の記事を参照してください。

他の熱管理方法との比較

サーマルビアは効率的ですが、次のような他の戦略と組み合わせて使用されることがよくあります：

・ヒートシンク： 熱を放射するが、追加の組み立てが必要な外部構造。

・サーマルパッド： 効果は高いが、製造コストが高くなる。

・銅プレーン： 熱を拡散させるが、ハイパワーアプリケーションだけでは不十分な場合がある。

PCBに採用されている熱管理技術をご覧ください。

結論

サーマルビアは、PCB熱管理における重要なツールであり、ハイパワーアプリケーションで熱を放散するためのコスト効率に優れた効率的なソリューションを提供します。その実装はPCBの信頼性を高め、性能を向上させ、コンパクトな設計をサポートします。設計時に配置、サイズ、数量を注意深く考慮することで、エンジニアは最適な熱性能を確保することができます。他の熱管理技術と組み合わせることで、サーマルビアは今日の高性能電子機器のための堅牢なPCBを作成するために不可欠です。

PCBを設計し、サーマルビアを使い始める際には、いくつかの簡単なルールに従ってください。放熱性を向上させるため、スルーホールコンタクトは銅層の厚みを増やす必要があります。サーマルビアには様々な直径を使用することができますが、熱伝導率を最良にするための最終的な最適直径は0.30ミリメートルです。ビアからビアまでの最適な距離は0.80mmです。