PCB冷却におけるサーマルパッドの役割を理解する　

はじめに

さまざまな電子システムにおいて理想的な温度を維持するためには、電子機器の効果的な冷却の基本部分でもあるサーマルパッドが重要な役割を果たします。サーマルインターフェース材料（TIM）として機能するサーマルパッドは、ヒートシンクやその他の冷却システムと電子部品との間の効率的な熱の流れを保証します。現代の電子機器の電力密度の上昇と小型設計を考えると、デバイスの信頼性と性能を維持するためのサーマルパッドの重要性を過大評価することはできません。本稿では、サーマルパッドの価値、種類、用途、配置と選択のベストプラクティスについて解説する。

サーマルパッドとは？

サーマルパッドは、電子部品とヒートシンクや金属ケーシングのような放熱エレメントとの間の隙間を埋めるために設計されており、サーマルパッドと呼ばれる柔らかく適合性の高いポリマーを使用しています。サーマルパッドは、CPU、GPU、パワートランジスタから発生する熱を冷却システムに効率よく運び、過熱を防ぎます。サーマルパッドはサーマルペーストと異なり固形であるため、取り扱いや貼り付けが簡単である。接点全体に均一な熱伝導性があるため、大きな隙間や不規則な隙間を埋める必要がある場合に特に役立ちます。

サーマルパッドの種類

市販されているサーマルパッドにはいくつかの種類があり、それぞれ素材構成や使用目的によって特有のメリットがある：

シリコンベースのサーマルパッド：

シリコン系サーマルパッド：最もよく使われるサーマルパッドで、柔軟性、貼り付けの簡単さ、熱伝導率の良さが特徴。コストパフォーマンスと性能のバランスから、民生用電子機器ではむしろ人気がある。

グラファイト製サーマルパッド：

優れた熱伝導性と、効果的な熱伝導が不可欠な状況での優れた性能により、グラファイト製サーマルパッドは完璧です。軽量で薄型のため、小型電子機器に適しています。

相変化サーマルパッド：

相変化型サーマルパッドは、熱によって状態を変化させ、熱伝導率を徐々に高めます。一定の熱性能と長期信頼性が要求される用途に適しています。

電子機器冷却におけるサーマルパッドの重要性

電子機器の熱管理では、デリケートな部品からの効率的な熱移動を保証するサーマルパッドが重要です。電子機器の小型化と高出力化が進むにつれ、サーマルパッドのような効果的な冷却ソリューションの必要性は著しく高まっている。適切な温度制御を行わないと部品が過熱し、性能が低下したり、動作が不安定になったり、場合によっては取り返しのつかない損傷を引き起こす可能性があります。サーマルパッドは、発熱部品と冷却システムの間の一貫した熱インターフェースにより、電子機器の動作の完全性を維持します。

サーマルパッドVSサーマルペースト

サーマルパッドとサーマルペーストを比較する場合、多くの要因が当てはまります。通常、液体または半液体のサーマルペーストは熱伝導性に優れていますが、均一に塗布するのが難しく、時間の経過とともに再塗布が必要になる場合があります。一方、サーマルパッドは取り扱いが簡単で、一定の範囲をカバーし、硬化や再塗布の必要がない。さらに、整理整頓がしにくく、部品間の大きな隙間をふさぐのに適しているのもサーマルパッドだ。しかし、可能な限り最高の熱伝導性を必要とする用途では、サーマルペーストの方が有利な場合もあります。

サーマルパッドに関するPCBレイアウトのヒント

電気デバイスの冷却性能の最適化は、サーマルパッドの位置と選択によって決定されます。ここでは、考慮すべきいくつかの重要なヒントを紹介します：

熱源への近さ：

サーマルパッドは、CPU、GPU、パワートランジスタなどの発熱部品の上に正確に配置する必要があります。これにより、クールダウンソリューションへの効果的な熱伝達が保証されます。

コンポーネントのグループ化：

ヒートシンクや金属ケーシングを整列させ、サーマルパッドから直接熱経路を形成する。さらに、冷却設計を簡素化するには、熱プロファイルが類似した素子をグループ化します。

熱管理：

サーマルパッドの厚さが適切であることを確認し、部品と冷却ソリューションの隙間を圧縮しすぎないようにします。適切な厚みは、最良の熱伝達と接触を保証します。

サーマルパッドの用途

サーマルパッドはさまざまな分野で応用されており、以下のような分野で必要な冷却ソリューションを提供しています：

家電製品：

コンシューマー・エレクトロニクス：ゲーム機、PC、携帯電話などに搭載されるサーマルパッドは、高性能CPUやグラフィックカードから発生する熱を調整する役割を果たします。

カーエレクトロニクス：

自動車のエンジン、インフォテインメントシステム、バッテリーマネージメントシステムでは、サーマルパッドが高温下での信頼性の高い動作を保証します。

産業機器

パワーエレクトロニクス、モータードライブ、産業用オートメーションシステムの冷却に欠かせないサーマルパッド。

医療機器

サーマルパッドは、熱を制御し、正確な機能を保証するために、医療分野のウェアラブル機器、画像システム、診断ツールに使用されています。

通信機器：

基地局、ルーター、スイッチなどの通信機器にはサーマルパッドが使用されています。高速CPUや送信機から発生する熱を制御することで、信頼性と安定したネットワーク性能を保証します。

データセンター

サーマルパッドはデータセンターのサーバー、ストレージシステム、ネットワーク機器に使用され、効率的に熱を放出します。稼働時間を維持し、ハードウェアの故障リスクを低減するには、高密度の状況下で過熱が発生しないことが重要です。

航空宇宙エレクトロニクス

サーマルパッドは、航空機アプリケーションのアビオニクス、センサー、制御システムを冷却します。サーマルパッドは、過酷な気象条件やさまざまな温度範囲で動作しなければならない電子部品の信頼性を保証するために不可欠です。

LED照明

サーマルパッドにより、LED照明システムはLEDチップからの放熱を助けることができる。LEDの優れた熱管理は、照明の寿命を延ばし、特に高輝度使用時に安定した明るさを維持するのに役立ちます。

再生可能エネルギーシステム

サーマルパッドは、再生可能エネルギーのアプリケーションにおいて、ソーラーインバータ、風力タービンコントローラー、バッテリーストレージシステムで使用されています。パワーエレクトロニクスから発生する熱を制御し、効果的なエネルギー変換とシステムの長期的な信頼性を保証します。

ゲーム機：

ゲーム機は、ゲームに熱中している間、多くの熱を発生します。サーマルパッドは、CPUとGPUからこの熱を取り除くことで、サーマルスロットリングを最小限に抑え、長時間の使用でも一定のパフォーマンスを発揮します。

ウェアラブル・テクノロジー：

サーマルパッドは、スマートウォッチやフィットネストラッカーなどのウェアラブルデバイスのCPUやセンサーから発生する熱を制御します。これにより、長時間の使用でもユーザーの快適性が保証され、デバイスの性能を維持することができます。

適切なサーマルパッドの選択

ニーズに適したサーマルパッドを選ぶには、多くの重要な要素が必要です：

熱伝導率：

熱伝導率：熱伝導率が部品の放熱要件を満たすサーマルパッドを選択します。通常、高性能または高電力用途では、より高い熱伝導率のパッドが求められます。

圧縮率：

パッドの熱的性質を損なうことなく、部品とヒートシンク間のギャップを埋めるために、パッドが十分に圧縮できることを確認する。適切な熱接触を維持できるかどうかは、適切な圧縮率にかかっています。

動作温度範囲：

アプリケーションの動作温度範囲に耐えるサーマルパッドを選びましょう。自動車用や工業用など、高温になる場所では特に重要です。

絶縁耐力：

サーマルパッドが電気的に敏感な部品に接触する場合は、絶縁耐力を考慮してください。高い絶縁耐力を持つパッドは、電気的絶縁だけでなく熱制御も可能にします。

厚さとサイズ：

アプリケーションに必要な特定の表面積と隙間に合うパッドを選びましょう。適切な厚みは、圧縮しすぎず、最高の熱性能を保証します。

結論

サーマルパッドは重要な部品から熱を遠ざける一貫した技術を提供するため、現代の電子機器はその設計と動作において絶対的にサーマルパッドに依存している。電子システムの発展に伴い、効果的な温度管理はますます重要になっており、サーマルパッドはデバイスの寿命と性能を維持するための基本的な役割を担っている。サーマルパッドの種類や用途、位置や選択のベストプラクティスを理解することは、設計者が電気機器の信頼性と効率を向上させるのに役立ちます。サーマルパッドを適切に使用することで、最適な冷却が保証され、熱感度が高まる世界で電子設計を成功に導くことができます。