PCB技術 - PCB設計之 ICパッケージ基板放熱設計技巧

電子機器の信頼性が低下し、デバイスの過熱によって機能しなくなる場合もある。このため,回路基板の放熱設計処理が重要となる。

ICパッケージ基板は、回路の原理図を根拠に、回路設計者に必要な機能を実現する。PCB版の設計には版図設計が含まれ、外部接続のレイアウト、内部電子部品の最適なレイアウト、金属配線や貫通孔の最適なレイアウト、電磁保護、熱放散など、さまざまな要素が考慮される。今日はPCB回路基板の放熱設計テクニックについて詳しくお伝えします。

印刷回路基板の温度上昇要因分析:

印刷板の温度上昇を引き起こす直接の原因は回路の消費電力装置の存在であり、電子装置はいずれもある程度の消費電力が存在し、消費電力の大きさに応じて発熱強度が変化する。

印刷板の温度上昇の2つの現象:

(1)局所的な温度上昇または広範囲の温度上昇

(2)短時間または長時間の温度上昇

PCB印刷板の温度上昇の経路を改善するには多方面の考慮を行う必要があります。1つの制品とシステムの中でこれらの要因は互いに関連して依存しているため、ほとんどの要因は実際状況に基づいて分析すべきで、ある具体的な実際状況に対してのみ比較的に正確に温度上昇や電力消費などのパラメーターを計算または推定することができます。

回路基板放熱方式

ICパッケージ基板の熱消費電力を分析・設計する際には、PCBの放熱方式を解決してPCBの最適化設計を行うことが一般的である。

1.高発熱素子プラスラジエーター、熱伝導板(チューブ)

PCBの中に発熱量が大きいデバイスが少数ある場合(3個以下)には,発熱デバイスの上にラジエータやヒートシンクを加えたり,温度が下がらない場合にはファン付きのラジエータを採用して放熱効果を高める。発熱素子量が多い場合(3個より多い場合)には、PCB板上の発熱素子の位置と高低に応じてカスタマイズした専用のラジエーターや、大きな平板なラジエーターの上に異なる素子の高低位置をほじくる大きな放熱板(チューブ)を用いる。放熱カバー全体を素子面に留め,各素子と接触して放熱する。しかし、部材の溶接時の高低整合性が悪いため、放熱効果はよくない。近年では一部の高熱部品面に柔らかい熱相変化導熱パッドを加えて放熱効果を改善している。

2. PCB板自体を介して放熱する

現在広く応用されているPCB板材は銅/エポキシガラス布基材またはフェノリック樹脂ガラス布基材を被覆して、また少量使用の紙基に銅板材を被覆します。

これらの基材は電気性能や加工性能に優れているが放熱性が悪く、高発熱素子の放熱経路としてPCB本体の樹脂からの熱伝導はほとんど期待できず、素子の表面から周囲の空気中へ放熱する。しかし、電子製品は部品の小型化、高密度設置、高発熱組立の時代になった。

表面積が非常に小さい素子の表面だけでは放熱が不十分である。また、QFP、BGAなどの表面実装素子の多用により、素子で発生した熱が大量にPCB版に伝わってしまうため、発熱素子と直接接触するPCB自体の放熱能力を高め、PCB版を通じて伝導または放出するのが放熱対策の最良の方法である。

3.リーズナブルなライン設計で放熱を実現

板材中の樹脂は熱伝導性が悪く、銅箔の配線や穴は熱の良導体であるため、銅箔の残率を上げることや熱伝導穴を増やすことが放熱の主な手段となる。ICパッケージ基板の放熱能力を試験評価するには、熱伝導係数の異なる各種材料からなる複合材料の1つ1つのPCB用絶縁基板の等価熱伝導係数を計算する必要がある。

4、発熱源を合理的に均一に配置する

同じ印刷板上のデバイスは、可能な限り発熱量の大きさと放熱量に分けて配置され、発熱量が小さいか耐熱性に劣るデバイス(小さな信号トランジスタ、小規模集積回路、電解容量など)は冷却気流の最上流(入り口)に置かれる。発熱量が大きいか耐熱性に優れたデバイス(パワートランジスタ、大規模集積回路など)は冷却気流の最も下流に置かれる。PCB上のホットスポットの集中を避け、電力の相当する部品を可能な限り均一にPCB板上に配置して、PCB表面温度性能の均一性と一致を保つ。

5、熱伝導材料を使用して熱抵抗の発生を減らす

高熱放散デバイスは、基板と接続されるとき、それらの間の熱抵抗を最小限に抑えることができる。熱特性要件をよりよく満たすために、チップの底面に熱伝導性シリコンを塗布したようないくつかのヒートガイド材料を使用し、一定の接触領域を維持して熱を放出することができる。

6、デバイスとICパッケージ基板の接続

(1)デバイスワイヤ長をできるだけ短くする

(2)高消費電力デバイスを選択する場合は、ワイヤ材料の熱伝導性を考慮し、可能であれば、できるだけワイヤの横段面が最大になるように選択する

(3)ピン数の多いものを選ぶ

7、装置の封止材料の選択

(1)熱設計を考慮する際に、デバイスのパッケージの説明と熱伝導率に注意すべきである

(2)基板とデバイスパッケージとの間の良好な熱伝導経路の提供を考慮すべきである。

(3)熱伝導経路上に空気の遮断を避ける。その場合は熱伝導材で充填する。