PCB熱解析の完全ガイド

回路基板が動作中にどのように熱くなるかは、主にPCB基板と銅伝導体の物理的特性で決まります。回路基板の熱解析方法は、動作中に基板がいつどこで熱くなるか、また基板がどれだけ熱くなるかを予測することを目的としています。この重要な解析の部分は、コンポーネントレベルと基板レベルの信頼性を確保することを目的としており、設計に関する多くの決定に影響することがあります。

最適なプリント基板設計ソフトウェアを使用すれば、信頼性が高く、動作時に温度が低い基板を簡単に設計できます。Altium Designerには、信頼性を確保する材料ライブラリを備えた最高の回路基板設計ツールがあり、PCBレイアウトとスタックアップで熱管理のベストプラクティスを実施するために必要なものがすべて揃っています。ここでは、回路基板の熱解析について理解を深め、次に基盤を設計する際に高い信頼性を備えた基板にする方法を説明します。

Altium Designer

高度なレイアウト機能、包括的な基板材料ライブラリ、生産計画機能を統合する統合PCB設計パッケージ。

回路基板とコンポーネントの材質によって、動作中に基板内で熱がどのように移動するかが決まります。残念ながら、PCB基板の材料は絶縁体であり、高温のコンポーネントからの熱の放散を妨げます。銅伝導体とプレーン層は役に立ちますが、動作中の基板の平衡温度に影響を与える設計上のシンプルな選択肢がいくつかあります。これらの設計面での決定は、次の3つの領域に焦点を当てています。

• 回路基板のスタックアップ設計
• 基板材料の選択
• コンポーネントの選択とレイアウト

電動ファンやヒートシンクなどのほか、いくつかのシンプルな設計の選択肢によって、基板を低温で動作させ、早期故障を防ぐことができます。適切な設計ツールのセットを使用すると、熱管理のベストプラクティスを簡単に実装できます。

熱解析を使用して回路基板を設計する

回路基板設計の熱解析の目標は、温度を制限内に保つためにファン、ヒートシンク、追加の銅箔、またはサーマルビアなどの冷却手段が必要となるタイミングを判断することです。設計者は、基板内のコンポーネントの最大許容温度を選択し、コンポーネントが消費する電力に基づいてコンポーネントの温度がどのように変化するかを調べる必要があります。コンポーネントの温度が許容温度制限を超える場合は、ヒートシンクやファンなどの追加の冷却手段が必要になる場合があります。

まず、集積回路のコンポーネントのデータシートに通常記載されているコンポーネントの熱インピーダンスを確認します。この値は、低電力アンプやICでは最高20℃/Wと低く、強力なマイクロプロセッサーでは最高200℃/Wと高くなることがあります。動作温度を求めるには、コンポーネントの消費電力に熱インピーダンスを掛けます。SOTパッケージ内のMOSFETの例では、これは次のように定義されます。

熱インピーダンスで定義されるコンポーネントの温度。

コンポーネントの温度が高すぎる場合、PCBレイアウト内のコンポーネントの熱インピーダンスを下げるため、コンポーネントから熱を放散するために実行できる手順がいくつかあります。

• 接地されたポリゴンを使用してサーマルビアをコンポーネントの下に追加する
• 熱伝導率の高いPCB基板材料を使用する
• コンポーネントに放熱板を追加する
• プレーン層など、コンポーネントの下にさらに多くの銅箔を含める
• ファンを使用して、コンポーネントパッケージ全体に冷気が確実に流れるようにする
• サーマルインターフェース材を使用して基板を金属筐体に直接取り付ける

これらの方法のどれを選ぶにしても、熱信頼性は、最高のPCB設計ソフトウェアを使用して適切なPCBスタックアップを設計することから始まります。

最適なPCBスタックアップ設計から始める

回路基板レイアウトに他の冷却手段を実装する前に、最高のPCB設計ツールセットを使用して正しいスタックアップを作成してください。Altium Designerのレイヤースタックアップマネージャーを使用すると、銅箔プレーン層と層の厚の適切な配置を作成して、PCB基板の熱伝導率を高くできます。スルーホールビアは、レイヤースタックアップマネージャーを使って、高温となるコンポーネントの下の基板の背面にまたがるように定義することができます。PCB設計のこれらの基本的な側面は、高温のコンポーネントから熱を取り除くのに大いに役立ちます。

Altium Designerでは、一般的なスタックアップ材料の既知の誘電特性を持つPCBスタックアップ材料ライブラリにアクセスすることもできるので、設計者はPCB設計ソフトウェア内でスタックアップ設計を完全にコントロールでき、電源システム用の高速基板や大電流基板などの用途にこれらを役立てることができます。Altium Designerでスタックアップを設計し、回路基板の材料を選択してください。

• 基板材料は、信頼性の主要な決定要因になります。熱伝導率の高い適切な材料は、高出力コンポーネントから熱を除去し、コンポーネントの低温での動作を維持するのに役立ちます。

  適切な基材の選択については、こちらをご覧ください。

• セラミック材は標準のFR4基板よりも熱伝導率がはるかに高く、高温環境での使用に最適です。

  セラミック基板を使用した回路基板の設計については、こちらをご覧ください。

• 基板にどのような材料を使用するにしても、回路基板のスタックアップを作成するには、最高のPCB層スタックマネージャーが必要です。

  Altium Designerでレイヤースタックを設計する方法については、こちらをご覧ください

Altium Designerを使用したスタックアップ設計

PCBの標準的な熱管理方法

スタックアップの定義は、基板設計の重要な側面の1つにすぎません。PCB設計ソフトウェアでスタックアップを定義したら、PCBレイアウトツールを使用して、GNDプレーン、銅箔、ヒートシンク、冷却ファン、サーマルビアなどの配置を開始できます。PCBレイアウトソフトウェアのCADツールを使用して、回路基板のこれらの機能を定義します。PCBライブラリは、電子機器のサプライチェーンにも接続して、ファンとヒートシンクのCADモデルにアクセスできるようにする必要があります。そうすると、回路基板レイアウト内の熱管理に必要なコンポーネントを簡単に検索、ダウンロード、配置できるようになります。

サーマルビア、ファン、ヒートシンクなどの配置に加えて、PCBの各レイヤーにプレーンとトレースを配置することで、PCB内の銅伝導体に固有のDC抵抗によって熱が放散されます。PCBスタックアップで銅箔をどのように使用するかを決める際は、PDNの特定の位置でホットスポットが発生するかどうかを調べる上でDCシミュレーションが重要になります。

DCパワーインテグリティシミュレーションを利用してホットスポットを特定する

DCパワーインテグリティシミュレーターは、PDN内の電流密度が高いために温度が高くなる領域を見つけるのに役立ちます。PCB内のこれらの高温領域が高温部品の近くにある場合は、温度を低く保つために追加の銅箔またはヒートシンクが必要になる場合があります。さらに、PDNの特定された領域の銅箔を、その領域のDC抵抗を減らすために再設計する必要があるかもしれません。

• アクティブコンポーネントのパッシブ冷却戦略の一環として、サーマルパッドまたはサーマルペーストを使用してヒートシンクを高温のコンポーネントに接着すると、コンポーネントから熱を効率的に逃すことができます。

  サーマルパッドとサーマルペーストの詳細については、こちらをご覧ください。

• PCB内のアクティブコンポーネントはすべて、パッケージ内とPDN内の近くの銅箔で熱を放散することにより、熱源として機能します。アクティブコンポーネントが多数ある場合は、コンポーネントを冷却するためにファンの使用が必要な場合があります。

  PCBレイアウトでのアクティブ冷却コンポーネントの使用方法については、こちらをご覧ください。

• Altium DesignerのPDNアナライザー拡張機能は、簡単にアクセスして使用できます。この拡張機能を使用すると、PCBレイアウトデータを取得し、DCパワーインテグリティ用に優れたシミュレーションを作成できます。

  DCシミュレーションに対応するAltium DesignerのPDN Analyzerの拡張機能の詳細をご紹介します。

DCパワーインテグリティシミュレーションは、単一または複数のレイヤーのPDN内のホットスポットを同時に特定するのに役立ちます。

回路基板の熱解析とPCBレイアウトに最適なソフトウェア

適切なPCBレイアウトツールがなければ、回路基板レイアウトの熱を適切に管理することは困難です。最高クラスのPCB設計アプリケーションには、PCBレイアウトタスク用のCADツールのセット以上のものが含まれます。最高クラスのスタックアップ設計ユーティリティ、包括的な回路図エディター、混在信号シミュレーション機能などが必要です。基板を製造に出す準備ができたら、標準のファイル形式で設計のドキュメントを作成する必要があります。PCB設計ソフトウェアは、すべてを別々のプログラムに分離するのではなく、これらすべての機能を1つのアプリケーションで提供できるものである必要があります。

Altium Designerは、高出力DC基板から高速デジタル製品や高周波RFシステムに至るまで、あらゆる用途に対応する唯一の包括的なPCB設計アプリケーションです。Altium Designerには、標準的な材料のインポート、考えられるレイヤー配置の定義、独自の材料のインポートを可能にする最高クラスのレイヤー構成マネージャーが付属します。また、ビアおよびポリゴン設計ツールを備えた配線機能とレイアウト機能の完全なセットにもアクセスできます。Altium Designerには、信頼性の高い回路基板を設計するために必要なものすべてが揃っています。

Altium Designerで最も信頼性の高い回路基板を設計する

Altium Designerの強みは、ルール主導の設計環境にあります。他の設計プラットフォームでは、重要な設計ツールが複数のプログラムに分かれていますが、Altium Designerでは単一のアプリケーションで生産性を維持できます。Altium DesignerのPCB設計機能は、単一のパッケージで連携するように構築されており、設計の作成時にエラーを発見するのに役立ちます。回路基板の熱分析、レイアウト、および製造のためにこれほど多くの機能にアクセスできるPCB設計アプリケーションは他にありません。

• Altium Designerは、単一アプリケーション内で包括的な設計ツールセットを使用したいプロのPCB設計チームにとって理想的なパッケージです。

  Altium Designerの統合設計環境の詳細については、こちらをご覧ください。

• Altium DesignerのPDNA拡張機能は、PCB レイアウト内でアクセスでき、動作中に熱くなりすぎるPCBレイアウトの領域を特定するのに役立ちます。

  Altium DesignerのPDNA拡張機能の詳細については、こちらをご覧ください。

• 回路基板設計を他のPCB設計者またはメーカーと共有する必要がある場合、Altium 365プラットフォームを通じて設計と製造データを即座に共有できます。

  プロジェクトデータをAltium 365と共有する方法について詳しく説明します。

大型冷却ファンを備えたマルチボードシステムの3Dビュー

回路基板の熱解析を実行し、PCBレイアウトの潜在的な問題を特定したら、Altium Designerを使用して、基板の温度を制限内に維持するためのベストプラクティスを実装します。単一のアプリケーションで設計、共有、設計検証の機能の包括的なセットを提供する設計アプリケーションは他にありません。

Altium 365のAltium Designerは、ソフトウェア開発の分野において前例のないレベルで電子機器業界との統合を実現しており、設計者は自宅でもこれまでにないほど効率的に作業を進めることができます。

ここでは、Altium 365とAltium Designerでできることについて、その一部を紹介したに過ぎません。より詳細な機能の説明については、製品ページまたはオンデマンドのウェブセミナーをご覧ください。