サーマルプロトタイプPCBの設計方法

PCBにおける熱問題はしばしば見過ごされがちであり、設計がプロトタイピングのラウンドを経た後でないと対処されないことがあります。明らかに、プロトタイピングは高価であり、設計チームは無限の資金をプロトタイプの作成に投じることはできませんが、テスト作業の一部を低コストのプロトタイプ作成に移すことができます。熱的観点からこの問題に取り組む一つの方法は、熱プロトタイプを実行することです。

これらのプロトタイプは、精巧で高価であることを意図したものではありません。これらは、ごく少数のコンポーネントを搭載した安価なボードであり、特定の回路の熱要求を評価するために特別に設計されています。また、環境テスト、機械テスト、基本的な機能テストに関連する場合もあるなど、複数の目的を果たすこともあります。

熱プロトタイプに必要なもの

熱プロトタイプは、限られた数のコンポーネントを含む小さな回路基板として構築できます。具体的には、熱性能と信頼性をテストしたい主要なコンポーネントのみを含むべきです。目標は、未知の熱プロファイルを持つ回路のみを配置し、これらを直接測定できるようにすることです。

システム内の熱負荷が不明な場合、基板構造に関して常にいくつかの未解決の疑問があります。銅の重さはどれくらいが適切か？ 特定の層にプレーンが必要ですか？ 高熱伝導率の材料が必要ですか、それとも一般的なFR4グレードの材料で仕様に合うでしょうか？ 熱プロトタイプを使用すると、これらの点やそれ以上のことを調査できます。

• 異なるコンポーネントを持つ熱試験回路の複製
• 使用されていないピン、重要な電力コンポーネントなどに多くのテストポイント
• 必要な構成信号やインターフェースにアクセスするためのコネクタまたはヘッダー
• 過剰な熱を発生させる可能性のあるその他のサポートコンポーネント
• 受動部品や誘導部品の場合、テスト中に簡単に交換できるように一般的なパッケージングを持つ部品を選択します

テスト回路のPCBレイアウトは、意図した基板構造にできるだけ近くする必要がありますが、可能な限りリスクは少なくしてください。ASICのためのほとんどの熱試験ボードは、フロントエンドエンジニアリングフェーズ中に行うことができるので、簡単にするためにデータシートからアプリケーション回路を構築することを検討してください。電力管理ASICの場合、意図したインダクタ、トランス、チョークなどを配置してください。これらもまた、大量の熱を発生させる可能性があります。

設計が完了したら、熱プロトタイプを海外の低コストの製造＆組立施設にて生産に移すことができます。通常、あなたが設計しているものは機密IPを含んでいるわけではなく、組立中のコンポーネントの配置数も少ないはずです。PCBレイアウトとBOMを大幅に簡素化することで、製造コストを可能な限り低く抑えることができます。

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熱プロトタイピングにおける測定

設計および製造が完了したら、熱プロトタイプをテストし、温度を測定する必要があります。これを行う最良の方法は何でしょうか？

テスト対象の回路の周囲で最も正確な読み取りを提供する方法は、赤外線カメラを使用した温度測定です。さまざまな解像度と検出範囲を持つ赤外線カメラが大量にあります。スマートフォンに接続できる小型モジュールから、高解像度のリアルタイム温度マップを提供できる大型のハンドヘルドイメージャーまであります（以下に示されている画像のような）。

Mark Harrisによって提供された熱画像 この記事で。

より複雑な熱プロトタイプボード、例えばデジタルインターフェースを持つASICなどでは、ライブでの設定が必要になることがあります。これは、データロガーやDAQ、またはPCB内のインターフェースへのシリアル接続を含める必要がある場所です。これにより、デバイスをテストする際にシリアルインターフェースを制御し、I/Oの状態を監視することができます。

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開発ボードや評価ボードはどうですか？

熱プロトタイピングは、開発ボードと評価ボードが輝くチャンスです！

開発（dev）ボードは、特定のコンポーネントを中心にファームウェアやアプリケーションを構築できる開発プロトタイプとして最もよく使用されます。評価（eval）ボードはモジュラーであり、ワイヤーでアドホックな組み立てに接続できるため、異なるコンポーネントセットがシステム内でどのように機能するかをテストできます。

開発ボードであれ評価ボードであれ、製品は熱プロトタイプとしても使用できます。これらのボードは、高電力または高温環境でテストでき、他の機器とのインターフェースやアプリケーションの実行が可能です。たとえば、次のようにできます：

• 環境チャンバーで基板を動かす
• 基板をその電力または温度限界近くで動かす
• 稼働中のDCファンが付いたエンクロージャーに基板を置く
• ヒートシンクや熱インターフェース材料

と実験する評価ボードや開発ボードは、常に意図した回路の完璧な反映ではありませんが、時には十分に近いため、テスト中のコンポーネントの熱プロファイルに関して合理的なデータを得ることができます。例えば、下に示されたゲートドライブ評価ボードでは、SiCベースの電力システムに対して優れた熱データを得ることができます。

テキサス・インスツルメンツのUCC21710QDWEVM-025評価ボードは、SiCトランジスタと電力モジュールを駆動するためのものです。

すべてのコンポーネントが開発ボードや評価ボードで利用可能なわけではありませんが、これらのボードが利用可能な場合、多くのディストリビューターから購入することができます。Octopartをチェックして「eval board」と検索して、何が利用可能かを確認してください。また、コンポーネントメーカーのサイトを見て、彼らのリファレンスデザイン資料や評価ボードのオプションを探すこともできます。

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