適切なPCBレイアウトでは、どのようにして設計へのヒートシンクの追加を回避できるか

私は、何年にもわたって、コンピューター技術が提供する必要のある高解像度や色深度を表示できる新しいモニターを買い続けてきました。モニターをつないで機能をテストするさまざまなアプリケーションを試すときはワクワクしました。どのアプリケーションも全く問題なく動作していたので、私は新しいモニターを自慢するため、オフィスを離れました。戻ってくると、モニターの表示がちらついているではありませんか。動揺した私は、電源を切ったり入れたりしてちらつきが解消するか確認しました。新しいモニターは明らかに壊れていました。

数日後、問題があるかどうか確認するため、モニターの筐体を開けて中をのぞいてみました。すると、ビデオ回路の1つが電源に直接取り付けられていることが判明しました。このため、仕様通りに機能しない温度にまでビデオ回路が熱くなって、モニターは壊れてしまったのでした。遮熱材を取り付けてビデオ回路から熱エネルギーを移すことで、簡単に修理できました。とはいえ、本当の問題は製品の設計にありました。ビデオ回路は、これほど電源に近い場所に配置されるべきではありませんでした。

PCBの最悪の敵である熱

コンポーネントは余分な熱で壊れたり仕様外の動作をしたりすることは誰もが知っていますが、いつ熱が問題になるかわかりません。場合によっては、熱管理のトラブルシューティングは特に難しく、稀な状況でのみ問題になることがあります。例えば、高温が発生する場合があります。さらに、放熱の問題は、度重なる熱サイクルで熱膨張や熱収縮が起きたために割れたはんだ接合のように、経時的に発生する可能性があります。これらの放熱の問題は試験で見逃される可能性があります。したがって、このようなシナリオを避けるため、適切に基板をレイアウトすることが重要です。

PCBにコンポーネントを配置する前に外部熱源の位置を考慮する

PCB設計者はどうすべきか

PCB設計では、SMTヒートシンク、ファン、サーマルビア、その他の技術を使って、熱を緩和するのが一般的です。これらの方法はとても効果的ですが、設計のコストと複雑さが増します。最も安価で最も信頼性の高い対策は、好ましくない外部熱源からの熱伝導が問題にならないようにPCBを設計することです。問題を回避する設計をしましょう。問題箇所にコンポーネントを配置しないことです。

設計を考えるとき、PCBはより大きいシステムの一部であることを忘れないでください。PCB上で、相互に関連する発熱部品どうしの配置や、製品全体の他の部分と関連する発熱部品の配置を考慮する必要があります。PCBは、それが設計されるデバイスによって異なるので、外部熱源は基板の周りに3次元的に配置される可能性があります。このことを念頭に置いて、以下の点を考慮する必要があります。

• 熱源の隔離: 電源など、発熱するサブシステムをレイアウト内で隔離し、他のコンポーネントに影響を与えないようにします。
• 他のPCB: 近くのPCBに、発熱するコンポーネントまたは熱に弱いコンポーネントが含まれている可能性が十分にあります。
• 物理的な部品: 機械部品、配線、および取付けフレームが、PCBから熱を吸収したり製品の他の部品に熱を伝達したりすることがあります。これには、ユーザーが接触する可能性のある部品が含まれます。
• 筐体: 設計者として、製品をより小さくコンパクトにするプレッシャーが常にあります。つまり、PCBの周りの筐体がますます窮屈になっています。このことが、PCBからの熱伝導にどのように影響するかを注意深く検討する必要があります。空間が狭くなるほど、対流による冷却機会は減り、熱に敏感な他の場所への熱伝導の機会が増加します。

PCBの筐体のサイズを考慮しましょう。基板をどのようにレイアウトするかに影響する可能性があります。

3次元的空間でPCB設計を考える

真空でPCBを設計しているわけではありません。最初から、3次元で設計を考える必要があります。コンポーネントどうしがどのように作用するか、それらのコンポーネントがPCBの周りの空間にどのように影響するかを考慮します。

そのために製品の設計仕様で、PCBが製品にどのように配置されるか、またどの要素が近くにあるかを確認します。レイアウトを開始する前に、どのコンポーネントが熱に弱いかを書き留めます。この情報は、設計の最初のアウトラインに影響し、やり直しを回避するのに役立ちます。やり直しは必ずより難しくなります。次に、筐体内にPCBをどのように配置するかを検討する必要があります。筐体内が狭い場合やくびれた箇所がある場合は、発熱コンポーネントを、放熱できない場所に配置しないようにします。

お使いのコンピューターのモニターが（私のものと違って）まだ機能している場合は、プロ用PCB設計ソフトウェアに備わっている設計ツールを使うことを検討すべきです。Altium Designerなど、多くのツールで、コンポーネント周囲のクリアランスを定義し、そのクリアランスが設計で受け入れ可能であることを検証できます。熱を発するコンポーネントや熱に弱いコンポーネントのクリアランスを定義することにより、ソフトウェアでご自身の安全を保つことができます。最終的には、サーマルシミュレーターを使って設計を実行して熱収縮を強調表示し、それらを緩和するよう調整します。

PCBを低温で問題のない状態に保つ

熱は、PCB設計において常に課題となり、製品がよりコンパクトになるにつれてますます大きな課題をもたらします。注意深い考慮と計画により、再現、トラブルシューティング、修正が難しい熱関連の問題を回避できます。新しいコンピューターの画面が溶けるのを見たい人は誰もいません。さらに悪いことに、製品をリコールしたい企業もありません。Altiumの専門家に、優れた設計実践や熱管理に使用できるPCBツールについてのさらに詳しい情報を問い合わせることで、そのような状況を回避できます。