PCB熱抵抗管理におけるサーマルビアのレビュー

PCBの設計と熱管理は密接に関連しており、熱問題は回路基板とそのコンポーネントの有用寿命を大幅に短縮させることが知られています。アクティブコンポーネントとパッシブコンポーネントによって回路基板内で発生した熱は、コンポーネントの近くに閉じ込められがちで、ほとんどの回路基板の基材の熱伝導率が低いため、高温度の上昇を引き起こします。回路基板とコンポーネントを高温と低温の間で頻繁に循環させると、システムの寿命が短くなり、コンポーネントや銅導体の早期故障につながる可能性があります。

どの設計者も、コンポーネントから発生する熱を管理する方法を検討すべきです。これらの異なる戦略の中で、設計者は各アクティブコンポーネントに熱パッドとヒートシンクを使用したり、内部層の銅プレーンの創造的な使用、高熱伝導率の基板材料、そして高出力を散逸するアクティブコンポーネント近くの熱ビアを利用することができます。コンポーネントの戦略的な配置も、プリント回路基板内のホットスポットの形成を防ぐために重要です。

Altium Designerの設計および分析ツールのおかげで、ほとんどのPCB基板材料の高い熱抵抗にもかかわらず、基板の温度を許容範囲内に保つ戦略を立てることができます。PCBレイアウトツールを使用すると、熱伝導率が高くカスタムスタックアップのある基板と共に、熱ビア、受動および能動冷却対策を設計できます。

ALTIUM DESIGNER

高度なPCBレイアウト機能と包括的なビアおよびパッド設計機能を統合した統一されたPCB設計プラットフォームです。

任意の回路基板上のコンポーネントは運用中にいくらかの熱を発生させ、積極的な設計者は運用中の過度の温度上昇と戦うための措置を講じるでしょう。オーバークロックされたゲーミングPCを見たことがあるなら、グラフィックカードやプロセッサから熱を取り除くために使用される大型の冷却ファンや液体冷却システムに馴染みがあるでしょう。おそらく、あなたのPCBはそのような極端な熱放散対策を必要としないでしょう。しかし、コンポーネントから熱を取り除き、基板全体に均一な温度分布を生み出す方法を考慮するべきです。

多くの回路基板の基材には高い熱抵抗があり、アクティブコンポーネントの近くにホットスポットが形成されることがあります。これらのホットスポットは、大量の熱を発生させるアクティブコンポーネントの近くに蓄積する傾向があります。PCB内の温度上昇と戦うさまざまな方法の中で、熱ビアはアクティブコンポーネントから熱を遠ざけてスタックアップの内部層に輸送するのに特に有用です。

パッドの下にダイアタッチパドルを備えた適切な数密度で熱ビアを配置することは、内部基板層に熱を輸送する方法の一つです。問題のコンポーネントの下に熱ビアの数と配置を最適化すると、最良の結果が得られます。ヒートシンクと各アクティブコンポーネント上の熱パッドの使用、およびいくつかのアクティブ冷却策と組み合わせることで、コンポーネントの温度を最大定格値以下に保ち、回路基板の寿命を延ばすことができます。

熱ビアとは何ですか？

電力エレクトロニクス用のデバイス、高速プロセッサ、高周波コンポーネントなど、多くのアクティブコンポーネントは運用中に大量の熱を発生させるため、これらのデバイスは定格最大温度以下で運用するために何らかの熱放散方法が必要です。熱ビアは、スタックアップを通過するコンポーネントの下に配置されたビアのことです。これらのビアはスタックアップ内のグラウンドプレーンに接続して、内層に熱を伝達し、そこからグラウンド層を通じて基板の残りの部分に熱が伝導します。

熱ビアはスタックアップ全体で熱放散を提供するようにスルーホールビアとして配置することができます。これらの熱ビアのアニュラーリングは、対象コンポーネントの下の表面層ではんだマスクを通して見えるべきです。ダイアタッチパドルにはんだ付けして、構造全体に均一な熱伝導性を提供することができます。これらのビアをエポキシで充填したり、めっきすることも良いアイデアです。これにより、はんだが基板の裏側に吸い込まれるのを防ぎます。基板全体の温度分布を調べると、熱ビアから離れるにつれて表面層と内層の温度分布が広がっていくことがわかります。

熱ビアから基板基材への熱輸送

SMDコンポーネントの下の熱ビアの配置

多くのコンポーネント、例えばQFPパッケージのコンポーネントには、コンポーネントの底部にダイアタッチパドルが含まれており、適切なパターンで熱ビアを配置する必要があります。適切な数の熱ビアを適切なピッチで配置することで、構造の効果的な熱伝導率を最適化し、最大量の熱を基板に輸送し、環境の周囲温度に近づけることができます。一般に、製造予算の範囲内でより多くの熱ビアを選択するべきです。

回路基板上の熱ビアの例示的な間隔

多くのプリント基板がFR4基板上に設計されているため、この基板材料の高い熱抵抗は、基板の温度を下げるために何らかの熱放散方法を必要とします。設計者は、基板とコンポーネントの温度を許容レベルにするために、熱ビアを他の熱放散方法と組み合わせることを検討すべきです。これは、基板が高温と低温の間で繰り返しサイクルされる場合に特に重要です。

• サーマルビアは、PCBの熱管理戦略の一部に過ぎません。サーマルビアが内層への熱の放散に十分でない場合は、ヒートシンク、サーマルパッドやペースト、冷却ファンなど他の熱放散方法を含めるべきです。PCBの熱管理戦略を立てる方法についてもっと学ぶ。
• PCB内の各ビアは製造予算に影響を与え、サーマルビアを配置する際にはPCB製造プロセスと予算を慎重に検討すべきです。回路基板の製造と組み立てプロセスについてもっと学ぶ。
• PCB内の他の銅導体と同様に、サーマルビアも設計ルールと制約に従って配置するべきです。PCB設計ソフトウェアで設計ルールチェックを使用する方法についてもっと学ぶ。

Altium Designerのビア、パッド、ポリゴンの設計ルール

基板、サーマルビア、熱伝達

サーマルビアを使用しても、基板の温度が十分に低い値に下がることを保証することはできません。これは、基板が高温の環境に配置される場合や、システムの一部が高温になる場合に特に当てはまります。基板が動作中の場合、コンポーネントと環境との間の熱勾配が低くなり、熱い領域と冷たい領域の間の熱伝達率が低下します。

これは、高熱伝導率を持つ基板を使用することが、アクティブコンポーネントから熱を迅速に遠ざけるのに役立つ場合です。セラミックスは、高熱伝導率を持つ基板材料の最良の選択肢の一つです。別の選択肢としては、メタルコアPCBの使用があります。厚い銅コアは、標準のFR4スタックアップと比較して、顕著な熱放散を提供します。サーマルビアと組み合わせることで、基板とスタックアップは、基板を通じて熱が容易に横方向に移動するのを助け、運用中により均一な平衡温度になります。これにより、PCBの熱膨張がより均一になり、システム内の異なる銅導体における内部ストレスがより集中しなくなります。

その他の熱管理方法

PCBの他の熱管理方法は、基板の温度が周囲温度に近づくことを保証します。これらの方法には、高速プロセッサやその他の重要なコンポーネントにヒートシンクを取り付けることが含まれます。ヒートシンク上の熱パッドは、コンポーネントから熱を遠ざけるための高熱伝導率パスを提供するのに役立ちます。基板上に大量の高出力コンポーネントがある場合、重要なコンポーネントから熱を取り除くためにファンを設計に追加する以外に選択肢がないかもしれません。

基板の材料やレイヤースタックも、回路基板の表面層から熱を遠ざけるための熱輸送に向けて設計されるべきです。PCBの内部層における銅の高熱伝導率は、熱ビアから熱を容易に運び、PCBの端に向けて輸送します。コンポーネントの配置も非常に重要です。最も熱を発生するコンポーネントは、熱がPCB内のより大きな領域に散逸することを可能にするため、基板の中央に近い場所に配置されるべきです。

• 熱ビアは、熱性能に関するIPC 2152基準に準拠するように設計されるべきです。IPC 2152ガイドラインに準拠する設計についてもっと学ぶ。
• PCBの温度を制御するために使用できる受動的熱放散方法はたくさんあります。回路基板のための受動的熱管理技術についてもっと学びましょう。
• 代替基板材料は、基板内の熱い領域から冷たい領域へ熱を移動させ、それを環境に迅速に放散するための優れた選択肢です。代替基板材料の取り扱いについてもっと学びましょう。

基板の基板材料とスタックアップは、基板内の熱抵抗を決定します

熱ビア設計ソフトウェアの利用

熱ビア設計ソフトウェアは、CADツールを使用してビアの標準的なジオメトリを定義し、レイヤースタック全体にわたるその範囲を定義します。適切な回路基板レイアウトツールを使用すると、熱管理戦略を作成するために熱ビアのジオメトリと配置を設計できます。熱ビアを設計するための最高のソフトウェアには、スタックアップ設計機能も含まれています。これにより、PCB全体で熱を伝導するのに役立つ内部銅層を定義できます。これらのツールは、他の重要なルーティングおよびレイアウト機能とともにアクセス可能であり、単一のプラットフォームで完全なソリューションを提供します。

Altium Designerでの熱ビア設計とレイアウトの完了

Altium Designerの包括的なスタックアップとサーマルビア機能を使用すると、単一のプログラムでレイヤースタック、サーマルビア、レイアウトを簡単に作成できます。Altium DesignerのCADツールは、シミュレーションと生産計画機能の完全なセットとともにアクセス可能です。

• Altium Designerの統合設計環境は、単一のアプリケーションで必要なCADツールをすべて提供します。重要なサーマルビア設計とレイアウト機能に、単一のプログラムでアクセスできます。Altium Designerでの統合設計についてもっと学びましょう。
• ルール駆動型の回路基板設計ソフトウェアを使用すると、基板の重要な設計ルールと制約を定義できます。これにより、機能性と製造可能性を確保できます。Altium Designerのルール駆動型設計エンジンについてもっと学びましょう。
• Altium Designerの材料スタックアップライブラリを使用すると、高熱伝導率または低熱伝導率、さまざまな電気特性を持つ標準基板材料の大規模なセットから選択できます。Altium Designerの材料スタックアップライブラリについてもっと学びましょう。

Altium DesignerのCADツールと管理機能は、熱ビアの設計、コンポーネントのレイアウト、およびシステム全体での熱伝達をサポートするためのアクティブおよびパッシブ冷却対策の配置に最適です。ビアのレイアウトと製造要件を設計ルールおよび制約として定義できます。また、単一のアプリケーション内で強力なシミュレーションと分析機能のセットにもアクセスできます。材料のスタックアップライブラリと広範なコンポーネントライブラリを追加すると、強力な熱管理戦略を持つ回路基板を設計し、それを生産に移すために必要なすべての機能を持つことになります。

Altiumだけが、プリント回路設計に関する膨大なリソースセットを提供します。AltiumLiveフォーラム、業界の専門家とのウェビナーやポッドキャスト、設計チュートリアル、豊富な設計ヒントが満載の広範な知識ベースにアクセスできます。他のPCB設計ソフトウェア会社は、このレベルのサポートを提供していません。重要な設計機能を異なるアプリケーションに分離するプリント回路設計プラットフォームで作業する代わりに、設計とレイアウトに統合的なアプローチを取る時が来ました。Altium Designerに切り替える時です。