サーマルリリーフ設計ガイド

DFA に関するガイドで取り上げられる PCB アセンブリ不良のうち、最も一般的なものの 1 つがマンハッタン現象（tombstoning）であり、次に多いのがおそらくコールドジョイントです。後者は特にスルーホールのピンで指摘されることが多くあります。これら 2 つは一見すると無関係に見えるかもしれませんが、どちらも部品のピンまたはパッドから熱が逃げてしまうことに関係しています。PCB レイアウトでは、影響を受ける部品にサーマルリリーフパッドを追加することでこれに対処し、はんだ付け中に熱が局所にとどまるようにします。

そこで次の疑問が生じます。サーマルパッドはいつ適用すべきで、どの部品に必要なのでしょうか。DFA ガイドラインの中には、サーマルパッドはあらゆる箇所で必要であるかのように説明しているものもあり、PCB やプロジェクトのデフォルト設計ルールによって設計全体に一律適用される場合もあります。このガイドでは、サーマルパッドに適した設定の選び方と、どこに適用すべきかを解説します。

サーマルリリーフを適用すべき場所

PCB レイアウトにおけるサーマルリリーフのシンプルな例を以下に示します。これらのサーマルリリーフは、SMD 部品のパッドまたはスルーホールピンに銅を接続する小さなスポークで構成されています。こうしたサーマルリリーフは CAD ツールで自動的に適用されるため、小さな配線や塗りつぶし領域からなるスポーク接続を自分で描く必要はありません。

スルーホールピン上のサーマルリリーフ。

ここでは、サーマルリリーフの適用が推奨される 2 つのケースを示しています。

• マスク定義 SMD パッド、すなわち銅箔ポア上のパッド
• パッドがプレーンに接続されるスルーホールピン

次のケースではサーマルリリーフは不要です

• 小さな銅箔ポアに接続されたマスク定義 SMD パッド
• 小さな銅箔ポアに接続されたスルーホールピンパッド
• SMD パッドに接続されるポアであっても、銅箔ポアまたはプレーンに接続されるビア

最後の点は非常に重要です。というのも、技術的にはビアにサーマルリリーフを設定することも可能だからです。率直に言って、SMD パッドにも接続されているポアへ接続するビアにサーマルリリーフを設けても、ほとんど意味はありません。サーマルリリーフが必要であれば、ビアではなく SMD パッド側に設定してください。目的は SMD パッドに熱を閉じ込めることであり、大きな銅領域全体へ熱を拡散させることではありません。

左: ピンヘッダのスルーホールピン上のサーマルリリーフ。右: 同一レイヤー上で銅箔ポアに接続された SMD パッド上のサーマルリリーフ。

サーマルリリーフが不要なその他のケースもいくつかあり、特に SMD 部品でよく見られます。以下のような場合です。

• 銅箔ポアへの接続がほとんど配線のように見える場合
• 集積回路のダイアタッチパッド
• はんだ付け時に基板全体で均一な加熱が保証できる場合

最後の点ははんだ付けプロセスに関係します。リフローでは、すべての箇所でサーマルリリーフパッドが必要になる可能性はかなり低くなります。しかし、すべての SMD 部品、特に SMD 受動部品を手はんだする場合には、受動部品の SMD パッドにサーマルリリーフを追加することに意味があります。熱風はんだ付けやホットプレートはんだ付けは、作業者の技能や使用設備への依存が非常に大きいため、やや判断が難しいケースです。

銅箔ポアはどの時点で「大きい」といえるのか

これは重要な問題です。というのも、スルーホールピンや SMD パッドにサーマルリリーフを配置すべきタイミングを左右するからです。スルーホール部品では通常、プレーンへの接続部にサーマルリリーフを配置します。しかし、プレーン層の代わりにあるレイヤーで銅箔ポアを使用している場合、実質的には同じことです。つまり、大きな銅領域がピンから熱を奪ってしまう可能性があり、そのためサーマルリリーフが必要になることがあります。同じ効果は、表面層の大きな銅箔フィルのような銅領域上にある SMD 部品でも発生します。

では、こうした部品をいずれかのレイヤー上のポリゴンに接続する場合、すべてのポリゴンにサーマルリリーフが必要なのでしょうか。答えは「ノー」だと思います。

• 銅箔ポアが非常に小さい場合、それは配線に近く見えるため、サーマルリリーフは不要です。
• 内部層の銅箔ポアが非常に大きい場合、それはプレーンとよく似たものとなるため、スルーホールではサーマルリリーフが必要です。
• 表面層の銅箔ポアが表面の大部分を埋めるほど大きい場合も、プレーンに似た状態となるため、サーマルリリーフが必要です。

非常に小さい銅箔ポアと非常に大きい銅箔ポアの中間には、部品のピンやパッドにサーマルリリーフが必要になり始める境界点があります。大量の基板をはんだ付け工程に通す前にテストクーポンを使って確認しない限り、その境界を予測するのはかなり困難です。また、リフローはんだ付けと手はんだでは違いが出ることも予想されます。これをシミュレーションすることも可能ですが、より良い方法は、サーマルリリーフが必要になる境界は組み立て済み基板の品質検査結果から判断するものだと受け入れることです。

サーマルリリーフはどのように設計すべきか

設計者は、サーマルリリーフの作成にそれほど大きな労力をかける必要はありません。通常は、ピンまたはパッドの四方からシンプルなスポーク接続を設ければ十分です。トレース上のスポーク幅と、クリアランスまたは開口サイズは、エッジの形状が小さくなりすぎないように選定してください。パッドのスポークを細くしすぎてエッチング限界を下回らないようにしましょう。また、パッド周囲の開口は十分大きくして、エッジクリアランス限界を上回るようにしてください。

通常、8 mil のトレース幅と 10 mil のクリアランスであれば、大半の部品には問題ありません。高密度実装されるさらに小型の受動部品では、トレースがパッド周囲に収まるよう、トレース幅とクリアランスをより小さくすることもできます。

Altium のカスタムパッドに適用されたサーマルリリーフ。

Altium におけるサーマルリリーフ設計

Altium では、SMD 部品およびスルーホール部品にサーマルリリーフパッドを実装する複数の方法が用意されています。これらは次のようにグローバルにも選択的にも適用できます。

• プレーンまたはポリゴン接続の設計ルールを使用してサーマルリリーフスタイルを適用する
• 設計ルールを使用しつつ、スコープを特定のフットプリントまたは部品クラスに設定してサーマルリリーフパッドを適用する
• パッド／ピンのプロパティに基づいて、特定の SMD パッドまたはスルーホールピンにサーマルリリーフパッドを適用する

Altium の設計ルールシステムとクエリシステムを使えば、部品の種類や部品グループごとにこれらの方法を柔軟に組み合わせることができます。設計ルールを使用している場合でも、特定のスルーホールピンや SMD パッドに手動でサーマルリリーフを適用する選択肢は常に残されています。

PCB レイアウトでのサーマルリリーフパッドの適用方法について詳しくは、Altium のドキュメントにある次のリンクを参照してください。

• Polygon Connect Style
• Defining Custom Thermal Reliefs

信頼性の高いパワーエレクトロニクスでも、高度なデジタルシステムでも、Altium Develop はあらゆる分野を 1 つの協調的な力へと結集します。サイロ化から解放され、制約からも解放されます。エンジニア、設計者、そしてイノベーターが一体となり、制約なく共創できる場です。今すぐ Altium Develop を体験してください。