PCB の熱解析と熱設計手法

Shenzhen Shenchuang Hi-tech Electronics Co., Ltd (SChitec) は、電話アクセサリーの製造と販売を専門とするハイテク企業です。 当社の主な製品には、旅行用充電器、車用充電器、USB ケーブル、パワーバンク、その他のデジタル製品が含まれます。すべての製品は安全で信頼性が高く、ユニークなスタイルを備えています。製品は CE、FCC、ROHS、UL、PSE、C-Tick などの証明書に合格しています。ご興味がございましたら、ceo@schitec.com に直接お問い合わせください。

SChitec で安全に充電を続ける

PCB の熱解析と熱設計手法

1. PCB の熱源

有益な仕事に加えて、動作中に電源アダプタによって消費される電力の一部が熱に変換されます。 電源アダプターから発生する熱により、内部温度が急速に上昇します。 熱が時間内に放散されない場合、温度は上昇し続け、過熱によりコンポーネントが故障し、電源アダプタの信頼性が低下します。 SMT は電源アダプタ コンポーネントの実装密度を高め、有効な放熱面積を減少させ、電源アダプタの温度上昇が信頼性に重​​大な影響を与えます。 したがって、電源アダプタ PCB の熱設計に関する研究は非常に重要です。 電源アダプタ PCB の温度上昇の直接の原因は、回路電源コンポーネントの存在によるもので、電子コンポーネントの消費電力は異なり、発熱量は消費電力に応じて変化します。 PCB の温度上昇には 2 つの現象があります。1 局所的な温度上昇または広い領域の温度上昇。 2 短時間の温度上昇または長時間の温度上昇。

電源アダプタの PCB には、電子コンポーネントの熱、PCB 自体の熱、および他の部品からの熱の 3 つの主な熱源があります。 3 つの熱源の中で、コンポーネントが最も多くの熱を発生し、これが主な熱源であり、次に PCB が発生する熱が続きます。 外部からの熱入力は、電源アダプタの全体的な熱設計によって異なります。

コンポーネントの発熱は、その消費電力によって決まります。 したがって、発熱を最小限に抑えるために、設計では最初に消費電力の低いコンポーネントを選択する必要があります。 2 つ目は、コンポーネントの動作点の設定です。 一般に、定格動作範囲内で選択する必要があります。 この範囲で動作すると、パフォーマンスが良く、消費電力が小さく、寿命が長くなります。 パワーデバイス自体は大量の熱を発生するため、全負荷動作を避けるように設計する必要があります。 高電力デバイスの場合は、ディレーティング設計の原則を実装し、設計の豊かさを適切に高める必要があります。これは、電源アダプタの安定性、信頼性、および発熱の向上に役立ちます。

PCB は銅導体と絶縁誘電体で構成されており、一般に絶縁誘電体は熱を発生しないと考えられています。 銅導体には銅自体による抵抗があります。 電流が流れると発熱します。 mA(ミリアンペア)やμA(マイクロアンペア)の小さな電流が流れる場合には発熱の問題は無視できますが、大きな電流(100mA以上)が流れる場合には無視できなくなります。 銅導体の温度が85℃に上昇すると、絶縁材料自体が黄変し始め、電流が流れ続け、最終的に銅導体が溶断することに注意してください。 特に多層基板の内層の銅導体は熱伝導率の悪い樹脂で囲まれており、放熱が難しく、必然的に温度上昇が発生するため、銅導体の線幅設計には特に注意が必要です。導体。 実際、PCB レイアウトを設計する際、トレース幅は主に発熱と放熱環境によって決まります。 銅導体の断面積は配線抵抗を決定し（デジタル回路の配線抵抗によって引き起こされる信号損失は無視できます）、銅導体と絶縁基板の熱伝導率は温度上昇に影響を与えます。電流容量を決定します。 たとえば、銅導体の断面積は一定です。 許容電流値が2A、温度上昇値が10℃未満の場合、線幅は35μm銅箔で2mm、70μm銅箔で1mmに設計してください。 。 銅導体の断面積、許容電流、温度上昇値が一定の場合、銅箔の厚さを厚くするか銅箔の線幅を大きくするという2つの側面から放熱要件を満たすことができると結論付けることができます。銅導体。

2. 回路の熱解析

回路熱解析は 3 つのステップに分かれています。最初にコンポーネントで発生する熱を推定し、次に PCB またはヒートシンクから放出される熱を推定し、最後にコンポーネントが動作する周囲温度を推定します。 PCB またはヒートシンクは、対流、伝導、または放射によってコンポーネントの熱を放散します。 伝導熱放散は主に、パワーデバイスチップの金属リードフレームとPCB上の銅箔の熱伝導によって行われます。 PCB 銅箔またはディスクリート ヒート シンクが熱を伝導すると、空気中に熱を放散する対流熱放散に十分な表面積が提供されます。

対流熱の放散にもいくつかの困難があります。 高温では熱抵抗が増加します。 このため、熱抵抗は熱解析パラメータとして使用されます。 ジャンクションから外部までの熱抵抗 Rja が部品データに指定されている場合、その値は部品がヒートシンクに接続されていない場合、または PCB にはんだ付けされていない場合の温度上昇を示します。 熱設計における重要な熱抵抗は、チップから PCB までの熱抵抗 Rjb とチップからパッケージ表面までの熱抵抗 Rjc です。 Rja は、片面 PCB 用と多層 PCB 用の 2 つの JEDEC 標準 PCB で測定できます。 Rjb および Rjc 仕様があれば、コンポーネントの実際の温度上昇を推定できます。 Rja を測定するときは、PCB 上に他のチップはありません。 コンポーネントの周囲に電源やその他の熱放散チップがあり、スペースが限られたファンレスのプラスチックケース内に PCB がある場合、実際の温度上昇は Rja 測定値よりも高くなります。 この値は、ほとんどのコンポーネントのプラスチック パッケージの上面が熱をほとんど伝えないためです。 エポキシ樹脂の熱伝導率は 0.6 ～ 1W/(m・K) (ワット/メートル・ケルビン) ですが、銅の熱伝導率は 400W/(m・K) です。 したがって、銅の熱伝導率はプラスチックの熱伝導率の 400 ～ 600 倍です。

熱解析の最後のステップは周囲温度を推定することですが、これは重要です。 たとえば、実験室の気温が 25 ℃で、ベンチ上のチップが 50 ℃で動作しているとします。これらのチップを周囲温度 50 ℃に置くと、チップの温度は 75 ℃に達します。 、周囲温度ステップの推定では、コンポーネントが動作する可能性のある環境条件を判断できない場合があります。

プリント基板の熱消費電力を分析する場合、一般的に次のような観点から分析されます。

(1) 消費電力、つまりプリント基板の単位面積当たりの消費電力とプリント基板上の消費電力。

(2) PCB の構造、つまり PCB のサイズと材質。

(3) 基板の取り付け方法（縦置き、横置きなど）、封止状態、筐体からの距離。

(4) 熱放射、つまり PCB 表面の放射率、PCB と隣接する表面との温度差、およびそれらの絶対温度。

(5) 熱伝導、つまりラジエーターやその他の取り付け構造部品の伝導。

(6) 熱対流、すなわち自然対流と強制冷却対流。

上記の要因を分析することは、PCB 温度上昇を解決する効果的な方法です。 多くの場合、製品やシステムでは、これらの要素は相互に関連し、依存しています。 ほとんどの要因は実際の状況に応じて分析する必要があります。 特定の実際の状況に対してのみ、温度上昇や消費電力などのパラメータを正しく計算または推定できます。

3. PCB の熱設計の基本要件

PCB を設計するとき、特に表面実装 PCB 設計の場合は、材料の熱膨張係数の一致の問題を最初に考慮する必要があります。 コンポーネントのパッケージ基板には、リジッド有機パッケージ基板、フレキシブル有機パッケージ基板、セラミックパッケージ基板の 3 種類があります。 基板は、成形技術、成形セラミック技術、積層セラミック技術、積層プラスチックの 4 つの方法でパッケージ化されます。 基板に使用される材料は主に高温エポキシ樹脂、BTレジン、ポリイミド、セラミック、耐火ガラスなどです。 これらの材料は、高温耐性があり、X 方向と Y 方向の熱膨張係数が低いです。 PCB 材料を選択する場合は、部品のパッケージ形状と基板の材質を理解し、部品のはんだ付けプロセスの温度変動範囲を考慮する必要があります。 材料の熱膨張係数の違いにより生じる熱応力に合わせて、熱膨張係数を持った基板を選択してください。 。

多くのコンポーネントはセラミックパッケージ基板を使用しており、その熱膨張係数は通常 (5 ~ 7) × 10-6 / ℃、リードレスセラミックチップキャリア LCCC の熱膨張係数は (3.5 ~ 7 ~ 8) × {{7 }} / 程度 。 一部のコンポーネント基板には、PI、BT、耐熱性エポキシなど、一部の PCB 基板と同じ材料が使用されています。 PCB の基板を選択するときは、基板の熱膨張係数がコンポーネント基板の材料の熱膨張係数にできるだけ近いことを考慮する必要があります。

PCB の導体は電流の通過により温度が上昇するため、周囲温度は 125 ℃ を超えないようにしてください (代表値は選択した基板に応じて異なります)。 コンポーネントは PCB に実装され、PCB の動作温度に影響を与える熱の一部を放出するため、PCB 材料と PCB 設計を選択する際にはこれらの要素を考慮する必要があります。 ホットスポット温度は 125 度を超えてはなりません。 PCB 基板はできるだけ厚い銅箔を選択する必要があります。 特殊な場合にはアルミベースやセラミックベースなど熱抵抗の小さい基板の選択も可能で、多層構造はプリント基板の熱設計にも貢献します。

現在広く使用されている PCB 基板は、銅被覆エポキシガラスクロス基板またはフェノール樹脂ガラスクロス基板、および少量の紙ベースの銅被覆基板です。 これらの基板は優れた電気的特性と処理特性を備えていますが、放熱性が劣っています。 高発熱部品の放熱手段としては、プリント基板の樹脂自体からの熱伝導はほとんど期待できず、部品表面から周囲の空気へ放熱することが考えられます。 しかし、エレクトロニクス製品は小型化、高密度実装、高熱実装の時代を迎えており、非常に小さな部品表面積で放熱するだけでは十分ではありません。 同時に、QFP や BGA などの表面実装コンポーネントが多数あるため、コンポーネントから発生する熱が大量に PCB に伝達されます。 したがって、熱放散を解決する最善の方法は、発熱部品と直接接触する PCB 自体の放熱能力を向上させることです。 PCB が導通または放出されます。

4. PCB の熱設計

PCB の熱設計には、電力削減、放熱、レイアウトの 3 つの対策があります。 熱の低減は熱を発生させることではありません。 熱放散は熱を伝導または放散することであり、コンポーネントには影響を与えません。 このレイアウトでは、熱が放散されない場合、熱に弱いコンポーネントをレイアウトによって分離できます。 消費量を減らすことが最も根本的な解決策です。 ディレーティングと低電力設計には 2 つの主なアプローチがありますが、それらは特定の設計と組み合わせて分析する必要があります。 部品を選択する際は、チップ抵抗器、巻線抵抗器（炭素皮膜抵抗器が少ない）、積層コンデンサ、タンタルコンデンサ（紙コンデンサが少ない）、MOS、CMOS 回路（あまり使用されていない）、チューブなど、発熱の少ない部品を使用するようにしてください。低電力コンポーネントの選択に加えて、温度補償や温度に敏感な特殊コンポーネントの制御もソリューションの 1 つです。

ディレーティングでは、消費量を削減する方法を検討する必要があります。 細いワイヤが名目上 10A の電流を流すことができると仮定します。 電流により発熱するため、マージンを増やすためにワイヤーを太くします。 名目上は 20A を通過します。 10Aの電流を流した場合、内部抵抗による熱損失が少なく発熱が少ないです。 また、ディレーティング設計により、周囲温度が上昇した場合、部品の性能が劣化する場合、マージンがあるため、性能が劣化しても要求を満たすことができます。 特定の条件下で、回路内のコンポーネントの温度が信頼性保証温度を超えた場合、温度を信頼性動作範囲まで下げるために適切な放熱対策を講じる必要があり、これが熱設計の最終目標です。

放熱は PCB の熱設計の主な内容です。 PCB の場合、熱伝導、対流、放射という 3 つの基本的な熱放散があります。 熱伝導と対流は熱放散の主な手段です。 熱を放散する一般的な方法は、ヒートシンクを使用して熱源からの熱を伝導し、空気の対流によって熱を放散することです。 輻射は空間に電磁波を利用して熱を放散するもので、放熱量が少なく、通常は放熱の補助手段として使用されます。

PCB の熱設計の目的は、システムが適切な温度で適切に動作するように、コンポーネントの温度と PCB の温度を下げるための適切な対策と方法を講じることです。 放熱を容易にする観点から、ＰＣＢは垂直に実装されることが好ましく、ＰＣＢとＰＣＢとの間の距離は、通常２ｃｍ以上である。