PCB 設計: PCB 回路基板の熱設計スキル

電子機器の信頼性が低下し、過熱により電子機器でさえ故障します。 したがって、PCB 回路基板の熱放散を設計および処理することが非常に重要です。

プリント回路基板 (PCB) は、回路図に基づいて、回路設計者が必要とする機能を実現します。 PCB設計

外部接続のレイアウト、内部電子部品の最適レイアウト、金属配線とスルーホールの最適レイアウト、電磁保護、放熱など、さまざまな要因を考慮する必要があるレイアウト設計が含まれます。 今日はPCBの放熱設計スキルについて詳しく解説します。

PCBの温度上昇要因の分析

PCB温度上昇の直接的な原因は、回路の電力消費デバイスの存在であり、電子デバイスにはさまざまな程度の電力消費があり、熱強度は電力消費によって異なります。

PCB の温度上昇の 2 つの現象:

(1) 局所温度上昇または広域温度上昇

(2) 短時間昇温または長時間昇温

PCBの温度上昇を改善する方法は、多くの面で考慮する必要があります。 これらの要因は、製品やシステム内で相互に関連し、依存していることが多いため、実際の状況に応じて分析する必要があります。 特定の実際の状況でのみ、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。

基板冷却モード

したがって、PCB の熱消費電力の分析と設計では、一般に次の側面を使用して PCB の熱放散モードを解決し、その設計を最適化します。

1. 高発熱体＋ラジエーター＋熱伝導板（チューブ）

PCB 内に加熱容量の大きい (3 未満) コンポーネントがいくつかある場合は、加熱コンポーネントにラジエーターまたは伝熱管を追加できます。 温度が下がらない場合は、ファン付きのラジエーターを使用して放熱効果を高めることができます。 加熱装置が多い場合（3台以上）は、大型の放熱板（チューブ）を使用できます。 これらは、PCB ボード上の加熱デバイスの位置と高さに応じてカスタマイズされた特別なラジエーターです。または、大きなフラット パネル ラジエーターで異なる高低のコンポーネント位置を選択できます。 ヒートシールドをエレメント面全体に座屈させ、各エレメントに接触させて放熱します。 ただし、組み立ておよび溶接中のコンポーネントの一貫性が低いため、放熱効果は良好ではありません。 近年、放熱効果を向上させるために、一部の高熱コンポーネントの表面にソフト熱相変化熱伝達パッドが追加されます。

2. PCB による放熱

現在、広く使用されているPCB基板は、銅張/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であり、紙ベースの銅張基板はわずかです。

これらの基板は優れた電気特性と処理特性を備えていますが、熱放散が不十分です。 高発熱素子の放熱方法としては、PCB自体の樹脂からの熱伝達はほとんど期待できず、素子表面から周辺空気への放熱が期待できます。 しかし、電子製品は部品の小型化、高密度実装、高発熱アセンブリの時代に突入し、

表面積が非常に小さいコンポーネントの表面だけに頼って放熱を行うだけでは十分ではありません。 同時に、QFP や BGA などの表面実装部品が多用されているため、部品によって生成された大量の熱が PCB 基板に伝達されます。 したがって、熱放散を解決する最善の方法は、PCB ボードを介して伝達または分散される発熱体と直接接触する PCB 自体の熱放散能力を向上させることです。

3.放熱を実現するために合理的なPCB配線設計を採用

シート内の樹脂は熱伝導率が低く、銅箔の線と穴は熱の良導体であるため、銅箔の残存率を改善し、熱伝導率の穴を増やすことが放熱の主な手段です。 PCB の放熱能力をテストおよび評価するには、熱伝導率の異なるさまざまな材料で構成される複合材料である PCB の絶縁基板の等価熱伝導率を計算する必要があります。

4. 熱源の合理的かつ均一な分布

同一プリント基板上の部品は、発熱量と放熱量に応じて、可能な限りゾーンに配置する必要があります。 発熱量の少ない部品や耐熱性の悪い部品（小信号トランジスタ、小型集積回路、電解コンデンサなど）は冷却風の流れの上部（入口）に配置し、発熱量の多い部品は冷却風の流れの上部（入口）に配置します。 値または良好な熱抵抗 (パワートランジスタ、大規模集積回路など) を冷却空気流の下部に配置する必要があります。 PCB 上のホット スポットの集中を回避し、PCB 表面温度性能の均一性と一貫性を維持するために、PCB 上に同等の電力を持つコンポーネントを可能な限り均等に配置します。

5. 熱伝導性材料を使用して熱抵抗を減らします

高熱放散デバイスと基板間の熱抵抗は、それらが接続されたときに可能な限り減少する必要があります。 熱特性の要件をより適切に満たすために、一部の熱伝導性材料 (熱伝導性シリカゲルの層など) をチップの底面に使用することができ、デバイスの熱放散のために特定の接触領域を維持することができます。 .

6. PCB デバイスと基板間の接続

(1) デバイスのリード長を極力短くする

(2) 消費電力の大きいデバイスを選択する場合は、リード材料の熱伝導率を考慮する必要があります。 可能であれば、可能な限り最大のリード断面を選択する必要があります

(3) ピン数の多いデバイスを選択する

7. PCB ボード デバイスのパッケージ材料の選択

(1) 熱設計を検討する際は、デバイスのパッケージ記述とその熱伝導率に注意してください。

(2) 基板とデバイス パッケージ間の良好な熱伝導経路を提供することを考慮する必要があります。

(3) 熱伝導経路上で空気の仕切りを避け、その場合は熱伝導材料を充填することができます。