熱解析ができない環境での簡易的な放熱評価法
―現場で“感覚”に頼らないためのチェックポイント―
はじめに
プリント基板の設計において、「熱解析をしたいけれどツールがない」「シミュレーション環境を整えるコストが高い」という悩みは少なくありません。
特に中小規模の設計・製造現場では、実機評価や経験値に頼った放熱判断が主流になりがちです。
しかし、定量的な“簡易放熱評価”を行うことで、過剰設計や熱不良のリスクを減らすことが可能です。
本記事では、CAE環境がなくても実践できる放熱評価の考え方と手法を紹介します。
1. 放熱評価の基本指標
まず、簡易評価の前に把握しておくべき3つの物理量があります。
| 指標 | 単位 | 意味 |
|---|---|---|
| 熱抵抗（Rθ） | ℃/W | 熱の流れにくさを表す。値が小さいほど放熱しやすい。 |
| 熱伝導率（λ） | W/m·K | 材料そのものの熱の伝わりやすさ。 |
| 温度上昇（ΔT） | ℃ | 実測や推定で求める温度上昇量。 |
これらをもとに「どこがボトルネックになっているか」を推定していきます。
2. 熱解析なしでできる放熱性能の見積もり
（1）電力損失からの発熱量を概算する
発熱源（ICやパワー素子）の消費電力P（W）を把握し、単純に
発熱量 Q ≒ 消費電力 P
とします。
例）IC1個あたり2W発熱 → 5個で10Wの発熱。
（2）部品表面温度の実測
実際に製品を稼働させ、赤外線温度計やサーモグラフィで表面温度を測定します。
このとき、周囲温度との差（ΔT）を取ることで放熱効率を比較可能です。
例）周囲温度25℃、部品表面温度70℃ → ΔT＝45℃
同条件で基板構造を変えた際にΔTが下がれば、放熱効果があると判断できます。
（3）銅面積・スルーホール密度での比較
以下の要素を定量的に比較するだけでも有効です。
| 項目 | 評価方法 | 放熱への影響 |
|---|---|---|
| 銅箔面積 | CADデータ上での面積比 | 面積が広いほど熱拡散◎ |
| スルーホール数 | 熱拡散パスの確保 | 多いほど上下層へ熱伝導◎ |
| 絶縁層厚み | メーカー仕様表で確認 | 厚いほど熱抵抗が増大△ |
| ベース材質 | FR-4 / アルミ / 銅ベース | 熱伝導率が高いほど◎ |
これらを表でまとめると、定性的な比較が定量的評価に近づきます。
3. Excelでできる簡易モデル化（例）
例えば次の式で、基板の温度上昇を見積もる簡易モデルを作成できます。
ΔT = Q × Rθ_total
Rθ_total は基板の構造で以下のように近似します：
Rθ_total ≒ t / (λ × A)
（t：厚み[m]、λ：熱伝導率[W/m·K]、A：銅面積[m²]）
Excelで以下のような計算をすれば十分比較可能です。
| 材質 | λ(W/m·K) | t(mm) | A(cm²) | ΔT(10W換算) |
|---|---|---|---|---|
| FR-4 | 0.3 | 1.6 | 25 | 約53℃ |
| アルミ | 200 | 1.6 | 25 | 約0.08℃ |
| 銅 | 385 | 1.6 | 25 | 約0.04℃ |
もちろん、これは理論値ですが「材料と面積でこれだけ差が出る」という目安になります。
4. 実機での簡易放熱テスト手法
| テスト方法 | 準備 | 判断基準 |
|---|---|---|
| サーモグラフィ比較 | 2種基板を並列動作 | 温度分布の均一化を確認 |
| 赤外線温度計 | 部品ごと | ΔTが10℃以上なら対策検討 |
| 熱電対測定 | 局所箇所 | 熱源と放熱パスの温度差確認 |
| ファン有無比較 | 冷却風導入前後 | ΔT差5℃以上なら風路効果あり |
5. 放熱改善の優先順位（現場ベース）
- 銅箔面積を増やす（特にGND面）
- スルーホールで熱を下層へ逃がす
- アルミ・銅ベース基板を採用する
- 放熱パッド・サーマルビアの追加
- 放熱グリスやヒートシンクで外部放熱
まとめ
熱解析ツールがなくても、
- 電力損失の把握
- 温度測定（ΔT比較）
- 銅面積・材質・構造の見える化
といった手軽な定量判断で十分に放熱性能を評価できます。
重要なのは、「感覚」ではなく数値で比較できる仕組みを持つこと。
こうした小さな工夫の積み重ねが、最終的な品質と信頼性を大きく左右します。
