プリント基板の放熱設計：効果的な導体パターンで製品信頼性を向上させる方法
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先に要点：放熱用の銅パターンは、幅・厚さ・広がりに加え、部品から裏面やヒートシンクまでの熱の通り道で考えます。サーマルビアやGND接続は、部品の推奨レイアウトと電気的な接続条件を確認して設計します。
プリント基板製造において、放熱はデバイスの信頼性やパフォーマンスに直結する重要な課題です。
特に、導体パターンの設計は、放熱性能に大きな影響を与えます。
今回は、プリント基板の放熱性能を最大化するために導体パターン設計におけるポイントについて解説します。
導体パターンの幅を広げる
最も基本的で効果的な方法の一つは、導体パターンの幅を広げることです。
広い導体パターンは、熱をより効率的に伝導し、基板全体に拡散させることができます。
例えば、電流が多く流れる部分や高発熱の部品に接続される導体パターンは、特に広く設計することで放熱効果を向上させることが可能です。
銅箔の厚みの選定
導体パターンを形成する銅箔の厚みも放熱性能に大きく関わります。
標準的なプリント基板では、1オンスの銅箔（約35µmの厚さ）が使用されますが、放熱を重視する場合は、2オンス（約70µm）やそれ以上の厚みを持つ銅箔を採用することが有効です。
同じ幅・長さなら、銅厚を増すと電気抵抗や熱抵抗を下げる方向に働きます。ただし銅という材料自体の熱伝導率が高くなるわけではありません。
サーマルビアの使用
サーマルビアは、プリント基板の表面から裏面、または層間に熱を伝えるためのビアです。
特に、高発熱部品のパッドから熱を逃がすために、ビアを多く設けることが効果的です。
ビアの径・本数・配置、接続先の銅面積、穴埋めやはんだの吸い込みを考慮します。温度上昇の抑制効果は部品メーカーの推奨条件と実機評価で確認します。
GND層の活用
GND（グランド）層は、通常、基板内で広く均一に配置されるため、熱を効率よく拡散させることができます。
放熱パッドなどをGNDに接続してよい部品では、推奨レイアウトに従ってGND層へ熱を逃がします。電源やスイッチングノードなど、異なる電位のパターンを放熱目的でGNDへ接続してはいけません。
GND層自体が大きなヒートスプレッダーとして機能し、基板全体の放熱性能を高めます。
ヒートスプレッダーの導入
導体パターンの一部として、広いメタルプレートやヒートスプレッダーを導入することで、特定の部品からの熱を効率的に分散させることができます。
特に、パワーデバイスやLEDのような高発熱部品の下に配置することで、熱管理が容易になります。
ヒートシンクとの接続
ヒートシンクへの熱経路を設計する際は、導体の電位とヒートシンクの接地条件を確認し、必要な電気絶縁を確保した接続方法を選びます。
ヒートシンクとの接続部分を広くすることで、熱をヒートシンクに効率的に伝達し、基板全体の温度を低く保つことができます。
シミュレーションを活用した最適化
専用の熱解析ソフトを使用することで、導体パターンの放熱性能を事前にシミュレーションすることが可能です。
このようなソフトを用いることで、設計段階で熱の流れを可視化し、問題がある箇所を特定して修正することで、最適な放熱パターンを設計できます。
これにより、熱管理の効率が向上し、製品の信頼性を高めることができます。
まとめ
導体パターンの設計は、プリント基板の放熱性能に直結する重要な要素です。
広いパターン、適切な銅の厚み、サーマルビアの導入など、放熱を効果的に行うための手法を組み合わせることで、デバイスの信頼性と性能を向上させることができます。
プリント基板設計における放熱対策は、特に高性能な電子機器の製造において欠かせない要素であり、適切な設計が求められます。
当社は、放熱基板の製造を得意としており、特に高発熱デバイス向けの基板設計において豊富な経験と実績があります。
放熱に関するお悩みやご相談がございましたら、どうぞお気軽にお問い合わせください。
発熱部品からの熱の逃がし方を相談する
部品型番、発熱量、周囲温度、許容温度、基板寸法、ヒートシンクの有無を分かる範囲でお知らせください。材料・銅厚・構造を合わせて検討します。
参考：Texas Instruments：PowerPAD Layout Guidelines
