大電力素子の放熱術

TIM経由筐体と冷媒伝搬・空冷

大電力素子の熱管理の基本

大電力デバイスは発熱量が大きいため，単体での放熱だけでは温度管理が困難です．目標熱抵抗が1K/W以下の部品では，ヒートシンクやファンを組み合わせて熱を効率的に外部に逃がす必要があります．TIMを介して部品と筐体を接触させることで，伝熱面積を広げ，直接空気や冷媒に熱を伝えることが可能です．筐体伝導は，スマホや車載機器，基地局などで主流の冷却手法です．

TIMを用いた筐体伝導放熱

TIM（サーマル・インターフェース材料）を用いると，部品と筐体間の熱抵抗を低減できます．これにより熱は筐体全体に分散され，表面からの対流と放射によって外部に放出されます．筐体放熱型では，部品の目標熱抵抗が2～5K/W程度の大電力素子に適しています．基板上だけで冷却が困難な場合に，筐体経由で効率的に熱を運ぶ手段として有効です．

冷媒輸送による遠隔放熱

電子機器の冷却方式は，固体伝導型と冷媒輸送型に大別されます．冷媒輸送型では，水や空気などの流体に熱を載せて機器外部に運びます．ヒートパイプや水冷システムは，熱源から離れた場所に設置された冷却器まで熱を輸送する役割を果たします．最終的には空気に熱を放出することで，効率的な全体冷却が可能です．

空冷機器と通風設計

空冷型機器では，ファンを用いた強制対流や通風路の設計が重要です．電子機器内部の熱源から空気に熱を移動させ，外部に放出する流れを確保することで，部品温度の上昇を抑制できます．ファンレス密閉型機器では，筐体伝導と自然対流による熱拡散が中心になります．設計段階で熱経路を把握し，TIMやヒートシンクの配置を検討することが効率的な放熱の鍵です．

1. TIMを使用して部品と筐体間の接触熱抵抗を低減する
2. ヒートシンクを設置して表面積を増やす
3. ファンや強制対流を組み合わせて空気への放熱効率を向上させる
4. 水冷システムやヒートパイプで遠隔冷却を行う
5. 筐体全体を利用して熱を分散させる

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1977年 早稲田大学理工学部 機械工学科卒
• 1977年 沖電気工業に入社．電子交換機やミニコン，パソコン，プリンタ，FDDなどの冷却方式開発や熱設計に従事．その後，電子機器用熱解析ソフトの開発，CAD／CAM／CAEおよび統合PDMの構築などを担務
• 2007年　サーマル・デザインラボを設立．上流熱設計と熱解析の両輪による「熱問題の撲滅」を目指し，製品の熱設計，熱対策支援，プロセス改革コンサルティング，研修などを手がける．

著書

1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. 高密度実装時代の熱設計教科書，トランジスタ技術2020年8月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［KIT］ミリ波5G対応アップ：ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．