両面より片面有利！サーマル・ビアの熱分散効果

TO252パッケージで計算してみた

片面より両面基板が有利な理由

TO252パッケージのパワー・デバイスでは，発熱が生じるとチップ周辺の温度上昇が問題になります．片面基板では，放熱パッドの面積が大きくても裏面に銅箔がないため熱は十分に拡散しません．これに対して両面基板では，表面の放熱パッドと裏面の銅箔が熱を分散する経路を形成するため，部品温度を効率的に下げられます．

サーマル・ビアの役割

サーマル・ビアは表面の放熱パッドと裏面の銅箔を接続するための小さなメッキ穴です．両面基板に配置すると，熱は厚み方向にも伝わり，内層の銅箔や裏面まで効率的に拡散されます．片面基板では裏面に銅箔がないため，サーマル・ビアの効果はほとんどありません．

小さい放熱パッドほどサーマル・ビアの効果が大きく，厚み方向の熱経路が不足する場合に顕著です．放熱パッドが大きい場合は，表面積が広いため厚み方向に自然に熱が逃げるため，ビアの寄与は相対的に小さくなります．

設計時のポイント

TO252のチップに2Wを印加した場合，片面基板では放熱パッドが6mm角程度でも温度は高くなります．両面基板にサーマル・ビアを15本配置すると，同じ条件下で温度が大幅に低下します．設計段階では以下の点を考慮します．

1. 放熱パッドの面積を部品サイズに応じて最適化する
2. 両面基板ではサーマル・ビアを適切に配置して厚み方向に熱を伝える
3. 内層銅箔やグラウンド・プレーンとの接続も考慮する
4. 放熱パッドが小さい場合，ビア数を増やすことで温度上昇を抑制する
5. 大きなパッドではビアなしでも熱拡散が可能なため，必要に応じて調整する

多層基板での応用

4層基板など多層構造では，内層のグラウンド・プレーンや銅箔が表面パッドと近接しているため，熱伝導経路が多くなります．プリプレグを薄くすることで熱がより効率的に内層に逃げ，部品温度を低く保つことが可能です．サーマル・ビアはこの熱経路を補完する重要な手段です．

両面基板にサーマル・ビアを適切に設けることで，片面基板では難しい高効率の熱分散が可能です．設計時にはパッド面積，ビア本数，内層配置のバランスを考慮して熱性能を最大化します．

〈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．