設計目標は温度ではなく熱抵抗

初めの一歩は全熱源の熱抵抗の算出

熱設計のプロセス

電子デバイスの熱設計を考える際，最終的に問題となるのは部品の温度ですが，温度そのものを設計目標に据えても具体的な対策には結びつきません．部品温度は結果であり，その結果を決めている要素は熱抵抗です．したがって，設計における本質的な指標は熱抵抗であり，まず「目標熱抵抗」を設定することが出発点です．

熱設計に必要な条件は，許容温度，周囲温度，発熱量の3つです．これらをばらばらに考えるのではなく，1つの値としてまとめたときに得られるのが目標熱抵抗です．目標熱抵抗を定めることで，設計者は温度上昇を抑制するためにどの程度の放熱性能を備えればよいかを定量的に把握できます．

初めの一歩は全熱源の熱抵抗の算出

熱設計を開始する際には，まず発熱条件を整理し，全熱源に対して許容される熱抵抗を算出します．たとえば，周囲温度が40℃で，発熱量が10Wの立方体デバイスがあるとします．部品温度を90℃以下に抑える必要がある場合，温度上昇の許容幅は50℃です．このとき，1Wあたりに許容される温度上昇は5℃であり，目標熱抵抗は5℃/Wです．この値が設計上の基準になります．

算出した熱抵抗は，設計パラメータに変換することで形状や寸法に結びつきます．自然空冷を前提とした場合，熱伝達率をおおよそ15 W/m²Kと仮定すると，必要な表面積は0.0133 m²以上です．立方体であれば，一辺の長さは47mm以上である必要があります．このように，熱抵抗を軸とすることで，性能要件から具体的な寸法条件を導けるのです．

設計プロセス

1. 目標熱抵抗の算出：許容温度，周囲温度，発熱量から導く
2. 設計パラメータへの変換：表面積$S$や熱伝達率$h$を設定する
3. 物理パラメータの決定：寸法や形状を定義する
4. 検証：計算値をもとに実験やシミュレーションで確認する

熱設計は複雑に見えますが，基本的な考え方は単純です．温度を直接目標とせず，熱抵抗という指標を使うことで，論理的かつ再現性のある設計が可能になります．設計者が最初に行うべきことは，対象デバイスの発熱条件を整理し，目標熱抵抗を算出することです．この作業が設計の基盤を作り，後の寸法決定や放熱部品の選定につながります．

〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

チャプタ・リスト

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．