事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点
Excel温度分布シミュレータを用いて熱対策の7つの手法を学ぶ(333分/80頁)
- 著者・講師：国峯 尚樹(株式会社サーマルデザインラボ
- 企画編集・主催： ZEPエンジニアリング株式会社
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ご購入前にご理解いただきたいこと
- 本VODは，2021年10月8日に開催したウェビナを録画して編集した動画です．繰り返し再生，一時停止，巻き戻しが可能です．
講義の内容
あらまし
多層基板に実装された小型部品では90％以上の熱が基板を経由して逃げます．このため基板設計の良否が部品の温度に大きな影響を及ぼします．
基板設計で熱に関して注意すべき点は，①部品自身の放熱能力を高めること ②基板の放熱能力を高めること ③隣接部品からの受熱を防ぐこと の3つに集約されます．
これを確実に実行するには温度の予測が必要ですが，「熱」は感覚的に捉えられるものの，定量化が極めて難しいという特徴を持ちます．しかし，高価な熱流体解析ソフトによる基板シミュレーションソフトウェアを基板設計者が簡単に利用することはできません．そこで本セミナではExcelをベースにした温度分布シミュレータを用いて基板の熱対策を確実に実施する方法について解説します．
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| 図1 本セミナで使う基板温度分布シミュレータ(Excelソフトウェア) |
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| 図2 危険部品判断シート① 熱対策が必要な部品かどうかを見分けるグラフ | 図3 危険部品判断シート② 基板で対策が可能かどうかを見分けるグラフ |
アジェンダ
第1部「熱」の基本を押さえよう
(1)電子機器熱設計のトレンド
- 電力密度の増大と部品の小型化による影響
- 部品の放熱経路の変化
(2)「熱」によって起こる不具合
- 熱暴走
- 熱疲労と劣化
- 低温やけど
(3)基板設計に必要な伝熱基礎知識
- 熱は電気や水でイメージするとわかりやすい
- 熱伝導は固体内の温度差をなくす
- 対流は固体と空気の温度差をなくす
- 対流は熱伝導と流体移動の複合現象
- 放射は離れた固体間の温度差をなくす
- アルミ筐体より樹脂筐体が冷える！
- 色は放射に無関係
第2部 熱対策の常套手段を押さえよう
(4)電子機器の放熱経路と熱対策
- 機器の放熱経路は2つ，熱対策は3つに集約される
(5)プリント基板の熱設計の基本
- 基板の平均温度は熱流束に比例する
- 熱源分散と熱拡散が基板熱対策の基本
- 部品熱対策の難易度は「目標熱抵抗」で決まる
- 【実演】熱拡散性能を定量化する「等価熱伝導率」計算ツール
- 【実演】部品リストから危ない部品を見つけるExcelツール
- 【実演】基板で冷やせる部品と基板では冷やせない部品に分けるExcelツール
(6)放熱パターン熱設計の基本
- 部品温度を下げるための7つの方法（基板の熱対策ツリー）
- 部品と基板の熱結合強化
- 放熱パターン設計（配線幅や銅厚の効き方
- 内層の活用とサーマル・ビアの設計法
- 基板を介した部品相互影響
(7)筐体放熱とTIM（放熱材料）の使い方
- 各種TIMとその特徴，選定上の注意点
- TIMを使った放熱構造設計
(8)ヒートシンク設計法
- 自然空冷ヒートシンク設計手順
- ヒートシンクパラメータの決め方
- 最適フィン枚数の計算
第3部 Excelツールによるシミュレーション
(9)Excel温度分布シミュレータを使った演習
- Excel基板温度分布シミュレータの使用方法
- 【実演】残銅率増大による部品温度低減
- 【実演】部品レイアウトによる温度低減
- 【実演】ヒートシンクの効果，TIMの効果
(10)失敗に学ぶ「やってはいけない基板設計」
- 【演習】ヒートシンクの効果，TIMの効果
ショートセミナ
熱の基本を押さえよう
熱対策の常套手段を押さえよう
放熱パターンによる効果シミュレーションやヒートシンク設計法
受講対象
- 今後熱対策に取り組みたいと考えている回路・基板設計者
- 熱を体系的に学びたいと考えている機構設計者
- 電子機器の信頼性試験・評価を行っている技術者
- 基板の熱解析を担当しているシミュレーション技術者
あると望ましい予備知識
- Excelの使い方（初心者レベルで可）
講演の目標
- 伝熱のメカニズムについて理解できる
- 熱設計手法を体系的に学ぶことができる
- Excelを使って基板実装部品の温度を予測できる
実習に必要なパソコンとソフトウェア
- Windows7以降のwindowsパソコン（日本語OS）
- Excel2010以降のバージョン（VBAインストール済）
※温度分布シミュレータのライセンスは，受講者様がお持ちのパソコンのMACアドレスに対して発行します．
講師紹介
略歴
- 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．
主な著書
- 熱設計完全制覇，日刊工業新聞社．
- 熱設計完全入門，日刊工業新聞社．
- 電子機器の熱対策設計，日刊工業新聞社．
- 電子機器の熱流体解析入門，日刊工業新聞社．
- トコトンやさしい熱設計の本，日刊工業新聞社．
- 熱設計と数値シミュレーション，オーム社．
- 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．