ちょっと、そこ！重銅 PCB サプライヤーとして、私はこれらのボード用に効果的なヒートシンクを設計することがいかに重要であるかを直接見てきました。重い銅の PCB は高電力アプリケーションで使用されることが多く、適切な熱管理を行わないとすぐに過熱して、パフォーマンスの低下やコンポーネントの故障につながる可能性があります。それでは、厚銅 PCB 用のヒートシンクを設計する方法について詳しく見ていきましょう。
熱伝達の基本を理解する
設計を開始する前に、PCB 内で熱がどのように伝達されるかを理解することが重要です。熱伝達には、伝導、対流、放射という 3 つの主な方法があります。
伝導とは、固体物質を介した熱の伝達です。重い銅の PCB では、銅は熱の優れた伝導体です。これらの PCB の厚い銅層は、高電力コンポーネントから熱を逃がすのに役立ちます。たとえば、PCB 上にパワー トランジスタがある場合、銅配線が熱を基板の他の部分に移動させる伝導経路として機能する可能性があります。
対流は、流体 (気体または液体) を介した熱の伝達です。 PCB の場合、空気が最も一般的な流体です。高温のコンポーネントの周囲の空気が加熱されると上昇し、代わりに冷たい空気が流入します。これにより自然対流が発生し、熱の放散に役立ちます。
輻射は電磁波による熱の伝達です。伝導や対流と比較すると、PCB の熱伝達において輻射が果たす役割は比較的小さいですが、それでも全体的な熱放散に寄与します。
ヒートシンク設計で考慮すべき要素
1. 熱抵抗
熱抵抗は、材料または構造が熱の流れにどれだけ耐えられるかを示す尺度です。重い銅の PCB 用のヒートシンクを設計する場合、発熱コンポーネントと周囲の環境の間の熱抵抗を最小限に抑える必要があります。これは、ヒートシンクにアルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料を使用することで実現できます。
2. 表面積
ヒートシンクの表面積が大きいほど、より多くの熱を放散できます。ヒートシンクにフィンを追加すると、表面積を増やすことができます。フィンは空気がヒートシンクと接触するための追加の領域を提供し、対流を強化します。たとえば、薄く間隔が狭いフィンを多数備えたヒートシンクは、一般に、フィンが少なく厚いフィンを備えたヒートシンクよりも熱を放散します。
3. 材料の選択
前述したように、アルミニウムと銅は熱伝導率が高いため、ヒートシンク材料としてよく選ばれています。アルミニウムは軽量で比較的安価であるため、多くの用途で一般的に選択されています。一方、銅は熱伝導率がさらに高いですが、より重く、より高価です。ヒートシンクの材料を選択するときは、コスト、重量、および性能要件のバランスを取る必要があります。
4. 取付方法
ヒートシンクを PCB に取り付ける方法も重要です。適切な取り付け方法により、発熱コンポーネントとヒートシンク間の良好な熱接触が保証されます。サーマルペーストまたはパッドを使用してコンポーネントとヒートシンクの間の隙間を埋め、熱抵抗を減らすことができます。
ヒートシンクの設計手順
ステップ 1: 熱負荷を決定する
ヒートシンク設計の最初のステップは、重い銅の PCB の熱負荷を決定することです。これには、ボード上のすべてのコンポーネントによって発生する熱量の計算が含まれます。通常、個々のコンポーネントの消費電力定格はデータシートで確認できます。すべてのコンポーネントの消費電力を合計して、総熱負荷を取得します。
ステップ 2: ヒートシンクの材質を選択する
熱負荷とコストと性能の要件に基づいて、適切なヒートシンク材料を選択してください。熱負荷が比較的低い場合は、アルミニウムが適切な選択となる可能性があります。高電力アプリケーションの場合は、銅の方が適している可能性があります。
ステップ 3: 必要な表面積を計算する
熱負荷と熱抵抗の要件を使用して、ヒートシンクの必要な表面積を計算します。この計算に役立つさまざまな公式やオンライン計算機が用意されています。フィンの表面積も考慮する必要があることに注意してください。
ステップ 4: フィンを設計する
必要な表面積がわかったら、ヒートシンクのフィンを設計します。フィンの高さ、厚さ、間隔を考慮してください。より高く、より薄く、間隔が狭いフィンは、一般的により多くの表面積を提供しますが、空気抵抗も増加し、対流に影響を与える可能性があります。表面積と空気の流れのバランスを見つける必要があります。
ステップ 5: 取り付けメカニズムを検討する
ヒートシンクを PCB に取り付けるための適切な取り付け機構を設計します。熱接触が良好で、必要に応じて簡単に取り付けおよび取り外しができることを確認してください。
重い銅の PCB に関する特別な考慮事項
重い銅の PCB には、ヒートシンクを設計する際に考慮する必要があるいくつかの独特の特性があります。これらのボードの厚い銅層は、内蔵のヒート スプレッダーとして機能します。銅層と連動して動作するようにヒートシンクを設計することで、この利点を活用できます。たとえば、銅層が最も厚い PCB の領域にヒートシンクを配置して、熱伝導を高めることができます。
また、重い銅の PCB は高電力アプリケーションで使用されることが多いため、より多くの熱が発生します。標準の PCB と比較して表面積が大きく、熱性能が優れた、より堅牢なヒートシンクを設計する必要がある場合があります。
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結論
重い銅の PCB 用のヒートシンクの設計は複雑ですが、不可欠な作業です。熱伝達の原理を理解し、関連する要素を考慮し、設計手順に従うことで、PCB の信頼性の高い動作を保証する効果的なヒートシンクを作成できます。重量銅 PCB の市場にいる場合、またはヒートシンク設計についてサポートが必要な場合は、ためらわずにお問い合わせください。当社は、お客様のあらゆる PCB ニーズをサポートし、お客様と協力して特定のアプリケーションに最適なソリューションを見つけるためにここにいます。
参考文献
- インクロペラ、FP、デウィット、DP (2002)。熱と物質移動の基礎。ワイリー。
- イスラム国マドゥスダン (1996 年)。電子機器の熱設計。 CRCプレス。