基板と熱設計

印刷用表示 | テキストサイズ 小 | 中 | 大 |


clubZ_info_renewal.jpg

| HOME | 熱設計 | 2 | P1 |

更新日 2016-01-20 | 作成日 2007-12-03


☑基板と熱設計

2.基板と熱設計の関係

株式会社ジィーサス

2010.08.26

こんにちは。株式会社ジィーサスの藤田です。
前回は熱設計の必要性を堅苦しく書かせてもらいましたが、今回は基板と熱設計の関係について述べていきたいと思います。

基板(プリント配線板)は電気部品の接続と保護のために存在します。具体的には電気部品の端子どうしを接続して回路を形成するためと、電気部品をはんだ付け等で固い板(基板)に固定し、外力などで接続が切れたり、ショートしたりするのを防いでいます。それだけでなく製造性や品質管理の面からも基板は大変便利なため、いまではほとんどの電気部品が基板に搭載されています。

と、こんなことはClub-Zの読者なら常識だと思います。一昔前まで、基板の機能は電気部品の接続と保護だけでよかったのですが、最近は電気特性や製造性、環境問題やリサイクル問題など、いろいろ要求が厳しくなってきていますが、熱特性もその一つに入っています。
基板の熱特性と言えば、昔ははんだ付けや部品発熱に対する耐熱性がメインでしたが、いまは放熱特性まで求められる時代です。なぜかというと、製品以上に電気部品がどんどん小さくなって部品表面積が減ってしまい、放熱したくても部品単体から周囲空気へ放熱しにくくなっているからです。携帯電話の中身を見ると、基板に小さな部品が散りばめられているだけに見えませんか?液晶テレビだって、液晶と基板という板で構成されているように見えますよね?つまり製品を構成する部品の中で大きな面積を持つものは、筺体の次が基板になってきているのです。

さてここでちょっと放熱について考えてみてください。放熱とはどういうことかというと、地球上では発熱体から放出される熱を周囲空気に放散することを意味します。わざわざ「地球上」と断ったのは、宇宙には空気が無いからです。空気に熱を放散するためにはどうすればいいでしょうか?難しいことを考えずに、まず皆さんが暑い時にどうしているかを考えてください。

th_100826_1.JPG


まずは発熱体と空気がくっついてないと熱を伝えることはできません。地球上なら皆さんは空気とくっついていると思いますので、この点は大丈夫ですが、たとえば夏なのにスーツを着ていると暑いのは、皆さんが直接周りの空気に触れているのではなく、「服」という入れ物を介して間接的に空気に触れているからです。ですので、涼しくしたければ服を脱いで裸になる、つまり直接周囲空気に触れる面積を増やすことが有効です。
次に皆さんと周囲空気に温度差が無いといけません。もちろん空気の方の温度が低くないと皆さんから放熱できません。夏に暑いのは、周囲空気が皆さんの体温に限りなく近いからです。(最近は体温より気温が高いこともありますよね?)

以上は電気部品の場合も同じことが言えます。つまり電気部品の熱を周囲空気に放熱したければ、空気と直接触れる面積を大きくし、かつ部品と周囲空気の温度差を大きくすることです。

th_100826_2.JPG

さて、同じ量の熱を放熱したければ大きな部品と小さな部品のどっちが有利でしょう?当然表面積が大きいほうがいいので、大きな部品の方が有利になります。ところが部品は小さくなる一方なので、放熱が難しくなるのはしょうがないことなのです。


皮肉なことに、表面積が小さくて放熱できない部品は温度が上がるので、周りの空気との温度差は大きくなるため、もう一方の条件である「温度差が大きくないといけない」は逆に満たすことができてしまいます。しかし直径の小さなホースにいくら水圧をかけても水がチョロチョロしか流れないように、放熱面積の小さな部品にいくら温度差を大きくしても、放熱量は劇的に増えてくれません。

このように小さな部品単体だけでは表面積が小さいために放熱量が制限されてしまうのですが、電気部品は基板に搭載されるので、基板面積が有効活用されると放熱量は多くなりそうです。ということで、最近は放熱性という観点で基板が再認識されています。