基板と熱設計

株式会社ジィーサス

2011.08.25

それではどうすればいいのでしょうか？この答えは残念ながら一つではなく、状況に応じて複数の答えに分かれてしまうと思います。

たとえばデスクトップPCのように比較的内部空間が大きくて構造もそれほど複雑ではなく、かつ大手CPUメーカのように熱計算用の消費電力や熱抵抗情報を開示しているのであれば、電卓による簡易計算でも割と実測に近い温度が推定できます。逆に最近の動画が撮れるデジカメやスマートフォンのように高密度で、かつ使い方によって消費電力が大きく変動し、さらにその温度変動が機器の性能に敏感に影響する場合は、簡易計算による熱設計は無理です。かといってシミュレーションソフトを使っても適当な数値を入れたのでは同じ結果になります。

結局熱設計は、温度を最初に知りたいけど、その温度を計算するには設計結果である消費電力や熱抵抗を正確に把握する必要がある、という矛盾を抱えていることになります。このため「やはりダメもとで試作しないと温度はわからない」と結論付けて、試作重視のメーカも多いと思います。でも本当に事前の熱設計は無理なのでしょうか？もちろん、私はそうは思いません。

熱設計で一番難しいのは、たぶん正確な消費電力把握です。二番目に難しいのが正確な熱抵抗把握です。毎回全く新しい装置を開発しなければならない場合は、この二つのハードルが高いものになると思います。しかし、たとえ毎回新しい装置を開発するとしても、すべての部品や構造が全く新規ということはほとんどないと思います。（毎回新人に設計させるのなら別ですが。）普通は前に使った部品をライブラリ化して次の設計に備えるはずで、そうしないと部品品質や供給性が問題となり製品品質を疑われるはずです。それは製品構造も同じで、クオリティ・コスト・デリバリーのどの面からも、一度採用した部品や構造は使い回しをするはずです。

この考えは熱設計も同じです。消費電力把握で難しいのは半導体部品だと思いますが、具体的には動作のちがい（というかソフトの違い）による入力・出力変動の平均値である温度予測が難しいのと、漏れ電流の把握が難しいためだと思います。また熱抵抗把握で難しいのは、電気部品が複数材料で構成されているため熱の流れる方向で熱抵抗が違うのと、接触部分の熱抵抗を構成するパラメータが複雑だからだと思います。

でも、これらの変動要因はそんなに変動するのでしょうか？同じ部品を毎回違う使い方をするほうがおかしいと思います。だから一度使った部品の消費電力や熱抵抗を記録しておき、それを複数記録して平均値を出しておけば、次の設計に使えないわけはないと思いますが如何でしょうか？

大事なのは熱設計と、熱設計に必要なパラメータを理解することです。部品ごとの消費電力も熱抵抗も測定するのは割と面倒なので、必要性を理解しないと部品ごとに切り分けた測定はしないと思います。逆にこの一手間の重要性を理解すれば、熱設計のフロントローディングは十分可能だと思います。


ツールの話がパラメータの話になってしまいましたが、でも最近の熱設計の核心はこの辺にあると思いますので、あえて脱線させてもらいました。最近弊社でも「知識の再利用」が流行っているのですが、熱設計も同じですね。製品設計で苦労すると、終わった直後は「二度と思い出したくない」と思ってさっさと次の設計に移りたくなりますが、私のように現役から離れると、あのころの苦労が懐かしく思えます。懐かしい思い出に花を添えるためにも、もう少し現役の時代は我慢して最後に部品の消費電力と熱抵抗（または部品温度）を記録しておきましょう！次の設計は少し楽になると思いますよ。



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