PCB Blog - 効率的なPCB放熱のための革新的な基板積層設計

現代電子技術の急速な発展に伴い、電子機器の性能と集積度は向上し続けており、それに伴い発熱の問題もますます顕著になっています。過度の温度は電子部品の性能と寿命に影響を与えるだけでなく、機器の故障や損傷につながる可能性さえあります。したがって、効率的な放熱はPCB放熱設計の重要な側面となっています。PCB反復構造の革新的な設計は、効率的な放熱を実現する上で重要な役割を果たし、合理的な層配置、材料選択、放熱構造設計を通じて、電子部品から効果的に熱を伝導し、電子機器の安定した動作を確保することができます。

PCB放熱の重要性

1、電子部品の性能を確保する

高温は電子部品の抵抗の増加、キャパシタンスの変更および半導体デバイスの漏出電流の増加および他の問題をもたらし、従って正常な働き性能に影響を与える。例えば、高温環境では、集積回路の命令サイクルが低下し、信号伝送の品質に影響を与える可能性があります。効率的な放熱PCB設計を通じて、電子部品の動作温度を合理的な範囲内に制御し、安定した性能を確保することができます。

2、電子デバイスの寿命を延ばす

長期間高温にさらされる電子部品は、劣化や破損が起こりやすく、電子機器の寿命を縮めます。例えば、電解コンデンサは高温になると寿命が著しく短くなるが、効率的な放熱を実現するためにプリント基板の反復を最適化することで、電子部品の動作温度を下げ、老化速度を遅らせ、電子機器全体の寿命を延ばすことができる。

3、電子機器の信頼性向上

過熱は、はんだ接合部のひび割れ、回路基板の変形、電子部品の絶縁材料の劣化につながり、電子機器の故障リスクを高めます。信頼性の高いPCB反復設計は、効果的に熱を放散し、過熱による故障の確率を減らし、電子機器の信頼性と安定性を向上させることができます。

従来のPCB放熱方法と限界

1、ヒートシンクとファン

ヒートシンクは一般的な放熱方法であり、ヒートシンクと発熱部品を密着させることで熱をヒートシンクに伝導させ、ヒートシンクの大きな表面積を通じて熱を空気中に放出させます。一方、ファンは空気の流れを加速させることで、ヒートシンクの放熱効率を向上させる。しかし、ヒートシンクとファンで一定のスペースを占有するため、スペースの限られた電子機器に搭載するには限界がある。また、ファンには騒音や信頼性の問題があり、長期間の運転では故障する可能性がある。

2、熱伝導性材料の充填

PCBとヒートシンク間の層間隙間やPCB内部に熱伝導性シリコーン、熱伝導性スペーサーなどの熱伝導性材料を充填することで、熱伝導効率を向上させることができる。

しかし、熱伝導性材料の熱伝導率には限界があり、長期使用中に経年劣化や乾燥などの問題が発生し、放熱効果に影響を与えることがある。さらに、熱伝導性材料の充填には一定の工程要件も必要で、製造コストが上昇し、製造が困難になる。

3、PCB銅箔の厚みを増やす

PCBの導電層の銅箔の厚みを増すことで、配線の通電容量を増やし、抵抗を減らすことができるため、発熱を抑えることができる。同時に、銅箔を厚くすることで放熱性も向上し、熱を素早く逃がすことができる。しかし、銅箔の厚みを増すと、プリント基板のコストと重量が増加し、高周波のアプリケーションシナリオによっては、銅箔の厚みによって信号伝送の品質に影響が出ることもあります。

効率的な放熱PCBスタッキングのための主要技術

1、合理的なレイヤーレイアウト

(1)、パワー層とグランド層の最適設計

低インピーダンスの電源回路を形成し、電源ノイズと発熱を低減するために、電源層とグランド層を隣接した層として設計する。同時に、パワー層とグランド層の形状や面積を合理的に計画し、電流がプリント基板全体に均等に流れるようにして、局所的な過熱を避ける。例えば、大電力回路では、大面積の電源層やグランド層を使用し、要所にオーバーホールを設けることで放熱性を向上させることができる。

(2)、信号層の分離と放熱

高速信号層と低速信号層、アナログ信号層とデジタル信号層を異なる層に配置し、グランド層を絶縁に使用することで、信号間の干渉や発熱を抑えることができます。同時に、信号層に放熱孔を合理的に配置すれば、熱は信号層から放熱層または外部環境に伝導される。例えば、高速デジタル回路の設計では、多層プリント基板を使用することができ、高速信号層は、外部干渉を低減し、放熱性能を向上させるために、電源層とグランド層に近い内層に配置されます。

(3)、放熱層の追加と設計

メタルコア基板や放熱銅箔など、特殊な放熱層をPCBに追加する。放熱層は発熱部品の熱を外部環境に直接伝導し、放熱効率を向上させることができる。例えば、アルミベースPCBや銅ベースPCBを使用する場合、金属基板をヒートシンクとして使用し、絶縁層で導電層と分離することで効率的な放熱を実現します。同時に、放熱層に放熱フィンや放熱ホールを設計することで、放熱性能をさらに向上させることができます。

2、高熱伝導材料の応用

(1)、絶縁材料の選定

セラミック基板、熱伝導性シリコーンなど、熱伝導率の高い絶縁材料を選択することで、PCB層間の熱抵抗を低減し、熱伝導効率を向上させることができます。

例えば、セラミック基板は熱伝導性と絶縁性に優れ、大電力電子部品の設置や放熱に利用できる。同時に、PCBとヒートシンクの層間隙間やPCB内部に熱伝導性シリコーンを充填することで、熱伝導効率を向上させることができる。

(2)、導電性材料の最適化

銅、アルミニウムなど熱伝導性の高い導電材料を採用し、導電層の厚さや形状を最適化することで、電線の放熱性能を向上させる。例えば、導電層として厚い銅箔や銅帯を使用することで、抵抗や発熱を抑えることができる。同時に、導電層に放熱孔や放熱スロットを設計することで、放熱面積を増やし、放熱効率を向上させることができる。

(3)、パーフォレーションの設計と材料の選択

穿孔の設計を最適化し、銅錫メッキなどの熱伝導率の高い穿孔材料を使用し、穿孔の直径と間隔を合理的に制御して、穿孔の放熱性能を向上させる。同時に、熱伝導性シリコンなどの熱伝導性材料をパーフォレーションに充填することで、熱伝導効率をさらに向上させることができます。例えば、大電力電子部品のピンには複数のビアを並列に使用し、放熱経路を増やし、ビアの熱抵抗を低減します。

3、放熱構造の革新的設計

(1)、マイクロチャネル放熱構造

PCB内のマイクロチャネル放熱構造の設計は、PCB内部の小さなチャネルの処理を通じて、冷却媒体（水、空気など）がチャネル、熱を離れて流れることができるように。例えば、PCBと一体化したマイクロチャンネルヒートシンクの設計を利用し、マイクロチャンネルヒートシンクをPCBに直接取り付け、冷却媒体をポンプやファンで駆動してマイクロチャンネル内を流すことで、効率的な放熱を実現します。

(2)、ヒートパイプ冷却技術

ヒートパイプの効率的な熱伝導性を利用し、ヒートパイプをPCBと一体化することで、熱の迅速な伝導と拡散を実現します。ヒートパイプは、発熱部品の熱をヒートシンクなどの放熱機器に速やかに伝導し、放熱効率を向上させることができます。例えば、大電力の電子部品の下にヒートパイプ・ヒートシンクを設置し、ヒートパイプを通してヒートシンクに熱を伝導させ、ヒートシンクを通して空中に熱を放出させる。

(3)、三次元放熱構造設計

三次元放熱構造設計を採用し、プリント基板と放熱機器を三次元的に一体化し、放熱効率を向上させた。例えば、プリント基板をヒートシンクの側面や上面に取り付けることで、放熱面積を拡大し、ヒートシンクの三次元構造による放熱効果を向上させます。同時に、PCBの周囲にエアダクトやフィンを設計し、空気の流れを誘導して放熱を促進することもできます。

効率的な放熱のためのPCB放熱の反復設計は、現代の電子技術の開発における重要な要件の一つです。合理的なレイヤーレイアウト、高熱伝導性材料の応用、放熱構造の革新的な設計、インテリジェント放熱技術やその他のキーテクノロジーの応用を通じて、PCBの放熱効果を効果的に向上させ、電子デバイスの性能と信頼性を確保することができます。