電子機器の熱設計、熱対策

近年、ICT/IoTなどの電子基板を搭載する機器が増加しています。もちろん、これまで基もデバイスや家電にも基板が組み込まれています。そして現在、これらの電子基板は、半導体が高性能化し熱の発生量が増えており、熱対策がますます重要となっています。熱対策には機構設計、回路設計、ソフトウェア設計の各段階で対策を講じることができますが、ソフトウェア制御が必要な場合、性能に影響を及ぼす可能性があるため、できる限り回避する傾向があります。ハードウェア面における熱対策を考慮することは、顧客満足度を向上させる手段と言えるでしょう。 　私たちは、ハードウェア面における熱対策として、基板/回路設計の視点と機構/構造設計の視点から、熱の取り扱い方を提案させていただきます。特に、放熱を促進する設計や材料など、最新の技術動向や放熱性を最大限に活用するための断熱の要素を組み込む提案についても説明させていただきます。

1. 熱の三原則と電子機器の熱設計トレンド
   1. 熱の三原則
      • 伝導
      • 対流
      • 放射
   2. 最近の熱設計トレンド (小型電子機器)
   3. ペルチェ素子と原理
2. 回路/基板による熱設計と対策
   1. 電子回路の発熱とその仕組み
   2. 信頼性を設計する〜発熱による影響とディレーティング〜
   3. 発熱の削減技術
      1. 低抵抗化
         • デバイス選定
         • 駆動方法
         • 回路上の工夫など
      2. 低電圧化
         • FPGAやCPUなどで使われる低消費電力化技術とIOでの注意点
      3. 低速化
         • クロック制御 (ソフトウェア制御) による熱マネージメント
   4. 半導体の放熱設計〜放熱と熱抵抗〜
      1. 半導体素子の熱設計、熱抵抗と放熱経路の基本
      2. 実際の機器での放熱
         1. 放熱器 (ディスクリート素子)
         2. 放熱パッド
         3. ヒートスプレッダ
3. 回路 不具合事例
   1. 電源回路素子発熱に伴う周辺部品温度上昇
      • 輻射熱による温度上昇に起因する不具合
   2. MOS FET電源ON/OFF回路における電源電圧変動によるON抵抗の変化と制御素子の発熱
      • バッテリー (Li系) 大電流回路等での不具合
   3. 放熱パッド付面実装電源ICにおける温度上昇
      • 放熱不足:熱伝導 (伝達) 経路設計の不備による不具合
   4. 高精度アナログ回路の冷却による不具合とその対処
      • 冷却で性能が低下した?
4. 発熱 (温度) の確認、実機での計測と気を付けるべきポイント
5. 構造熱設計の勘どころ
   1. TIM (Thermal Interface Materials) の種類と特徴・使い分けのコツ
      1. 放熱 (熱伝導) シート
      2. サーマル (熱伝導) グリス/接着剤/パテ
      3. 放熱 (熱伝導) 両面テープ
      4. 相変化材料 (PCM)
   2. TIM:ギャップフィラーマテリアルの位置づけ
   3. 放熱材料:具体的材料
   4. 放熱部品、断熱、耐熱、遮熱
   5. 気をつけよう低温火傷
   6. 放熱検討部位とそのポイント (適切な使い分け)
6. 熱構造設計に起因する不具合事例
   1. 熱対策は設計初期からか、不具合がわかってからか
   2. グラファイトシートの使い方間違い
7. 熱シミュレーション (CAE)
   1. 熱抵抗 (計算)
   2. シミュレーションのコツと解析結果の考察方法
      1. 簡易熱CAE (熱分布)
      2. パワーモジュール熱CAE
8. まとめ
• 質疑応答