熱設計の最新動向と課題

(1)

（株）サーマルデザインラボ

国峯尚樹

[email protected]

熱設計の最新動向と課題

～深刻化する熱問題と業界で取り組むべき課題～

１ _{. 部品の小型化と基板の多層化が熱設計を変えた}

２ _{. 機器の小型化が放熱ルートを変えた}

３ _{. 部品の小型化は温度測定や熱流体解析を難しくした}

４．まとめ

(2)

１ _{. 部品の小型化と基板の多層化が}

熱設計を変えた

(3)

１．最近の電子機器は「放熱限界ぎりぎり」で戦っている

3 0.1 1 10 100 1000 0.01 0.1 1 10 100 1000 消費電力W 容積mm3 スマートフォンノートパソコンデスクトップパソコンプリンタスキャナ電話機デジタルカメラビデオカメラテレビオーディオ BD・DVDプレーヤー自然空冷限界ライン（通風口10%）モバイル系機器の領域 ※バッテリー持続時間から算出した平均 電力であり、最大電力ではありません ■機器の容積と消費電力をプロットすると越えられない「自然空冷の壁」が見える。最近の機器は限界に近い領域に集中しているノートPC/ウルトラブック小型機器にもファンを実装容積 [リットル] 消費電力（発熱量） [W] 2012年集計 20年前の機器の領域

(4)

4 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 部品の一辺の長さ(mm) 表面温度上昇（℃ ） ◆部品のみ正方形で厚みは、一辺長の1/10 放射率＝0.9 発熱量＝0.5、1、2W 周囲温度25℃ 温度均一自然対流、水平置き

２ _{. 最近の部品は自分で自分を冷やせない！}

2W 0.5W 1W 部品の大きさと温度上昇の関係 2W 0.5W 1W ◆搭載基板外形：100×100mm ４層板、各層18μm、銅箔残存率50％銅熱伝導率：370W/mK、基材0.3W/mK 基板表面放射率0.85 ◆部品-基板間接触熱抵抗 1K/(W・cm2₎ 100 100 L L/10 ε=0.9 L 破線：部品単体実線：基板実装 ■熱は表面からしか逃げられないため、部品は小型化に伴い、急激に放熱能力を失う ■最近の小型部品は、発熱量に対して放熱能力（表面積）が不足している ■部品は基板や筐体の表面積を借りて放熱し、冷却が成り立っている

(5)

３．小型部品は基板放熱の熱特性に左右される

5 ■小型部品では基板への放熱が大きいため、面方向の等価熱伝導率を増大させると温度が下がる。逆に大型部品は基板への放熱量の割合が小さいため、基板の放熱性能の影響は比較的少ない。⇒基板放熱に関しては、JPCA規格を制定（付録参照） 50 50 発熱量＝1W 部品-基板間熱抵抗＝0℃/W 基板板厚=1.5mm 各部放射率＝0.8 周囲温度25℃ 自然対流、垂直置き ★小さい部品は「基板放熱」、大きい部品は「表面放熱」 3.5×3.5 ×0.8mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 基板の面方向等価熱伝導率 W/(mK) ガラエポ 0.35W/mK 温度上昇 ℃ 50×50mmの基板での試算大型部品27×27㎜3W 小型部品3.5×3.5㎜1W チップ抵抗のサイズと基板への伝導割合 ※KOA(株)様ご提供対流/放射 伝導大きい部品は基板の影響が少ない小さい部品は基板の放熱能力で温度が大きく変わる

(6)

40 50 60 70 80 90 100 110 120 0 20 40 60 80 ■基板の等価熱伝導率が大きくなるほど部品温度は均一化され、ほとんど発熱のない部品も温度が上昇する。 ■基板は高発熱部品には放熱板として、低発熱部品にはヒータとして作用する。 ■このため、高熱伝導基板では耐熱温度の異なる部品を近接して同一基板に実装すべきではない。基板の等価熱伝導率（W/mK）部品の温度上昇（ ℃ ） 0.8W 0.05W 最高部品温度最低部品温度等価熱伝導率=0.8 等価熱伝導率=60 等価熱伝導率=30 等価熱伝導率=10

４．高熱伝導基板では部品間の熱カップリングが大きい

6

(7)

7 ■昔の部品表面積が大きく90％以上の熱が表面から空気に逃げる

５ _{.基板放熱が大きい部品は「周囲温度」で規定できない}

Tc Ta Tb 隣接部品には空気経由で熱が伝わる周囲空気温度が低ければ安心

Tc >

Ta

＞

_Tb

■今の部品表面積が小さく90％以上の熱が基板に逃げる Tb

Tc >

Tb

＞

_Ta

隣接部品には基板経由で熱が伝わる周囲温度が低くても部品は熱くなる Ta ■大半の熱が表面から空気に逃げていた時代は、部品間の熱移動は空気経由であった ⇒ 部品の温度は空気温度を管理すればよかった（周囲温度による定格温度定義） ■大半の熱が基板に逃げるようになると、空気温度と部品温度の関係が薄れ管理不能 ⇒ 部品の温度は、端子、ケース、基板などの固体温度で管理すべき状況にある発熱の大きい部品熱に弱い部品熱に弱い部品発熱の大きい部品

(8)

※基板サイズ50×50×1mm、部品サイズ10×10×1mm、高発熱部品1W、低発熱部品0.1W 低熱伝導基板等価熱伝導率0.4W/mK 高熱伝導基板等価熱伝導率63W/mK、風上に高温部品を置くと高発熱部品153℃ 低発熱部品62.5℃ 風下に高温部品を置くと高発熱部品153℃ 低発熱部品39.7℃ 周囲35℃

６. 高熱伝導基板と低熱伝導基板の設計方法は異なる

8 高発熱部品低発熱部品低熱伝導基板風上に高温部品を置くと高発熱部品53.8℃ 低発熱部品49.8℃ 風下に高温部品を置くと高発熱部品53.8℃ 低発熱部品49.4℃ 高熱伝導基板 ■低熱伝導基板では空気に熱が逃げるため風上風下の配置で部品の温度が大きく変わる ■高熱伝導基板では基板を経由して熱が伝わるため、風上風下の配置の影響は受けにくい

(9)

9 ジャンクション温度Tj （Junction Temp）ケース温度Tc （Case Temp) 部品周囲温度Ta (Local Ambient） Tj Tc Ta 部品

７．基板放熱が主体の部品ではθjcの使用は不適切

T∞ 機器周囲温度T∞ (Room Ambient） θ_JC θ_CA θ_JA ■パッケージ熱抵抗θ_JCは部品の熱が上面から放熱する場合に有効である。大半の熱が基板側から逃げる場合に、θ_JCを用いて下式でTjを計算すると誤差が大きいＴj＝Ｔ_c＋θ_Jc×Ｗ・・・ Tjを高めに予測してしまう ■もちろん周囲温度Ｔaから下式でTjを予測するのは論外であるＴj＝Ｔ_a＋θ_ja×Ｗ・・・Tｊを低めに予測すること多いＴ_aが場所によって異なること、θ_jaが基板の放熱性能によって異なるためである筺体の熱抵抗筐体 ★_{TaはT∞よりも} 高く、測定場所で変わる ★_{Tcは測定誤差} を生じる ★θjc、θjaは使用条件が限定される

(10)

JEDEC基板実装での測定 ψjt

JEDEC：Joint Electron Device Engineering Council（EIA下部組織、半導体部品業界標準化団体）

■従来より_θjc（_{Rjc、Rth-jcなどとも表記される）が半導体の熱抵抗を表すものとして利用} されているが、発熱を全て上面側から放熱させて測定するため、実装環境と異なる。このため、Ｔj=Ｔc＋θjc×Ｗとして測定温度ＴcからＴjを予測すると誤差が出る ■そこで、JEDECで基板実装時の熱抵抗測定方法としてΨjtが制定されている。従来のθjc測定熱流水冷ジャケット θ_JC ジャンクション温度Tj ケース温度Tc 周囲空気温度Ta Tj Tc Ta Ψjｔ Ψta θja (θjma) θjc θca W1 W2 発熱W W1=W、 W2≒0なので θjc=(Tj-Tc)/W が成り立つ W1 W2 発熱W 基板実装では_{W1＜W2なので} θjc=(Tj-Tc)/W1 でなければならない W1＝W とすると温度を高く見積る Tc

８．θｊｃを使うと誤差が出る理由

10 水冷ジャケットを用いずに測る

(11)

(12)

１.電子機器は伝導・対流・放射・換気で放熱する

部品パッケージリード

基板

部品表面

対流・放射

部品内部

伝導

通風孔

からの

換気

（物体移動による熱移動）

筐体表面の

対流・放射

伝導

内部空気

から筐体

への

対流

機器内部で発生した熱は、伝導・対流・放射・換気（物体の移動による熱輸送）により、様々な経路を経て最終的にはすべて外気に放出される。 ★発生した熱は消せない、移動しかできない 12

(13)

２. 主たる放熱ルートは２つに分かれる

13 換気対流対流対流放射伝導伝導熱源（チップ）部品表面内部空気外気Ｔ_ｊＴ_c Ｔa _Ｔ ∞ Ｔ_s 筐体基板伝導風速増大表面積拡大部品内部熱伝導増大部品の熱を基板や筐体に伝導換気量増大高熱伝導率素材の使用筐体外表面放射率増大放射伝導 ■発熱が大きく通風可能な筺体は、換気のベルトコンベアに熱を載せて運ぶ ■密閉ファンレス機器では部品の熱を熱伝導のリレーで固体間を移動させ放熱する電子機器の放熱は大別すると２種類である熱伝導リレー換気ベルトコンベア筐体内面/部品表面の放射率増大筐体表面積拡大

(14)

３．自由空間比率が小さいと空気の流動は期待できない

0 10 20 30 40 発熱量が大きく自由空間比率が高いものは空冷（ヒートシンク＋ファン）発熱量が小さく自由空間がないものは伝導（接触＋熱拡散） 60 密閉熱拡散スマホ/携帯自然空冷通風/密閉大型ファン空冷 20 40 80 発熱量（ W) 自由空間比率（％）サーバータッチPAD ノートPC 放熱シートグラファイト放熱シート Mg合金ヒートパイプファンヒートシンクブロア― 発熱量と機器の大きさ（自由空間）によって冷却方式が異なる。ハイパワーでは冷媒（空気や水）を移動させて熱を拡散する。携帯/スマホなどの小電力では熱伝導で筐体に熱拡散する。使用する冷却デバイス・材料は異なる。 14

(15)

４．密閉ファンレス機器が増加してきた

スマホ、デジカメ、ECUなどは典型的な伝導冷却機器である伝導冷却においては、 ①部品-基板間の熱抵抗低減 ②基板の熱伝導性能向上 ③接触熱抵抗低減 ④ヒートスプレッダ活用 ⑤筐体の熱伝導性能向上 ⑥筐体表面積の確保などがキーポイントとなる部品基板筐体ビアスプレッダ― TIM 内気放熱部品接触接触接触 ④ヒートスプレッダ活用筐体の面方向熱伝導性能向上 ⑤筐体の熱伝導性能向上高熱伝導、高放射率 ①部品-基板間の熱抵抗低減銅箔接合面積増加 ⑥筐体表面積の確保ヒートシンク形状の最適化 ②基板の熱伝導向上高熱伝導率材料銅箔の活用サーマルビアの設置 ③接触熱抵抗低減高熱伝導性と柔軟性 15

(16)

３ _{.部品の小型化は温度測定や}

熱流体解析を難しくした

(17)

60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 K 型熱電対 φ0 .1 アルミ K 型熱電対 φ0 .1 カプトン K 型熱電対 φ0 .3 2 アルミ K 型熱電対 φ 0. 32 カプトン T 型熱電対 φ0 .3 2 アルミ T 型熱電対 φ 0.32 カプトンサーモビュア（黒体テープ付）サーモビュア（黒体テープ無） T [℃] アルミテープはばらつきが少ないが樹脂テープではばらつき大計測された温度 ℃ 棒グラフの左右は測定グループの違い同じものを同じ方法で測っている 10×20㎜のセラミックヒータを１W 発熱させ、水平置き自然対流

１．小型部品の温度は測り方で大きく異なる

■金属テープで固定すると温度は高めに、樹脂テープだと温度は低めに計測される熱伝導率の大きい熱電対、太い熱電対を使うと温度は低めに計測される 17

(18)

２．熱電対の測定誤差を抑えるポイントは２つ

-18-■「熱電対の先端の温度を物体の温度を一致させること」素線からの放熱と先端の接触熱抵抗が誤差要因

②熱が素線から逃げないこと

・素線の放熱によって熱電対先端の温度が下がる・素線の放熱によって発熱体の温度が下がる ⇒素線は細く熱伝導率の小さいものを使用する

①熱電対先端に確実に熱が伝わること

・接触を点接触から面接触にする ⇒グリースや接着剤、ペーストの利用・熱伝導率のよいテープを使う ⇒ 金属テープの使用など

測定対象

熱電対の測定誤差を抑えるには、

18 例えば、K型φ0.1㎜熱電対を接着はんだ付けすると温度予測精度は向上する詳細は、JEITAテクニカルレポート（RCR-2114）を参照下さい

(19)

放射温度計が受ける全放射エネルギーWは、次式で表される放射率εの設定が違うと誤差が大きくなる。設定が正しくてもεが小さいと測定できない

３．放射温度計の誤差とその対策

　　

4 4

₍

₁

₎

a

T

W























ε：対象物の分光放射率、 T：対象物の絶対温度[K]、 Ta：環境温度[K] 対象物の放射対象物表面の環境反射測定対象物測定器対象物表面の環境反射対象物の放射対象物の放射率εが低いと周囲からの環境反射の影響が大きくなる対象物の絶対温度が高く、放射率も大きい場合には誤差は少ない特に温度の絶対値を重視する場合には放射率の特定が必須である以下の方法で対策する・表面を放射率の分かっている塗料やテープで覆う・放射率を測定する T Ta 19 熱湯を入れた鍋の温度をサーモで見るとまるで温度を違って表示する樹脂シール熱湯入り鍋

(20)

‐0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 正規化した温度 位置[mm] 原形 20μmレンズ 25μmレンズ 50μmレンズ 100μmレンズ

４．分解能の低い放射温度計では小さい部品の温度は測れない

ホットスポット部分のピーク温度を捉えるためには、スポットの直径の1/4～1/5の分解能を持つサーモグラフィー（またはレンズ）を使用しなければならない。温度0 温度1 赤外線サーモグラフ拡大レンズ 0.1mmφ円内 ※資料提供 KOA様例えば１６０×１２０ピクセルのサーモグラフで、１６０×１２０㎜の領域を観測した場合、１ピクセル１㎜なので４㎜程度の大きさのホットスポットしかピーク温度の検出はできない。 20

(21)

21 -100% -50% 0% 50% 100% 150% 200% 250% 300% 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 解析誤差（＋は高め）部品の表面積(mm2₎ ■部品の表面積 vs 解析誤差（例）基板が放熱の要である小型部品は解析誤差が出やすい

５．小型部品の解析精度を高めるには配線が重要

等価熱伝導率3.8W/mK 等価熱伝導率0.3W/mK （厚み方向も0.3W/mK）等価熱伝導率3.8W/mK 等価熱伝導率0.3W/mK （厚み方向も0.3W/mK）部品温度⇒105.5℃ 等価熱伝導率モデル配線パターンモデル部品温度⇒92.5℃ 部品□4㎜配線幅1㎜部品に20～30㎜程度の長さの銅パターンをつなぐことで、精度が改善される 20～30㎜ _{等価熱伝導基板}

(22)

周囲温度規定部品サイズの小型化部品のリードレス化多ピン化（BGA普及）基板の多層化残銅率増加部品の熱が空気に逃げないため周囲温度で環境を規定できない ★周囲温度による定格温度規定の限界 ⇒ 対策必要！温度測定熱流体解析熱電対の放熱が相対的に増加し、精度悪化 ★温度測定誤差が増大 ⇒測定方法規格必要！サーモグラフィの分解能の制限で精度が悪化補正方法の検討要小型部品の解析精度が悪化解析モデル基準が必要 PKG熱抵抗規定（チップ温度予測） θjcではチップ温度予測精度が悪い部品内部熱抵抗の見直し ⇒ _JEDEC規格（Ψ_JT）対応済基板の放熱性能で部品の温度が変わる基板の放熱特性の評価基準が必要 ⇒JPCA規格制定済部品表面からの放熱減少基板からの放熱増加定格温度規定実装技術トレンド放熱トレンド試験基板によって熱抵抗が異なる ⇒_{JEDEC基板の} 規格推進中

まとめ

実装技術の進展によって実情に合わなくなってしまった「定格温度規定（定義）」の見直し、重要になってきた「温度測定方法」の規格化が業界として取り組むべき優先課題である熱設計SCで推進中 JPCAで制定（付録）

(23)

参考文献

無断複写・転載を禁ず

1）平沢浩一；“チップ抵抗器高定格電力品の落とし穴”、CEATECセミナー資料2015 KOA株式会社 2)標準化専門委員会受動部品標準化WG “表面実装用固定抵抗器の負荷軽減曲線に関する考察”

一般社団法人電子情報技術産業協会，2014，JEITA RCR-2114

3) K. Hirasawa, H. Kojima, and T. Tomimura, “Proposal of Simple Measurement Method for Peak Detection Capability of Microscopic Area by Infrared Thermograph,” Transactions of The Japan

Institute of Electronics Pakaging, Vol. 8, No. 1, pp. 29-36, 2015.

4) 平沢浩一，”実装と放熱形態の変遷に合わせた表面実装抵抗器の新しい温度管理方法の提案” エレクトロニクス実装学会誌 Vol．18 No．2 2015，pp．113-117

5) KOICHI HIRASAWA, YOSHINORI ARUGA,YASUSHI OHHASHI,TOSHIO TOMIMURA ”Study on error factor in temperature measurement of resin printed circuit board by

thermocouples and its reduction medhod，”4th World Conference on Applied Sciences, Engineering & Technology，2015，pp．103-107

6) 平沢浩一，有賀善紀，大橋靖，国峯尚樹，富村寿夫“赤外線サーモグラフを用いた微小部品の温度測定に関する検証～角度依存性および空間分解能に関する考察～” pp.181-186，第_{20回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム予稿集，2014} 7)一般社団法人日本電子回路工業会 “高輝度LED用電子回路基板放熱特性試験方法ガイドライン“, 8 ）一般社団法人日本電子回路工業会 “高輝度LED用電子回路基板試験方法（JPCA-TMC-LED02T-2010)、 2015年 9）国峰尚樹編著；”電子機器の熱流体解析入門第2版”、日刊工業新聞社、2015年 10）国峰尚樹、中村篤；熱設計と数値シミュレーション、オーム社、2015年8月

(24)

12.0(30.48) 12.0 (30.48) 5.5 (13.97) 6.0 (15.24) 1.0 (2.54) 12.0(30.48) 7.75 (19.68) 3.75 (9.52) 2.25 (5.715) 0.5 (1.27) 2.0以上 (5.08) 熱電対先端 6.75 (17.145) 0.5 (1.27) 熱源試料測定用ボックス支持体水温一定（15～25℃） 100mm×100mm×厚み50mmの水冷ブロック（アルミニウムまたは銅製）サーマルグリース熱電対ブロック温度測定用流水ねじ止め試料 10mm以内熱源熱電対水温測定用

【付録】

高輝度

LED用基板の放熱特性試験規格（１）

熱伝導パラメータ測定試験装置熱伝達パラメータ測定試験装置試験用標準基板 TEGチップを用いて電気的に温度測定を行う・従来、プリント基板の放熱性能試験方法についての規格がなかったため、2010年6月にJPCA規格として基板の放熱特性試験規格を策定した。まず、LED基板を対象に規格を定めた。・規格では、面方向と厚み方向の２通りの試験を行い、熱伝導パラメータと熱伝達パラメータを算出・温度測定はTEGチップを使用し、測定誤差を抑える 24

(25)

【付録】

高輝度

LED用基板の放熱特性試験規格（２）

・試験用に作成した各種基板。樹脂（FR-4/CEM-3)、セラミック、アルミ、FPCなど11種類の基板を作成し測定した。 FR-4 セラミックアルミ熱伝導パラメータ測定試験装置熱伝達パラメータ測定試験装置 25

(26)

【付録】

高輝度

LED用基板の放熱特性試験規格（３）

回路基板は、熱伝導と熱伝達パラメータの2軸のグラフ上にマッピングされる。このマップをベースに放熱基板の等級（A,B,C)を定義した。高輝度LED用電子回路基板 IEC 62326-20 ならびに

高輝度_{LED用電子回路基板試験方法 IEC 61189-3-913 はIEC規格化済み}

0.1 1 10 1 10 100 熱伝達パラメータ(W/(m2K) 熱伝導パラメータ( W / (m K )) FPC アルミ(t1.1) FR4ビアなし t1 セラミック(t0.65) B A C CEMビアあり t1.6 CEMビアなし t1 FR4ビアありt 1.6 FR4ビアあり t1 CEMビアあり t1 CEMビアなしt1.6 FR4ビアなし t1.6 Ⅲ Ⅱ 同上 _{1 ≦} _{10 ≦} Ⅰ 高熱伝導性基板 C Ⅲ Ⅱ 同上 _{1 ≦} _＜10 Ⅰ 熱伝導性基板 B 絶縁耐電圧1000Ｖ以上のもの Ⅲ 絶縁耐電圧1000Ｖ未満のもの Ⅱ _{＜ 1} _＜10 絶縁特性が必要ないもの Ⅰ 一般基板 A 熱伝達パラメータ W/(m2_K）熱伝導パラメータ定義小分類等級 (絶縁性 ) 大分類等級 (放熱性 ) ( ( 定義 W/(mK）

IEC61189-3-913 Test Methods for electrical materials, printed boards and other interconnection

structures and assemblies- Part 3-913 Test Methods for

interconnection structures(Printed boards)- Electronic circuit board for high-brightness LEDs

①熱伝達パラメータ（W/m2_K) 0025 . 0 1   p e R h ②熱伝導パラメータ（W/mK)  _₂_.₅_₁₀5 t e R t k 計測した熱抵抗の逆数を基板片面の表面積で除す計測した熱抵抗の逆数に板厚をかけ、チップ面積で除す 26