熱対策設計

熱対策設計が必要な理由

近年、電子機器は高速化・小型化により発熱密度が増大し、それに伴い機器の温度も上昇する傾向にあります。
機器の温度が上昇すると異常動作や熱暴走がおこり、正常に動作しなかったり、最悪の場合は動作すらしないこともあります。
また、正常に動作しても温度が高いと寿命の減少につがなります。
そのため、筐体設計や基板設計を行う際に、設計初期の段階からの放熱設計が必要となってきます。

放熱設計プロセス

放熱設計を効率よく効果的に行うために、各設計段階に応じたシミュレーションを実施しています。

設計初期の段階	放熱設計指針を手計算レベルにて検討実施
大まかな基板配置が決まった段階	基板一様発熱モデルにて検討実施
部品配置がある程度決まった段階	部品搭載モデルにて検討実施必要に応じて、基板銅箔パターンの層数やパターン幅の検討も実施
試作後の段階	試作機温度測定結果を反映したモデルにて、量産設計に向けた最適化設計実施

このように、各設計段階に応じたシミュレーションを実施します。

放熱設計事例

ブロードバンド機器

温度をクリアさせるために、最適な筐体通気孔や放熱板形状の検討を行った事例です。
設計当初は市販のヒートシンクを取り付ける構想でしたが、シミュレーションの結果、IC表面温度がNGとなりファンの追加も検討されました。
しかし、製品の付加価値を高めるためにファンレス設計は必須であったため、ヒートシンク形状を種々検討しました。
その結果、一体型の放熱板によりICの熱をできるだけ横方向へ拡散させることで最終的にファンレスで仕様をクリアさせることができ、製品としての付加価値を高めることができました。

基板銅箔パターンのジュール発熱

銅箔パターンのジュール発熱を考慮した基板の設計事例です。
近年の熱問題は、基板上ICの発熱による温度上昇だけでなく、基板銅箔パターンのジュール発熱が無視できない場合が増えてきています。
そこで弊社では、大電流が流れる基板について、基板銅箔パターンのジュール発熱による温度上昇も電流値解析によりシミュレーションしています。
これにより、最適な銅箔パターンの厚みや幅、またはメタルコア基板等の検討を行っています。
大電流が流れる基板の場合は、従来の銅箔パターンをモデル化しない場合と比較すると温度分布が全く異なるため、シミュレーション精度は、従来モデルが±30％に対して、電流値解析モデルの場合は±5％に抑えることができています
現在は、さらに±1％を目指して種々取り組みを行っていますが、このように高精度のシミュレーション結果を得られることにより、試作回数削減に威力を発揮します。