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エンジニアに直接聞く

小型化、高効率化、EMCに続く重要課題 : 熱設計

技術トレンドの変化によって、
熱設計には逆風が吹いている

-その1-

注目ワード
  • 小型化
  • 高効率化
  • EMC
  • 熱に関する問題がクローズアップ
  • 熱設計が重要課題
  • 絶対最大定格
  • Tjmaxを超えないように設計
  • 対策は工程が量産に近くなればなるほど時間とコストがかかる
  • 初期段階から精度の高い熱設計が必須
  • 技術トレンドの変化によって
  • 熱設計環境には逆風が吹いている
  • 高機能化
  • デザイン性
  • 部品の小型化と高集積化は発熱を上げる
  • 高密度実装
  • 発熱密度
  • 消費電力
  • デザイン重視

近年電子機器の設計において、小型化、高効率化に加えてノイズ関連のEMC(電磁両立性)対応などが課題になっているが、さらに熱に関する問題がクローズアップされ、熱設計が重要課題になっている。熱は部品や機器の性能や信頼性、そして安全性に関わるので以前から重要検討事項の1つであるが、それが今注目されている理由について、ローム株式会社 システムソリューション開発本部 安武 一平 氏に聞いた。

-今回、熱設計の課題についてお伺いするのですが、最初に熱設計とは何か、なぜ必要なのかということをおさらいして、その前提のもとに話を聞いて行きたいと思います。

わかりました。基本的にはICやトランジスタなどの半導体部品を前提に話をします。半導体部品には絶対最大定格が決められており、温度に関わるものとしてジャンクション温度、つまりパッケージ内のチップの温度であるTjmaxが規定されています。当然のことながら、設計の際にはTjmaxを超えないように設計する必要があります。機器全体を考えると、半導体部品だけではなくコンデンサや抵抗などにも温度や電力損失に関わる絶対最大定格がありますので、それを超えないようにしなければなりません。

そのために熱計算をして、Tjmaxを超えるようなら熱抵抗を下げるなり放熱性能を上げるなりして、最大定格内に納めるようにします。これが熱設計です。

設計段階できちんと熱の対処をしていないと、熱に起因する問題が製品の試作段階や、場合によっては量産の手前で発覚することがあります。熱に限ったことではありませんが、対策は工程が量産に近くなればなるほど時間とコストがかかり、出荷が遅れれば機会損失にもつながる大きな問題です。最悪のケースは、市場において問題が起こり、リコールや信用問題に発展しかねないので熱設計は非常に重要です。それも初期段階から精度の高い熱設計が必須となっています。

-お話の内容はよくわかりました。ただ、これは昔からの普遍的で基本的なことではないでしょうか?なぜ、これが近年課題として浮上してきたのでしょうか?

端的に言うと、近年の機器や部品の「小型化」と「高機能化」によって発熱密度が上昇しており、従来の熱対策方法や熱計算手法では対応しきれないケースが増えているためです。

-要点はわかりましたので、少し具体的に教えてください。

最初に認識してほしいのは、「技術トレンドの変化によって、熱設計環境には逆風が吹いている」ということです。先ほど述べた機器と部品の「小型化」と「高機能化」、そして「デザイン性」も関係してきます。

-それでは、「小型化」からお願いします。

製品の小型化要求によって、実装基板、IC他、コンデンサなども同様に小型化が進んでいます。部品の小型化では、例えば従来TO-220のようなスルーホールで比較的大きなパッケージに入っていたICチップを、遥かに小さい表面実装パッケージに封入するケースは今ではめずらしくありません。

ICの小型化。同じチップをTO-220パッケージからQFNに変更

また、集積度を高める手法もあります。ICチップ1個入りのパッケージに2個のチップを入れる、もしくは2個分に該当するチップを入れることも可能です。このような部品の小型化と高集積化は発熱を上げることになります。この温度分布を示す画像は、同じ電力を消費している20×20×20mmのパッケージと10×10×10mmのパッケージの比較です。明らかに小さいパッケージの発熱が大きくなっています。また、同じサイズのパッケージでチップが1個の場合と2個の場合の違いも明らかです。

ICのパッケージ小型化による発熱の違い。小型の方が発熱が大きく集中する/同サイズのICのパッケージにチップを1個と2個入れた場合の発熱の違い。2個の方が発熱が大きく集中する

そして、このような部品が基板に高密度実装されると発熱密度がさらに上がり、また、実装面積が減ることから有効放熱範囲も減少し基板全体が高温になってしまい、発熱が小さい別の部品の温度も上昇させてしまいます。この画像はそのイメージで、発熱部品が密集すると基板全体の温度が高いことを示しています。

高密度実装により発熱密度が上昇するイメージ

-「高機能化」はどんな影響がありますか?

機器の機能を上げるためにデバイスを増やしたり、より集積規模が大きく能力の高いICが使われたり、さらに高速処理や高周波化などにより消費電力が増えて、結果的に発熱が増える傾向になります。高周波化はノイズを抑えるためにシールドが必要になりますが、シールド内は熱がこもります。そして、機能向上を理由に筐体を大きくすることはむずかしいので筐体内の密集度が上がり、筐体内温度は上昇し放熱もしにくくなります。

-「デザイン性」とは、どんなことですか?

製品の差別化や評判を上げるために、デザイン重視の製品が多くなっています。場合によってはデザインが優先し、適切な位置に吸気・排気のための穴を配置できず、筐体内の温度が上昇し問題が発生した例があります。部品はデザイン性、つまり外形の自由度の高めるために、小型や低背といった対応をしているのですが、それでもデザインが優先するケースはあります。

これら、「小型化」、「高機能化」、「デザイン性」により発熱は増え、放熱はしにくくなるといった熱設計には厳しい条件が課せられています。

(続く)

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