何時間も手で沸騰したマグカップを持ち続けなければならないところを想像してみてください――不快で、とても長くは耐えられず、やがては手を傷つけてしまいます。では今度は、ある状況を想像してみてください。PCB高出力デバイスを駆動し、小さな筐体内でワット単位のエネルギーを発生させながら、その絶えず蓄積する熱を放散する手段がない――。電子機器が小型化し、性能が急上昇し、数も爆発的に増える中で、過熱はPCBの信頼性に対する最も重大な脅威の一つとなっています。PCBが高温になりすぎると、単に性能を発揮できなくなるだけではありません。機能を劣化させ、寿命を縮め、最悪の場合はシステム全体の完全な故障に至る「破壊の雪崩」を引き起こします。ここでは、PCBの過熱がもたらす目に見えない影響と、あらゆる電子設計において能動的な熱マネジメントが「絶対条件」である理由を掘り下げていきます。
まず、PCB の物理インターフェースを対象とします。これははんだ付けインターフェースつまり、基板の各コンポーネントと基板本体をつなぐ「生命線」のようなものです。実際のところ、PCB 上にあるあらゆる材料は、基板そのものの材料からはんだ材料、コンポーネントに至るまで、加熱されると膨張します。しかし、それぞれの膨張率は互いに大きく異なります。その結果、基板が加熱と冷却を絶えず繰り返すことで、継続的なストレスが生じます。はんだ接合部が膨張と収縮を繰り返すことで生じるひずみにより、微細なクラックや剥離、あるいははんだの完全な破断が発生します。これは特に、コンポーネントパッドが基板から剥がれ落ちる原因となるサーマルサイクリングによって悪化します。最も厄介なのは、こうした現象がたいてい目に見えない場所で起こることであり、その間も基板は文字通り「必死に体面を保っている」状態なのです。
過剰な熱は、部品劣化を加速させる隠れた要因でもある。高温状態が長時間続くと、電子部品全体の摩耗が進み、エレクトロマイグレーション（電流によって金属原子が徐々に移動し、導電経路が減少してしまう現象）や、誘電体破壊（電気回路を分離している部品内部の絶縁が破壊される現象）といった問題を引き起こし、部品寿命を縮めてしまう。高温環境で動作するよう設計された部品であっても、最終的には故障に至る。効率が低下し、動作が遅くなり、平均的な寿命に満たなくなるのである。 しかし、部品が熱暴走を起こすと、それは自己増幅的なプロセスとなる。温度上昇によってリーク電流や抵抗が増大し、その結果として部品全体の発熱がさらに増加し、数秒以内に破滅的な故障へと至る。
性能の低下も、過熱による直接的な被害のひとつです。最新のPCBには、過熱時に回路を保護するため、電源を遮断したりクロック周波数を下げたりする熱保護機構が備わっています。しかし、適切な冷却が行われていない場合、これらの保護機構ははるかに早い段階で作動してしまいます。高速なプロセッサが動作速度を半分まで落とされてしまうこともあれば、誤ったデータを吐き出し始めることもあります――これはセンサーの性能とは無関係で、PCB自体が十分に早く冷却できないことが原因です。さらに事態を悪化させるのが、いわゆるホットスポットと呼ばれる箇所で、電力消費の大きい部品を中心に、温度が不規則に蓄積する領域です。
シグナルインテグリティ極端な温度にさらされると、正確なデバイス動作に不可欠なこの機能も同様に失われる。温度はチップに影響を与え、抵抗器は公称値から変化し、コンデンサでは容量が減少し、半導体は導電性が変化する。その結果、タイミング、バイアス、および信号伝送が乱れ、データ破損や発振、さらには通信の完全な故障を引き起こす。銅配線PCB 上でデバイス同士を接続する銅配線パターンも、過度な熱負荷によって PCB から浮き上がったり剥離したりすると、このような問題が発生しやすくなり、PCB 内部に潜在的な不具合を生じさせます。これらは完全な故障に至る前にデバッグすることが非常に困難です。
問題点は？ これらの問題は、適切な設計と熱設計上の配慮によって軽減することができます。熱ビアを組み込んで重要な領域から熱を逃がす、熱伝導率の高いサーマルパッド付きのヒートシンクを使用する、発熱源が過密にならないよう最適な部品配置を行う、通気によって自然対流を追加する、銅箔面積を拡大してバランスの取れた放熱を実現する、といった方法はいずれも有効です。より過酷な条件に対しては、ハイエンドなオプションとしてセラミック基板材料または液冷ソリューションを利用できます。
しかし、その第一歩は、熱抵抗を念頭に置いたPCB設計の複雑さを巧みに乗り越えられるメーカーを選ぶことから始まります。ここで役立つのがPCBCartです。PCBCartは、高性能が求められる産業用制御アプリケーションや民生用電子機器製品などの過酷な条件に耐えうる高信頼性PCBの設計において、20年以上にわたる豊富な専門知識を誇っています。自動車用途,医療用途などがあります。PCBCart では、設計の構想段階から熱性能を最優先事項としています。私たちの経験豊富なチームは、お客様のチームと連携し、小型化や高電力密度回路、高い周囲温度での動作条件といった困難を容易に克服できるよう取り組んでいます。
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役立つリソース
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