基板に実装した部品の温度上昇計算

質問

以前にも熱計算の方法について質問させていただきましたが
現在4層基板に実装した部品(レギュレータ)の温度上昇について計算しています。

使用している部品の接合部-周囲雰囲気間熱抵抗は125℃/Wで
実際は0.5Wで使用しているため、部品の温度は62.5℃となります。

この部品を基盤に実装して部品自体の温度上昇を20～30℃にしたいのですが
その計算方法がわからない状態です。
基板へ32.5～42.5℃放熱できればいいということなのですが・・・

とりあえず
・部品の消費電力
・部品の熱抵抗
・部品の表面積、断面積
・基板の熱抵抗
・基板の実装面積
・基板の熱伝導率

がわかればいいと思うのですが、今悩んでいるのは基板の熱抵抗です。
4層基板ですので、銅箔×4＋ガラスエポキシ×3＋レジストで構成されているとすれば
これらの熱抵抗の合計が基板の熱抵抗ということでいいのでしょうか？

回答No.4

KEN_2 · ベストアンサー

ANo.1,3 です。
中途半端な回答で失礼しました。
>ビィアホール接続で熱抵抗が加算される
>＝熱抵抗が並列に加算される
>→ビィアホールが増えるほど熱抵抗が低くなる
>という認識でよいでしょうか？
その通りです。
A面とGND層とB面の熱抵抗が並列接続となり放熱面積が増えます。
但し、ビィアホール１個辺りの熱抵抗は大きいので、複数個にして熱抵抗を下げます。
（３端子REGであれば、GND層に接続して放熱面積を稼げますね。）

>基板の熱抵抗＝A面の面積（パターン分除く）＋A面ビィアホール数＋GND層の面積（基板の断面積）＋B面ビィアホール数＋B面の面積（パターン分除く）

熱抵抗の並列接続ですので、
Ａ＝A面の面積
Ｂ＝A面ビィアホール数＋GND層の面積
Ｃ＝B面ビィアホール数＋B面の面積
で、基板の並列の合成熱抵抗となり
熱抵抗＝（Ａ＊Ｂ）/（Ａ＋Ｂ）⇒Ｄ　（Ｄ＊Ｃ）/（Ｄ＋Ｃ）・・・
と考えてください。

お礼

上記の回答で理解できました。
再度熱計算してみたいと思います。
何度もご丁寧に回答いただきありがとうございました。

回答No.3

KEN_2

補足部分に付いて回答します。
TO-252 の形状とパッド設計例の下記資料を参照ください。
パッケージ形状で熱抵抗は決定されますので、実際に使用されるレギュレータICのデータシートを参照ください。
パッケージ単独とパッド放熱時の熱抵抗と、許容PCが記載されています。

なお、放熱フィンがコレクタ電極ですので、C/D層（電源/GND層）に接続で短絡させない様に配慮して、ビィアホール数が増加するので、A/B面とのみで放熱に利用するのが問題を発生させない方法が無難です。

＜1点目＞
１）A面、B面の場合は信号のパターンが走っているのでその分は除いて面積で計算します。
２）B面の場合はスルホール接続で熱抵抗が加算されますので、4～６点程での多点で接続して熱抵抗を下げます。

＜2点目＞
１）TO252というパッケージであれば、放熱フィン⇒パッドパターンの熱伝導で熱抵抗を考えてください。
　リフロー時のパッド設計でメタルマスクの半田印刷が決定されますので、むやみにA面放熱面積は拡大できません。
２）ケース部は空気の熱抵抗で考えればいいのですが、放熱フィンの熱抵抗が充分低いので無視するか、マージン分と考えてください。
＊パターン設計CADにパッド設計ライブラリが登録されているので、最近は面付け部品で1W以下の低電力ICの熱抵抗は詳細検討しませんね。

TO-252 (MP-3Z)
http://www2.renesas.com/discrete/ja/package/pd/mp3z.html
TO-252 (MP-3Z) マウント・パッド設計例
http://www2.renesas.com/discrete/ja/package/mpd/mp3z.html

補足

早速回答頂きありがとうございます。

ビィアホール接続で熱抵抗が加算される
＝熱抵抗が並列に加算される
→ビィアホールが増えるほど熱抵抗が低くなる
という認識でよいでしょうか？

また、回答No.1の話に戻ってしまい申し訳ないのですが、2)の文章についてどのように解釈すればよいのかがわからないのですが、No.3に回答とあわせて考えると、

基板の熱抵抗＝A面の面積（パターン分除く）＋A面ビィアホール数＋GND層の面積（基板の断面積）＋B面ビィアホール数＋B面の面積（パターン分除く）

ということでいいでしょうか？

たびたび申し訳ありませんがご回答いただければと思います。

回答No.2

bogen555

基板の熱抵抗計算については，ここのp.4-12第５章「THERMAL CONSIDERATIONS」が簡潔にまとまっています．
http://focus.ti.com/lit/ml/slup230/slup230.pdf
こちらはより詳しくなっています．
http://focus.ti.com/download/trng/docs/seminar/Topic%2010%20-%20Thermal%20Design%20Consideration%20for%20Surface%20Mount%20Layouts%20.pdf
TIには"On-Line Training"もあるから受講したらどうでしょうか？
http://training.ti.com/courses/CourseDescription.asp?iCSID=57810

日本のサイトに「熱設計なんでも相談室」があります．
http://www.thermo-clinic.com/
中にはいると「プレート（基板）の温度計算式」なんてのもありますし，「オンライン質問コーナ」もあって質問できます．

お礼

参考になる資料を教えていただきありがとうございます。
英語なので、翻訳が少々苦戦しそうですが見てみたいと思います。
「熱設計なんでも相談室」なんてサイトもあったんですね。
こちらも活用させていただきます。
ご回答ありがとうございました。

回答No.1

KEN_2

基本的な熱設計の方法はご存知のようですので、勘違いされている部分のみ記載します。
１）４層基板で放熱に使える面は、部品面（Ａ面）と内装のGND層と半田層（B面）の３面で電源層はの１面は使えません。
２）またガラスエポキシ層の放熱・伝熱はあまり期待できず、Ａ面＋バィアホール数xNと内装のGND層面積とＡ面+バィアホール数xNと＋B面の伝熱・放熱で熱抵抗は決定されます。
３）部品取り付け面部分のレジストは剥離して熱接触抵抗を下げて半田ーで放熱抵抗を下げるか固定ねじで熱抵抗を下げます。
４）実装した部品(レギュレータ)の熱抵抗を加算すると全体の熱抵抗が計算できます。
＊４層基板面積あたりとバィアホールの熱抵抗率は失念していますが、パーン設計のCADには熱抵抗率ライブラリを参照可能です。
実装した部品(レギュレータ)のパッケージ形状で、熱抵抗も左右されます。最終的に15℃/Wから45℃/W程度の熱抵抗を４層基板で確保は可能です。
＊基板の表面積当たりの熱抵抗と、バィアホールの熱抵抗で設計面積が決定できます。
（datcha 様は東北の方のようでウン・ダッチャなど懐かしい思いがあります。）

補足

お返事がおそくなってしまい申し訳ありません。
補足していただきありがとうございます。
熱計算をする際疑問に思っていたことで、補足の内容とも関わってくる部分がありましたので、よろしければ教えてください。(いずれかの回答でも結構です)

＜1点目＞
２）であげていただいたA面、内層（GND）、B面の各面積ですが、内層の場合は基板の断面積で考えてしまって問題ないと思うのですが、A面、B面の場合は信号のパターンが走っているのでその分は除いて計算しなければいけないのでしょうか？

＜2点目＞
今熱計算をしているレギュレータはTO252というパッケージで、基板実装面（レギュレータ裏面）は、放熱フィン＋ケースでできています。
放熱フィン部ははんだ付けするのではんだの熱抵抗を考慮すればよいかと思いますが、ケース部は空気の熱抵抗で考えればいいのでしょうか？

とりあえずは教えていただいた内容で再チャレンジしてみようと思います！