基板による放熱の限界｜どこまで基板で熱を逃がせるか

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これまでの記事で、サーマルビア、サーマルリリーフ、放熱パッドと、基板側の放熱テクニックを順番に学んできました。

でも、ここで多くの設計者がぶつかる壁があります。
「基板だけで放熱できる限界はどこなのか？」

結論を先に言います。一般的な4層基板＋外気自然空冷の条件では、1〜3W程度がメドで、5Wを超えるとヒートシンクが必須になります。これを知らずに「基板だけで頑張る」設計をすると、ICが熱保護で停止したり、寿命が激減したりします。

この記事では、基板放熱の限界を「家のエアコンと窓」のたとえで完全図解し、ヒートシンクへの切り替え判断基準まで一気に解説します。

基板放熱の正体=「銅板を風呂敷代わりに使う」

そもそも基板で熱を逃がすとは、どういう仕組みなのでしょうか。

ICで発生した熱は、放熱パッド→サーマルビア→内層・裏面のGND銅箔へと伝わります。そして最終的には、「広がった銅箔から空気へ熱が逃げる」ことで放熱が完成します。

夏場、家の中の熱を外に逃がす方法を考えてみましょう。
窓を開けるだけでも、ある程度は涼しくなります。これが基板放熱に相当します。お手軽だけど、効果には限界がある。

本格的に冷やしたいなら、エアコン（強制冷房）を使います。これがヒートシンク（場合によってはファン併用）です。コストも電力もかかるけど、ガッツリ冷やせる。

設計者の仕事は、「窓開けで足りるか、エアコンが必要か」を 数値で判断する ことです。

基板放熱の限界を語るには、熱抵抗 Rth(j-a)（ICのジャンクションから外気までの合計熱抵抗）を知る必要があります。

具体例で計算してみましょう。
Tj_max=125℃、Ta=85℃（車載環境）、Rth(j-a)=40℃/W の場合：

つまりこの条件では、1Wを超える発熱があるとICが熱保護を超えて壊れることになります。

基板放熱の効果は、銅箔（GNDプレーン）の広さに大きく依存します。広ければ広いほど熱が逃げやすい――これは直感的に正しい。

ただし、ある面積を超えると 効果が頭打ちになる という性質があります。

面積を増やしても、遠くの銅箔は熱が伝わりにくく、放熱に貢献しないためです。10〜25cm²あたりがコストパフォーマンス的な「スイートスポット」です。

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「基板放熱で何W逃がせるか」を 机上だけで正確に計算するのは不可能 です。実際の基板形状・部品配置・気流などを考慮しないと、現実とかけ離れた数値になるからです。

そこで使うのが 熱シミュレーション です。

「基板だけでは無理」と判断したとき、設計者には3つの選択肢があります。