Using a PCBs as a heat sink

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0:00 Can a PCB be used as a heat sink?
1:11 JLCPCB
2:00 Outline and Specifications of a Heat Sink Printed Circuit Board
3:40 Using a three-terminal regulator as a heat source
4:14 Measurement Experiments and Results
5:32 Consider the relationship between copper foil area and temperature rise (thermal resistance)
7:55 Calculate thermal resistance of printed circuit board heat sinks
10:23 Number and location of vias and their relationship to temperature rise
13:02 What is the relationship between PCB thickness, number of layers, copper foil thickness and heat dissipation?
14:16 Thermal design is quite difficult
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[@rakkyouz]

スマホのような高密度回路での熱対策は基盤だけでなく外装も含めて回路設計されてるので、その複雑さは想像を絶するでしょうね。 電子回路を設計してる人なら常識でしょうが、一般の人から見ると今回の動画はためになると思います。

[@azuremori]

裏面をヒートシンクとして生かすなら、垂直取り付けの実験のほうが望ましいですね。空気の対流は案外無視できないものです。

[@miyabi7705]

今から20年位前の自動車ECUでは、パワーモジュール直下に多数VIAを設け、そこに半田ペースト印刷を行うことで、半田の充填と素子の放熱板の接続を合わせて行っていたね。 あとは、内層のGNDを筐体組み付け時に熱が伝わるよう、取り付け穴にGND層を露出しめっきをしていましたね。

[@tomo-hom]

放熱をやりすぎると基板に熱が良い感じに持っていかれて、実装機のはんだ実装不良率UPの原因になったり、手はんだの場合にはんだ付けに苦労した記憶があります 現場に居た10年以上前の話なので、今は改善されているのかな

[@user-kb3oc1tl8k]

アートワーク業者によっては、ハンダの不良を懸念して裏面パットのスルーホールを避けたりしますね

[@apricot_l67]

私も10年以上前に回路設計とその製品担当として仕事をしていて、よくプリント基板で放熱させていました。理由としては部品としてのヒートシンクを使用すると、基板部品実装時に手作業でヒートシンクつけてナット固定してネジ締めてという工数を減らすために、そんなことを考えていました。 あまりやり過ぎると製造時の歩留まりが悪くなるんですね…。工数減らしても意味がない。 もう、設計をすることはないと思いますが、もし戻っちゃったら製造工程もちゃんと確認することにします。

[@moontatsu]

放熱のためのビアの数をできるだけ多く、と設計をしたことがあります。 定量的な知見ではなくビアが多ければ熱抵抗は下がるはず、がよりどころでした。 結果的に熱の問題は生じませんでしたので結果オーライだったのですが、今回示していただいた実験で示していただいたように、ビアの数が多ければ効く、というわけではないことやその他の要素の影響が大きいことにとても驚きました。 いつも楽しく興味深い実験のご報告、ありがとうございます。

[@user-gk2wl8yl6m]

放熱の計算は手抜きしたくなりますね。 関係ないですが、デカいヒートシンクって格好良くて萌えます。

[@IsahayaSymphony]

基板で放熱の効率を上げる方法にはビアの数を増やしたり太さを太くする方法以外に、5mmとかの極太のスルーホールを作って穴にしてしまうという方法もありますね。この方法は発熱効率を上げる以外にもパッドをスルーホールの穴を利用して反対の面から手ハンダできるようにもなるというメリットもあります。 片面パッドと両面パッドで効率にあまり差が生まれなかったのは意外でしたね。実際の基板では部品面にベタを大きく用意することができないので裏面のベタにビアを打つことになりますが、表面1Sで裏面に10Sのパッドを用意してビアで接続した場合に表面10Sの場合と発熱に大差がないのかどうかも気になるところですね…。

[@Orikazu69384]

1980年代のラジカセを整備していると、パワーアンプのICの端または中央に太い金属端子でマイナス側のピンが出ており、その部分が放熱版も兼ねているモデルが結構あります。 LA4160はICの左端、KA2206やTA8227、LA4555などのステレオパワーアンプICでは中央が放熱ピンで、基板のパターンがそのまま放熱板を兼ねていて、その部分だけ緑の絶縁層は設けず、ハンダを厚くして熱伝導率を上げたり、片面基盤の部品面にジャンパーピンを縞模様になるように付けたり、各社工夫しながら小型化とコストダウンをしていたのが感じられます。

[@hsasakiak]

勉強になります。部品面での銅箔面積の影響が大きそうですね。ビアの効果はもう少しあるのかと思っていましたが、FR-4の熱抵抗が十分小さいということなのですね。ところで、三端子レギュレータは入出力にコンデンサを入れておいた方が良かったのでは？異常発振してしまうと発熱量の評価が難しくなってしまいます。

[@nanchan244]

銅インレイとか、メタル基板とか色々な放熱手法がありますが、生産コストが高くなるため量産で採用されるのはレアだと思っています。ビアやビア数が大きく影響しないと言うことが意外でした。パターン設計の参考になります。

[@jackal7123]

ラジエーターとシンクを区別して考えると熱設計の問題を解く鍵になります。 電子部品を劣化させる大きな要因は熱的ストレス、つまり温度変化です。冷たいまま一定温度が熱的ストレスは小さいと直感的にも解り易いでしょう。一方で動作限界を超えないなら高温でも一定温度にすると故障が低減されます。大きな温度変化とその蓄積(累積)が部材の寿命を縮めたり故障の頻度を上昇させます。 と言う訳で、ガンガン発熱するので兎に角排熱しなくてはならないならラジエーター(放熱器)が必要ですが、そこそこの発熱なら温度変化の抑制を考慮してシートシンク(蓄熱器)にする訳です。闇雲に冷やさない事も故障を防ぐ手段なんです。

[@Katz85772]

受動部品の測定の際に自己発熱の影響を取り除きたいので、裏面銅箔とビアをつけてみようかと考えていたので大変参考になりました。

[@noriotomonari206]

ベタパターンは、放熱には良いのですが、ハンダ付け性を悪化させます。バランス設計が難しかったです。レジストを外して、ハンダをもり、放熱に寄与する金属の厚みを増やす方法もあります。大電流を流すパターンと同じですね。熱源から離れたところに熱を誘導することもできます。逆に、熱を伝えたくない領域の間に、強度に影響の出ない大きさのスリットを入れたこともあります。

[@user-et7qs3bn5m]

パワーMOSの熱設計をやったことあるけど、ビアは量打っても仕方がなかった記憶。大きめのビアをMOS周囲に配置してた。TIがVIAを含めた熱回路網の作り方のレポート出してたけどもう見つからないな。。。 TOSHIBAもパワー半導体の使い方に関して色々レポートだしてて、熱設計のもあったはず。 また実際の設計ではあまり放熱面積とれないので、小さい面積で放熱する際にはサーマルビアの影響が大きい気が。

[@miner1227]

検証参考になります。熱設計は見逃しがちで後で苦労することが多いので助かります。 ICのモールドにヒートシンク貼り付けるのと、裏面ベタにヒートシンク貼り付けるのはどちらが有利になるのか、とかも気になりますね。

[@Yanto-Kun-JP]

昔ひずみゲージをプラスチックに貼ったら、めちゃ温度ドリフトして難渋したことを思い出しました。 金属は電熱放熱できるけど、プラは無理 因みに　電熱抵抗って電子の運動なので電気抵抗と同じですよね。絶縁体＝断熱材、導電体＝伝熱放熱可能

[@user-cj4om7vs2v]

いつも参考になる動画ありがとうございます。 熱抵抗が少なく、かつ 熱膨張率が低い基盤材料を 選んで基盤制作して 検証してみて欲しいですー。

[@EleWorksKW]

イチケンさんの動画をいつも楽しく拝見させて頂いております。 PCBの放熱設計では Texas InstrumentsのアプリケーションレポートJAJA653が良い資料となるので一読されると参考になるかと思います。 今回の動画の実験結果も概ねレポートの結果と一致しているようです。 また楽しい実験動画など期待しています。

[@user-hd1ug6vu4v]

素晴らしい！！

[@MrDogpapa]

十数年前のPCの基盤の電源用MOSFETが発熱して高い製品には放熱器が付いてましたが、安価な製品には付いておらず基盤を放熱器代わりにしてましたね。 ブラウン管TVの高圧電源部の辺りは発熱が厳しかった様で使用後10年位経つと基盤が焼けて黒くなって来ているのがありましたね。

[@913kikuchi]

昔はエクール基板使っていました

[@IKKAR_game]

8層基板に載っているパスコンはGNDに半田ごての熱を持って行かれて改造が難しかった経験があります

[@user-kg8jm6jf5r]

熱設計は各部品の絶対最大定格と製品仕様、生産難易度との戦いですね。個人レベルの電子工作なら全く気にしなくてもいいことも多いですが、それ以外ではユーザーの安全にかかわることもあり、かなり気を付けて設計する必要があります。放熱性を高めすぎるとフロー・リフローではんだが溶融しきれずに不良品となり手直しが発生するのでサーマルランド等の対策をしますが、そうするとこんどは放熱性が低くなったりするので、（ほかの設計にも言えることですが）ちょうどいいバランスで設計することが求められるようです。 今回の動画では1Sの基板に比べて10Sの基板に差がほとんどなかったので、熱設計の「有無」による差が分かりやすいですが、熱設計の「程度」による差は可視化されていませんでした。たとえば10S片面基板を90℃まで温度を上げるときの電力で10Sスルーホール付き両面基板がどの程度まで温度上昇するかなども見れるといいですね。

[@user-yp3fw8xb1n]

いつも勉強させてもらっております 似た話だと、近くに端子台をつけてヒートシンク代わりにする場合もあったりしますね（オサダさんの端子台とか） ビアを増やすと熱抵抗は小さくなるはずなので、熱源が弱いような気もします（定量的な計算はしてません） 実験数が別でn倍になりますが、熱源のwを変えても面白いかもしれません

[@user-nq1wr6lg3u]

表面実装部品の放熱にパターンを使用するのは一般的ですが、VIAは放熱効果よりも電流とノイズの影響を主体として意識に入れるケースが多いかも。

[@zaelael]

姿勢も良くなかったんじゃないかなぁ　裏面は対流による冷却の恩恵が少なく思う 立てたら結構差が出たり？

[@kan3841]

プレイが発煙する検討したとき、二層にして片方をGNDの網目風にして熱を逃がした事がある。

[@flaplap]

自分が試した時は銅部分はレジストなしにするのと、楕円のスルーホールを熱源から放射状に配置することで、表面積の増加と、水平置きだったので温まった空気が裏から表方向に自然対流させて、かつ基板上の他の部品に熱が伝わらないようにとやってみたことがある 事前のテストでは耐えられそうだったけど電源が不安定な本番で燃えたのでそれ以降やってないけど…

[@user-ir8dn8dw5d]

エクールとかの高熱伝導性基板に表面実装のFETやパワーICなどを含む部品を実装して裏面を放熱器や金属外装ケースに取り付けてしまうってのもアリですね

[@sakaeOOO]

電気自動車用水冷インバーターの熱抵抗も計算して比較してみて欲しいです。冷却水流量の測定も必要そうだから難しいかもしれませんが…

[@user-hs3px4hu3j]

部品直下ビアは私も試したことあります 色々アプリケーションノートも読んでましたが背面にヒートシンクつけること前提な気がしてました

[@katsumin6954]

編集中に訂正箇所に気付いてるんだろうけど よく気づきますよね。。。 第三者視点で確認する事を継続できるってほんと凄い。。

[@okatashiyoniku]

ヒートシンクを付けることにより冷却効果があることは理解できるけど。基盤に熱度伝導させて放熱できる効果ってのはどんなもんなんでしょ。熱はずっと溜まってる一方なのでは。最近の車のECUなどもみんなこういう作りなんですよねぇ。昔はレギュレータにシンクは必ず付いてた。

[@zyam72]

銅箔厚薄くても、はんだパッドを作ってはんだをモリモリにするとか、別の金属板を張り付けると、熱抵抗下がったりします。

[@MaxMax-gl3ps]

Do experement with 1S(TOP) and vias to 1S(bottom) and to 3S(Bottom) - that will be interesting.

[@user-eq5tm9nz6w]

TO252を使う場合は面積的に厳しい場合が多いし、QFPの腹下なども面積が広げられない場合が多いから１Sや３Sでビアの効果が分かる様にしてもらえるともっとよかった。

[@kot4241]

プリント基板をモーターコイルとして利用できるか、アンテナとして利用できるか、センサー、コンデンサ、etc...にできるか、も気になります！

[@user-qj6kh1zi2v]

熱伝導の経路の距離を考えると，同じ面積でも，正八角形や正十六角形，円にするとより冷却できる気がしました

[@user-rw1ql2ko4p]

温度上がらなかった物はもう少し温度上がる状態で比べたらどうなったのか気になりますね

[@MrAKIBAJIN]

裏面にパターンを作っても、輻射放熱はあまり変わらないのでしょう。裏面に伝熱されるなら、裏面にヒートシンクをつけた状態で再実験してみてはどうでしょう？。ビアの数が効いてくるのではないでしょうか？

[@さくら大福]

基盤の熱抵抗が思ったより低い感じですね

[@MrChemluthHavanna]

やっぱり最終的には自然空冷の場合、放熱の表面積が一番影響してくるよね。

[@nira8750]

面白い実験ありがとうございます　べたの先の放熱があるとなおいいのかな？

[@user-uq6wy4cs4o]

そうですね。基板のベタは熱を拡散させることは出来ると思いますが、放熱はそれほどではないと思うので、さらに熱が伝わる先があるといいと思います

[@kkosuke4152]

viaなしの両面基盤が90℃ぐらいまで上げてもviaの差はでないんですかね。

[@user-uq6wy4cs4o]

レジストの色の違いはどうでしようか?

[@mariomuramatsu3091]

おはよう。 プリント基板による放熱についての疑問がはっきりと分かりました。 どうもありがとうございます！

[@daisaku00]

昔のkimー1のようなワンボードマイコンでも電源周り(三端子れぎゅ)はこうなっていた

[@cooniang]

ＩＣパッケージ下面がサーマルパッドだったりするとハンダマスク開口部にビアを打っちゃいけない設計基準だったので、ＩＣと基板の熱結合と放熱性能のトレードオフで基板設計に苦労しました。ＩＣメーカーの推奨基板パターンでは設計基準を満足できないのです。他の会社はどうしているのでしょうか？

[@user-bm4di6zp2b]

昔設計やってた時代に両面を大量のＶＩＡ使って放熱頑張らせる基板書いたわ・・・ その後を確認しなかったけど効果どのくらいあったんだろうか・・・ 今は基板に銅の塊を基板に埋め込む基板屋有るから凄い楽できそう・・・ 銅箔圧増やす場合は必要なギャップがどんどん増えるから使える部品への制限の方が痛いイメージ

[@e-satoshi]

スルーホールでがっつり銅箔が載っているPCBははんだごてによるはんだ付けが難儀になるので、放熱が促進されるように銅箔が載っているPCBは自作にはキツイかも。

[@mag289-2]

viaという単語のゲシュタルト崩壊しそうになったｗ

[@user-hn3cn8kc8p]

アートワークなんて昔は回路図通りつなげばOKで良い稼ぎになったみたいですが、もうそんな時代じゃないですね。

[@jesseservice7828]

Ótimo ! Conteúdo.

[@alichinozx6497]

１Sと３Sの両面の結果が気になります

[@nobukomichi4585]

銅箔の形状も気になります。真四角ではなくカニの足のように伸ばせば放熱に効くのでは

[@Traumi99]

Enhorabuena, acabas de llegar al comentario en español

[@usernobaman]

ここまで実験するのなら、10s片面を90度くらいになるように設定して、さらに検証していただきたかったです

[@yasadasada2764]

サーマルつけないとはんだ付け不良増えますよ。手ハンダだともっと増えます

[@stellnya]

はんだマスクも温度に影響を与えると思いますか？

[@user-fi4xg1un8t]

異なる金属との接触は腐食を引き起こす可能性があると考えられています。

[@user-fc1wc6mg3i]

電解コンデンサを冷やそう

[@qweras121]

実装機械も良いの使ってないと、安いハンダコテみたいに温度逃げでヤラれそうｗ ここまでくると試作とのトライ＆エラーな部分なんでしょうね

[@kotetu7610]

ビアを増やしたとしても面裏の銅板の体積変わらず熱容量が変わらなくて温度変化が少ない。 と言う事かなと思ったけど合ってる？

[@purpleflip7396]

SRを開口するのはあまりよくないんでしょうか。

[@zonex001]

漢字地獄

[@user-fq2dn3bq2s]

３端子レギュレーターのワードに期待してしまうのはわたしだけだろうか、、、

[@Milepoch]

出口が無いと意味がない ノーパソとかスマホとか、ビス通して基盤から筐体に熱逃がしてる ビスの位置をどう決めたのかを想像すると機械的事情だけじゃない 熱設計は全体の話しになる

[@firasgh871]

شكرا على الفيديو.لكن من الناحية الاقتصادية ممكن أن استغني عن عناصر smd إلى to220

[@stellnya]

1등