5 PCB の銅製ヒートシンク

前述のように、PCB の銅箔面はレギュレータのヒートシンクとして機能します。銅の面積と厚さ (重量) が重要です。ほとんどの熱は、コンバータと同じ面にある層を経由して周囲に消散します。良好な熱的、電気的接続を実現するため、DAP は、この平面に直接しっかりと半田付けする必要があります。ほとんどのデータシートには、非常に詳細な条件のセットに対して、全体的な熱抵抗 (θ_JA) と銅箔部分との関係の曲線が記載されています。図 5-1 に、WSON パッケージ内の LM63635-Q1 の例を示します。これらの曲線から明らかになる重要な点は、面積が大きいほど熱抵抗は小さくなり、熱性能が向上することです。また、銅箔部分の値が大きな領域では、収穫逓減点に達していることも明らかです。

このグラフには、凡例に表示されている前提条件に加え、提供されているデータに対する基本的な前提条件が多数あります。まず、より多くの層を使用すると、熱抵抗の低減に役立ちます。外層は、レギュレータから外側周囲へ熱を移動する際に最も効果的です。図 5-1 では、「2L」は 2 層基板を、「4L」は 4 層基板を示していることに注意してください。DAP の下に適切なサーマル・ビアを設けることで、基板を通過し、反対側の層にきわめて効果的に熱を移動させることができます。内部層は PCB 素材によってある程度遮蔽されているため、放熱時の効果はそれほどありませんが、多少の効果はあります。次に、銅の厚さまたは重量です。銅を厚くすると、熱抵抗が少なくなります。テキサス・インスツルメンツでは、上層と下層に少なくとも 1 oz/ft² を、2W 以上の消費電力の場合、2 oz/ft² を推奨します。また、ビアのサイズと数も重要です。各ビアの熱抵抗はその付近と同様であるため、ビアの数が増加すると、一定の限界点まで全体の抵抗が減少します。12mil (0.5 oz/ft² 銅箔) のサーマル・ビアを推奨します。これまで説明したように、サーマル・ビアの最も効果的な位置は DAP の下です。ただし、レギュレータの周囲または付近にビアを配置することでも、基板の熱抵抗を低減することができます。最後に、図 5-1 の凡例内の消費電力に基準が設定されていることに注目します。これは、Equation1 が消費電力に対して θ_JA が一定であると仮定しているため、不思議に見えます。実際には、θ_JA は消費電力に応じてある程度変化するため、θ_JA の推定、計算、測定のプロセス全体が複雑になります。消費電力が大きくなると、さらに温度低減を図る必要があり、そのため、放射線と対流の両方を目的とした、ある程度効率的なヒートシンクが必要になります。ただし、この説明においては、θ_JA は電力消費からは独立しており、放熱性能を推定または測定する際に仮定されたパワー・レベルを述べています。

これまで説明したすべての検討事項は、DAP を持たないパッケージにも適用されます。Topic Link Label4 で述べたように、このタイプのパッケージから熱を放出するのには、さらに少し困難があります。この場合、デバイスのピンを通過させ、比較的狭い経路を経由させてから PCB へ熱を流す必要があります。その結果、VIN、SWITCH、GND ピンにつながる銅は、実際に可能な範囲で幅広くしてください。