热对策的基础知识(3)
～热设计和热对策～
2019-03-18
前言
热对策是用来确保设备、系统的特性、寿命以及安全性的重要研究事项。“热对策的基础知识”中，针对采取热对策的基础知识，分3次即“热的基础知识”、“需要采取热对策的背景”、“热设计和热对策”进行解说。本次是第3次，也是最后一次，介绍“热设计和热对策”。
热设计
热设计是指通过热模拟等方式，在产品设计阶段采取必要的热对策。
过去的电气产品曾以充分的空间配置零部件，所以在产品开发的最终阶段只要验证热对策的必要性就可以了。但近年来，伴随着设备的小型化和高性能化，在设计阶段将热对策融入设计显得愈来愈重要。
譬如，事前已决定尺寸的设备，在最终评估阶段必须采取热对策，一旦紧急安装风扇，就需要确保用来装入风扇的空间，从头开始进行电路设计的重审，有的情况下甚至还要中止商品企划本身。
但是，只要在设计阶段实施热模拟，把握设备的温度分布，采取热对策，就可进行有效的产品开发。
热设计的过程
热设计，大致上来说是通过4个过程来推进的，即设定上限温度条件，调查零部件或部件材料的发热和热传导特性，实施热模拟，研究热对策；只要模拟结果没有在设定温度以下，就要进行合适的热对策研究，融入该热对策再次进行模拟，一直反复进行到模拟结果到设定温度以下为止。
但是，此热模拟的精度算不上高，而且在有的情况下还难于将对策内容融入模拟，因而最终必须通过在实机上进行温度测量来确定对策；与没有进行热设计时相比，在最终评估阶段进行电路设计的重审这样的风险远远减小。以下说明各自的过程。
设定上限温度
设定设备周围温度的上限
设备的内部温度会因设备的周围温度而大受影响，因而设定较低的设备使用上限温度将有利于设备内部的冷却。但是，从使用方来看，可以说最好是不受使用环境限制的温度设定。
因此，作为产品规格预先设定考虑了两者的使用温度范围。
设定设备内部温度的上限
调查各零部件的最高使用温度，设定为各自的零部件不会超过最高使用温度。
另外，如果是像铝电解电容器那样温度与寿命有着强烈相关性的零部件，也可能会考虑寿命而进行比零部件的最高使用温度更低的温度设定。
设定设备表面温度
移动通信设备等一旦成为高温就有可能导致烧伤的设备，还必须规定设备的机壳表面温度。
调查零部件或部件材料的发热和热传导特性
必须在设备的动作条件下确认各零部件的发热程度。
电子零部件一旦工作就会因能耗损失而发热，导致设备温度上升。特别是CPU和功率半导体等由于会产生较大发热，因而是最需要引起注意的零部件。
此外，包括基板和机壳等部件材料在内，还必须调查各种热传导特性(热电阻、热辐射率等)。但在多半情况下难于把握这些热传导特性，因而不是每次都进行调查，而是将其做成数据库使用则可节省时间。
实施热模拟
热模拟是在上述温度条件和热特性的前提条件下，根据零部件的配置、风的流向对各部位的温度值进行的模拟。
虽然此计算也可基于EXCEL数据进行，但是由于目前已有多种专用的热流体分析软件，因而对这些热流体分析软件进行活用可使得分析更加简便易行。
研究热对策
- 重审零部件配置
- 重审机壳材质
- 设置风孔或冷却风扇
- 安装吸热器
- 安装热管
- 安装隔热板(发热零部件与低耐热零部件间)
- 采用TIM（热界面材料）(发热零部件与吸热器间)
在采取这些热对策时，通过再次进行热模拟来计算各部位的温度是如何变化的。
热对策的手段
上一项中已列举热对策的项目，这里则就每个项目稍做详细的说明。
重审零部件配置
发热零部件若在上风口，对其他零部件的热影响就会增大，因而应尽量将发热零部件设置在下风口。
此外，使得耐热差的零部件远离发热零部件，设置考虑了冷却的空气通道等也十分有效。
重审机壳材质
设备内部的热经过设备的机壳(机箱)也会散热到外部。
而且，其散热量根据机壳材质的热电阻大不相同，譬如，如果是热电阻高的塑料制机壳散热量就会减少，如果是热电阻小的铝制机壳散热量就会增多。
如上所述，只要将机壳变更为热电阻小的材质，冷却效果就会增大。
此外，机壳的表面积大，所以可作为吸热器的替代品来使用，让发热零部件密贴机壳来使其散热的手段也十分有效。
设置风孔或冷却风扇
虽然只要将风孔设置在机壳上部也能在某种程度上达到冷却效果，但如果再与冷却风扇并用，就会得到较大的冷却效果。这种情况下，考虑机壳内部的冷却效果增大的风的通道来决定设置场所。
另外，设置冷却风扇，也会面临空间的确保和噪声增加、功耗增加等课题，因而在无法允许该课题时不能使用。
安装吸热器
吸热器是以吸热、散热为目的安装在发热体上的零部件，也被称作散热器或散热板。利用传热性能高的铝、铁、铜等作为材料来使用，为了扩大传热面积，通常采用具有多个散热片的构造。吸热器是对扩大散热面积有效的零部件，但由于比较重，尺寸（体积）也大，使用时需要充分的空间。
另外，发热体与吸热器的接合，通常使用用来提高热传导的热界面材料TIM。
安装热管
系将高挥发性的液体封入密闭的特殊管中，为了扩散热而使用，具有热扩散效果高的特点。右图是说明热管的热扩散原理的图。热管内的工作液吸收高温部的热而蒸发，其蒸汽向低温部移动。这样，蒸汽在低温部散热而液化。并且，液化的工作液会回流。通过反复进行此循环来扩散热。
典型的应用例是CPU冷却器。
安装隔热板
虽然必须使得耐热差的零部件远离发热零部件，但在电路设计中难于做到时，采取在两者之间安装隔热板来保护耐热差的零部件的对策将十分有效。
此外，在移动通信设备等需要抑制机壳表面温度的情况下，在机壳与发热零部件之间安装隔热板的对策将十分有效。
采用TIM（热界面材料）
在利用吸热器来冷却发热零部件的热时，如果两者的接合面具有间隙就会导致接触热电阻升高，无法进行效果良好的冷却。因此，通过用热电阻低的TIM来填埋发热零部件与吸热器的接合面的间隙就会提高冷却效果。
下面介绍代表性的TIM。
热润滑脂
热润滑脂是涂布到发热体与吸热器间而使用的TIM材料，很早以前就是最为常见且廉价的TIM。但均匀涂布难以进行，且长期可靠性面临着课题。
热传导板
热传导板是热传导性优异的板状材料，是夹在发热体与吸热器间使用的TIM材料。种类包括硅胶板、弹性体板、石墨板等，可替换热润滑脂。虽然处理起来较为容易，但是要获得良好的接触，需要接触压。
PCM (相变材料)
PCM是在高温下软化的低热电阻材料，是夹在发热体与吸热器间使用的TIM材料。其特点在于，通过高温下的软化密贴性提高，接触热电阻下降。虽然是易于处理的板状，但在成本方面则面临着课题。
小结
热设计是指通过热模拟等方式在产品设计阶段融入热对策。由此，便可进行与电路设计相匹配的有效设计。
热模拟及热对策分别包括与其相适应的途径，提供有为实现该途径的各种方法和部件材料。要采取热对策，应在理解部件材料的特点，比较研究性能的基础上，在适当的场所采用适当的部件材料。
“热对策的基础知识”本次是最后一次介绍，今后我们计划另行介绍借助于具有优异性能的TIM来解决课题的事例。
相关产品信息
与本文相关的标签
按类别搜索
按关键词搜索
按产品搜索
这是本公司网站里「电路设计的最优解」的技术信息中，关于热对策的基础知识的相关内容整理后的资料。
