アルミ基板の熱抵抗計算

質問

アルミ基板の熱抵抗の比較をしようとしているのですが、面積をどのようにしたらよいか悩んでおります。

条件
基板サイズ：60mm x 60mm
パターン：外周から5mmはパターン無し（パターン範囲：50mm x 50mm）
　　　　　中央部に0.3mmのスリット
ソルダーパッド：基板中央で、0.3mmのスリットの両側に1.6mm x 0.65mm
基板と放熱板間の熱伝導シート：60mm x 60mm、0.2mm厚、2.5W/m・K

基板?
アルミベース：1mm厚、236W/m・K
絶縁層：80μm厚、1.3W/m・K
銅箔：35μm厚、398W/m・K

基板?
アルミベース：2mm厚、236W/m・K
絶縁層：120μm厚、5W/m・K
銅箔：70μm厚、398W/m・K

上の条件で、基板の熱抵抗を比較しようと考えておるのですが、熱抵抗の計算式

熱抵抗：θ（℃/W）　　　　厚み：T（mm）
熱伝導率：K（W/(m･K)）　　縦：L（mm）　横：W（mm）
とすると
θ＝(T/1000)/(K*L/1000*W/1000)

のLとWをどのように設定すればよいか悩んでおります。
パターン部ではL=50、W=49.7では大きすぎると思われますし、L=1.6、W=1.3では小さすぎるのではないかと思います。
また、アルミと放熱板間も、LとWをどのように設定すれば実際の値に近くなるのでしょうか。
基板表面からの放熱は余裕分と考えております。

どなたか詳しい方がいらっしゃいましたら、考え方だけでもお教えいただけませんでしょうか。

よろしくお願いいたします。

回答No.1

noname#230359 · ベストアンサー

基板単体の熱抵抗は、パターン：50mm x 50mmの範囲で考えると熱抵抗は、
基板?絶縁層：80μm厚、1.3W/m・Kでは、0.0246 K/W
基板?絶縁層：120μm厚、5W/m・Kでは、0.0096 K/W
ということで、基板?の方が圧倒的に優位です。また、いずれも（現実ばな
れした）大変低い値です。
上記の計算では、単純化のため、影響の小さい銅箔及びアルミの熱抵抗を
省略しました。

現実には、熱伝導に寄与する面積はパターンよりも、実装する部品のサイズ
に依存すると考えることが適切であり、熱抵抗は、上記で求めた値より1桁
以上大きくなると思います。
お問い合わせのLとWは、実装する部品のフットプリントの値を代入すること
が適切です。

基板に複数の部品が搭載される場合は、相互作用が大きいか否かを見積もる
ことが必要になる場合もあります。

想定する基板に、どの程度の大きさの部品を何個実装するかをお示し頂けれ
ば、もう少々具体的な回答ができると思います。

銅箔は、ヒートスプレッダ（温度分布を面的に広げ、伝熱に有効な絶縁層の
面積を広げる）の役割を果たしますので、この点からも銅箔が厚い基板?の
方が優位です。

お礼

ありがとうございました。

今のところCAEを導入することは考えておりませんので、もう少し勉強してみて、何とかエクセルの計算式を構築出来るよう頑張ってみます。

補足

回答ありがとうございます。

やはり、熱抵抗はフットパターンに依存するようですね。

質問の目的を明確に書かなかったため、色々な角度での検討をさせてしまい、申し訳ございません。

最終的には、銅箔厚、絶縁層の厚さ・熱伝導率、アルミ厚、熱伝導シートの厚さ・熱伝導率、フットパターンを入力して、放熱に有効なパターン・アルミサイズ、熱抵抗が計算できる方法があればと考えておりました。

追記の中で、
＞面的な広がりを考慮して、?及び?の基板の熱抵抗を計算した結果は、
＞次のとおりでした。（熱抵抗には、熱伝導シートの熱抵抗を含む）
＞
＞　?　6.9 K/W
＞　?　3.05 K/W
とありますが、この結果はどのように出されたのでしょうか。

やはり熱解析ソフトのようなものが必要なのでしょうか。

発熱量や予算、基板を取付可能なスペース等により、都度基板や熱伝導シートを選定することになりますので、この計算できますと選定が的確になるのではないかと考えております。

また、基板のネジ止め部と発熱部が離れてしまいますと基板が歪んでしまい発熱部が密着しないようですので、出来るだけアルミ基板も小さい方が良いので、基板サイズも計算できればと考えております。