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熱流体解析を用いた放熱対策

箱物筐体製品の放熱対策を行う際、筐体壁から外気へ熱輸送させる対策が大半です。
このような、筐体を使った放熱対策を熱輸送の3要素から簡単に説明します。

<熱輸送の3要素>

  • 対流熱伝達
    • 熱を帯びた分子の移動による熱移動
  • 放射(輻射)
    • 電磁波による熱移動
  • 熱伝導
    • 物質内の格子振動・自由電子による熱移動

■目次

 

説明に使用するモデル仕様

説明に使用するモデル仕様

部材 材料 熱伝導率(W/mK 放射率 発熱量(W
筐体 アルミダイキャスト 121 0.03 -
FIN アルミダイキャスト 121 0.03 -
IC配置台 アルミダイキャスト 121 0.03 -
IC Resin 1 0.9 20

 

対流熱伝達による放熱効果

プレートFINを設計する場合、FIN枚数を何枚に設定すべきか迷うと思います。

プレートFINを設計する場合、FIN枚数を何枚に設定すべきか迷うと思います。

FINは放熱対策を行なう上で重要な鍵です。

FIN枚数は、適正な枚数(最適解)があります。
 
★対流熱伝達の効果を最大限生かす放熱設計
  を行いましょう。
FINの羽枚数は、
 ※ 少なすぎるとFIN表面から外気へ熱輸送する面積が低下するため、効果が下がります。
 ※ また、多すぎるとFIN間に十分な風が流れず効果が下がります。
つまり、FINは放熱効果のピークを持つ放熱部材です。

<下記は、今回のモデルの検証結果です>
FIN8枚〜30枚まで2枚間隔で解析した結果です。

今回のモデルの検証結果

今回のモデルの検証結果

 

対流熱伝達による放熱効果のまとめ

 
  FIN枚数8 FIN枚数18 FIN枚数30
FINの表面積が少ない 最適領域 FIN間に風が流れにくい領域




FIN枚数8枚 FIN枚数18枚

FIN枚数30枚

風速は十分であるが、外気に
触れるFINの表面積が少なく
放熱効果が下がる。
風速、FINの表面積ともに適切
なサイズであるため、放熱効果
が最大となる。
FINの表面積は十分であるが、
必要な風速が得られていない
ため、放熱効果が下がる。

凡例

更に、製品の外形・材料・発熱部材の位置など、マイナーチェンジの製品開発には
再度FINの最適解を求めなくても対応可能と考えます。
 

グラフの見方を変えれば

グラフの見方を変えれば

最適なFINピッチが求まります

最適なFINピッチが求まります

 

放射による放熱効果

放射による放熱は、見落としがちな熱輸送です。
金属筐体・密閉製品には放射による放熱は有効な手段です。

<アルミダイキャスト>

同じアルミダイキャストでも、表面状態によって下記通り、放射率が異なります。

アルミダイキャスト

また、放射量は下記式の通り物体表面温度の4乗で増加するため、物体表面温度(空間温度も含む)が上昇すれば
指数的に放熱量が上昇します
熱放射量 = 定数 × 放射率 × 物体表面温度4
 
<参考>
  熱放射とは、真夏の砂浜は70℃を超えます。しかし、気温は30℃程度です。これが地球(地面)
  と太陽の間での熱放射による影響です。熱放射は、電磁波で熱輸送されます。

アルミダイキャストに対し、上に記載した表面処理別で熱解析を行った結果は以下のとおりです。

アルミダイキャストに対し、上に記載した表面処理別で熱解析を行った結果 <放射率ε= 0.03 凡例
<放射率ε= 0.03>
<放射率ε= 0.95(塗料)>
<放射率ε= 0.95(塗料)>

 

熱伝導による放熱効果

 
熱伝導による放熱効果は右のとおりであるため、
材料の熱伝導率・厚みの選定が放熱の鍵となる。
式
 
ICを筐体壁面等に設置する場合、必ず必要になる
  TIM*1)の材料選定一つでIC_Tj温度に差がつく。
 (*1TIM Thermal Interface Material
ICを筐体壁面等に設置する場合、必ず必要になる
 
<考察>
0.6W/mKより低い熱伝導率で、急峻な温度変化が見られる。0.6W/mK以上を選定すべき。 <考察>
リニアな変化であるため、なるべく薄い素材を選定すべき。

<考察>
0.6W/mKより低い熱伝導率で、急峻な温度変化が見られる。0.6W/mK以上を選定すべき。

<考察>
リニアな変化であるため、なるべく薄い素材を選定すべき。

 

熱伝導の盲点

熱伝導による熱輸送を上げるため、厚みを薄くすれば放熱効果が確実にあがるわけではありません。

熱伝導による熱輸送を上げるため、厚みを薄くすれば放熱効果が確実にあがるわけではありません。 熱伝導による熱輸送を上げるため、FIN BASE厚みを少なくすると
Tj-Tfin間の熱抵抗は下がるはずが、結果は逆の傾向を示す。
Tj-Tfin間の熱抵抗は下がるはずが、結果は逆の傾向を示す。
これは、熱拡散(45°拡散)による熱の広がりがFINの縦方向のサイズと合っていないために発生する現象です。
           この現象を回避するには!

<対策例>

FINに熱を伝える前に、熱を拡散する。

FINに熱を伝える前に、熱を拡散する。








IC
の配置台の熱伝導率を向上させ、熱源付近の熱を拡散する。
 ・Cu化[熱伝導率385W/mK
 ・etc・・・


熱伝導率の高い部材で熱を拡散する。

 ・グラファイトシート [熱伝導率1500W/mK(面内)]
 ・Cuシート[熱伝導率385W/mK
 ・etc・・・

 

放熱対策に多大な費用をかけていませんか?

 

<なぜ、放熱部品のコストが注目される?>

放熱部品は、製品の機能Upを行う部品ではない。
(放熱部品が無くても、製品機能は成り立つ)

              ↓

放熱対策部品を安くする = 製品単価が下がる
つまり上記関係が成り立つからである。
(グラフの通り放熱力の高い部材はコストUpとなる)

放熱部品の費用対効果イメージ

      ↓

<正しい温度把握を行う事で、熱マージンは極限まで抑えられる>

製品の熱設計を行う現場では、熱の把握を行うのに熱流体解析ツール(Sim)を活用するケースが多いと考える。(熱流体解析の精度も、年々向上している。)
しかし、製品の熱設計は、Simで解いた温度に対し、大幅な温度マージンを持たせ製品の品質を保証する状況が変わらない。

<原因> 発熱部品(半導体PKG)のSimモデルを厳密に作成できないためである。
                             
<結果> 必要以上の放熱力が必要となり、高価な放熱部品を採用し製品コストを上昇させる

発熱部品の高精度な熱把握がコスト削減の鍵となる。

 

発熱部品の厳密モデルを作るには

下記フローの通り、3つの知る技術2つのノウハウ技術が必要

3つの知る技術と2つのノウハウ技術が必要 次項で、既存技術と弊社独自技術の違いを説明します。
Mold開封によるChip分析 断面研磨による構造サイズ調査
Mold開封によるChip分析 断面研磨による構造サイズ調査
PKGのシミュレーションモデル 局所発熱時のChip表面温度分布
PKGのシミュレーションモデル 局所発熱時のChip表面温度分布

 

発熱部品を高精度に分析する熱測定技術

<熱抵抗解析メーカーとの違い>

<大半の熱抵抗解析メーカー手法> <弊社の特許技術手法>
<大半の熱抵抗解析メーカー手法> <弊社の特許技術手法>

<問題点>

電源(Vcc)とGNDを逆接続し、半導体にある
寄生Diを使い測定するため、下記問題が発生する。
  Chip表面が均一温度にならない
  測定箇所が特定できない               →   正しく測定できているかの評価さえできない(-_-;)
  Wireのジュール熱の影響が出る

           

問題点を解消した技術

<特徴>
半導体内の高耐圧ブロックに対し、順方向の
 電流で特定ブロックをクランプさせ、特定部位
 のみを均一に発熱させる技術で測定する。

問題点を解消した技術 発熱後 問題点を解消した技術

 

説明に使用するモデル仕様
対流熱伝達による放熱効果
対流熱伝達による放熱効果のまとめ
放射による放熱効果
熱伝導による放熱効果
熱伝導の盲点
放熱対策に多大な費用をかけていませんか?
発熱部品の厳密モデルを作るには
発熱部品を高精度に分析する熱測定技術
半導体パッケージの熱抵抗測定技術
応力解析を用いた強度検証・対策
機構・筐体の設計(防水、小型化)

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