熱設計エンジニアが解説！放熱基板の基礎知識と選定ポイント
近年、電子機器の高性能化と小型化が急速に進む中、熱問題は避けて通れない課題となっています。
スマートフォンやパソコン、LEDライトなど、私たちの身の回りにある多くの電子機器は、使用中に熱を発生させます。
この熱を適切に管理しないと、機器の性能低下や寿命の短縮、最悪の場合は故障や発火の原因にもなりかねません。
そこで重要な役割を果たすのが「放熱基板」です。
放熱基板は、電子部品から発生する熱を効率的に逃がし、機器全体の温度を適切に保つ重要な役割を担っています。
しかし、放熱基板の選定や設計は、多くのエンジニアにとって悩ましい課題でもあります。
本記事では、熱設計エンジニアの視点から、放熱基板の基礎知識と選定ポイントについて詳しく解説していきます。
これから学ぶ内容は、効果的な熱対策を実現し、より信頼性の高い電子機器の開発に役立つはずです。
さあ、熱設計の世界へ飛び込んでみましょう。
放熱基板の種類と特徴
放熱基板は、その材料、構造、表面処理によって大きく特徴が異なります。
それぞれの特徴を理解することで、用途に応じた最適な選択が可能になります。
では、主な種類と特徴を見ていきましょう。
基板材料：セラミック基板、金属基板、樹脂基板
まず、基板材料による分類を見ていきます。
| 基板材料 | 特徴 | 主な用途 |
|---|---|---|
| セラミック基板 | 高い熱伝導性、優れた絶縁性、高価格 | 高出力LED、パワー半導体 |
| 金属基板 | 非常に高い熱伝導性、機械的強度が高い、比較的安価 | 自動車用電子機器、産業機器 |
| 樹脂基板 | 軽量、加工性が良い、コストが低い | 一般的な電子機器、低~中出力デバイス |
セラミック基板は、アルミナやAlNなどの材料を使用し、高い熱伝導性と優れた絶縁性を両立しています。
特に高出力のLEDやパワー半導体など、高い放熱性能が要求される用途に適しています。
例えば、窒化アルミニウム（AlN）を使用した放熱基板は、その優れた熱伝導性により、高性能電子機器の熱管理に広く利用されています。
金属基板は、主にアルミニウムや銅を使用し、非常に高い熱伝導性を持ちます。
機械的強度も高いため、自動車用電子機器や産業機器など、厳しい環境下で使用される機器に適しています。
樹脂基板は、一般的なFR-4などの材料を使用し、軽量で加工性に優れています。
コストも比較的低いため、家電製品や低~中出力のデバイスに広く使用されています。
あなたの設計している機器は、どの基板材料が最適でしょうか？
熱対策の要求レベルや、コスト、重量などを考慮して選択する必要がありますね。
構造：メタルコア基板、ヒートシンク一体型基板
次に、基板の構造による分類を見ていきましょう。
メタルコア基板は、金属（主にアルミニウム）のコア層を持つ構造で、高い放熱性能を実現します。
絶縁層と銅箔層を組み合わせることで、電気的特性と熱的特性のバランスが取れた基板となっています。
LED照明や、モーターコントローラーなど、高い放熱性能が必要な用途に適しています。
ヒートシンク一体型基板は、基板自体がヒートシンクの役割を果たす構造です。
基板の片面または両面に金属製のフィンを設けることで、放熱面積を大幅に増やし、効率的な熱の放散を可能にします。
特に、スペースに制約がある機器や、高出力のデバイスに使用されることが多いです。
これらの構造は、機器のデザインや放熱要求に大きく影響します。
例えば、薄型化が求められる製品では、メタルコア基板が有利かもしれません。
一方、高出力で発熱量の多い製品では、ヒートシンク一体型基板が効果的でしょう。
あなたの設計している機器には、どちらの構造が適していると思いますか？
機器の形状や使用環境を考慮しながら、最適な選択をすることが重要です。
表面処理：放熱特性を高める表面処理技術
最後に、基板の表面処理技術について見ていきます。
表面処理は、基板の放熱特性を更に高める重要な要素です。
代表的な表面処理技術には以下のようなものがあります：
- アルマイト処理：アルミニウム基板の表面を酸化させ、耐食性と放熱性を向上させる
- ブラックアルマイト：黒色の酸化皮膜を形成し、熱放射率を高める
- 無電解ニッケルめっき：均一な金属皮膜を形成し、熱伝導性と耐食性を向上させる
- ダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティング：高い硬度と熱伝導性を持つ薄膜を形成
これらの表面処理技術は、基板の材料や使用環境に応じて選択します。
例えば、高温環境で使用される金属基板には、耐食性を高めるアルマイト処理が効果的です。
一方、熱放射を重視する場合は、ブラックアルマイト処理が適しているでしょう。
表面処理技術を適切に選択することで、基板の放熱性能を最大限に引き出すことができます。
あなたの設計している機器では、どのような表面処理が最適でしょうか？
熱対策の要求レベルや、使用環境、コストなどを総合的に判断し、最適な選択をすることが重要です。
放熱基板の選定基準
放熱基板を選定する際には、様々な要素を考慮する必要があります。
ここでは、主要な選定基準について詳しく見ていきましょう。
放熱性能：熱伝導率、熱抵抗
放熱基板の最も重要な特性は、言うまでもなく放熱性能です。
この性能を評価する主な指標として、熱伝導率と熱抵抗があります。
熱伝導率は、材料が熱を伝える能力を示す指標です。
単位はW/(m・K)で表され、値が大きいほど熱を効率的に伝導します。
例えば、銅の熱伝導率は約400 W/(m・K)、アルミニウムは約230 W/(m・K)です。
一方、熱抵抗は熱の流れに対する抵抗を表す指標で、単位は℃/Wで表されます。
値が小さいほど熱を逃がしやすいことを意味します。
次の表は、主な基板材料の熱伝導率と一般的な熱抵抗値の例です：
| 材料 | 熱伝導率 [W/(m・K)] | 一般的な熱抵抗 [℃/W] |
|---|---|---|
| 銅 | 400 | 0.1 – 0.5 |
| アルミニウム | 230 | 0.3 – 1.0 |
| アルミナセラミック | 25-30 | 1.0 – 3.0 |
| FR-4 (ガラエポキシ) | 0.3 | 10 – 50 |
これらの値を参考に、搭載するデバイスの発熱量や許容温度を考慮して、適切な放熱性能を持つ基板を選択する必要があります。
例えば、高出力LEDを搭載する場合、熱伝導率の高い金属基板やセラミック基板が適しているでしょう。
一方、発熱量の少ない低電力デバイスであれば、FR-4のような一般的な樹脂基板でも十分な場合があります。
あなたの設計している機器では、どの程度の放熱性能が必要でしょうか？
デバイスの発熱量や動作温度範囲を確認し、最適な基板を選択することが重要です。
電気特性：絶縁耐圧、誘電率
放熱性能に次いで重要なのが、基板の電気特性です。
主な指標として、絶縁耐圧と誘電率があります。
絶縁耐圧は、基板が絶縁破壊を起こさずに耐えられる最大の電圧を示します。
単位はV（ボルト）で表され、値が大きいほど高い電圧に耐えられることを意味します。
誘電率は、材料の静電容量の大きさを表す指標です。
値が小さいほど、高周波特性に優れているとされます。
これらの特性は、基板上に実装する回路の電圧や周波数によって要求が変わります。
例えば、高電圧を扱うパワーエレクトロニクス機器では、高い絶縁耐圧が求められます。
一方、高周波回路を扱う通信機器では、低い誘電率が重要になります。
あなたの設計している機器では、どのような電気特性が求められるでしょうか？
回路の動作電圧や周波数を考慮し、適切な電気特性を持つ基板を選択することが重要です。
機械的特性：強度、寸法安定性
基板の機械的特性も、製品の信頼性に大きく影響します。
主な指標として、強度と寸法安定性があります。
強度は、基板が外力に耐える能力を示します。
曲げ強度や引張強度などがあり、基板の用途や使用環境に応じて考慮する必要があります。
寸法安定性は、温度変化や湿度変化に対する基板の寸法変化の小ささを示します。
特に、精密な部品実装が必要な場合や、熱サイクルを受ける環境で使用する場合に重要です。
例えば、自動車用電子機器では、振動や衝撃に強い金属基板が適している場合が多いです。
一方、スマートフォンなどの携帯機器では、軽量で加工性に優れた樹脂基板が選ばれることが多いですね。
あなたの設計している機器は、どのような機械的特性が必要でしょうか？
使用環境や製品寿命を考慮し、適切な機械的特性を持つ基板を選択することが重要です。
コスト：材料費、加工費
コストも、基板選定の重要な要素の一つです。
コストは主に材料費と加工費に分けられます。
材料費は基板の素材によって大きく異なります。
一般的に、樹脂基板＜金属基板＜セラミック基板の順でコストが高くなります。
加工費は、基板の構造や表面処理、必要な精度によって変わります。
複雑な構造や高精度の加工が必要な場合、コストは上昇します。
コスト削減は重要ですが、性能や信頼性とのバランスを取ることが必要です。
安価な基板を選択して熱問題が発生し、製品の信頼性が低下するようでは本末転倒です。
あなたの設計している機器では、コストと性能のバランスをどのようにとるべきでしょうか？
製品のターゲット市場や価格帯を考慮しながら、適切な選択をすることが重要です。
用途：電子機器の種類、動作環境
最後に、基板の用途を考慮することが重要です。
電子機器の種類や動作環境によって、要求される特性が大きく異なるためです。
例えば：
- 高出力LEDライト：高い放熱性能が必要なため、金属基板やセラミック基板が適している
- スマートフォン：軽量化と薄型化が求められるため、薄型の樹脂基板やメタルコア基板が使用されることが多い
- 自動車用電子機器：高温環境や振動に耐える必要があるため、金属基板が適している
- 産業用機器：高い信頼性が求められるため、セラミック基板や高品質の金属基板が使用される
このように、用途によって最適な基板が異なります。
あなたの設計している機器は、どのような用途で使用されるのでしょうか？
使用環境や要求される性能を十分に考慮し、最適な基板を選択することが重要です。
放熱基板設計のポイント
放熱基板の選定基準を理解したところで、次は具体的な設計のポイントについて見ていきましょう。
効果的な熱設計は、単に高性能な基板を選ぶだけでなく、適切な設計によって初めて実現します。
熱源の特定と放熱経路の設計
まず最初に行うべきは、熱源の特定です。
機器内のどの部品が主な発熱源になるのかを明確にし、その熱量を把握することが重要です。
主な発熱源としては以下のようなものが考えられます：
- 半導体デバイス（CPU、GPU、パワートランジスタなど）
- LED
- 抵抗
- モーター
これらの熱源から、どのように熱を逃がすかを考えるのが放熱経路の設計です。
一般的な放熱経路としては：
- 熱源 → 基板
- 基板 → ヒートシンク
- ヒートシンク → 外部空気
という流れがあります。
この経路上にある熱抵抗を最小化することが、効果的な熱設計の鍵となります。
例えば、熱源と基板の間に高熱伝導性の絶縁材（サーマルインターフェイス材）を使用したり、基板とヒートシンクの接触面積を
大きくしたりすることで、熱抵抗を下げることができます。
あなたの設計している機器では、どのような放熱経路が考えられるでしょうか？
熱源から最終的な放熱先までの経路を明確にし、各ステップでの熱抵抗を最小化する方法を考えてみてください。
基板サイズとレイアウトの最適化
基板のサイズとレイアウトは、放熱性能に大きな影響を与えます。
一般的に、基板サイズが大きいほど放熱面積が増え、熱を逃がしやすくなります。
しかし、製品の小型化要求とのバランスを取る必要があります。
レイアウトに関しては、以下のようなポイントを考慮します：
- 高発熱部品を基板の端や角に配置し、熱の広がりを妨げない
- 高発熱部品同士を離して配置し、熱の集中を避ける
- 熱に弱い部品を発熱源から離して配置する
- ヒートシンクや冷却ファンの位置を考慮したレイアウト
例えば、スマートフォンの設計では、プロセッサやパワーアンプなどの高発熱部品を離して配置し、熱を分散させる工夫がされています。
あなたの設計している機器では、どのようなレイアウトが最適でしょうか？
熱源の位置や熱に弱い部品の配置を考慮し、効果的な熱設計を行うことが重要です。
熱伝導材料の選定と効果的な配置
熱伝導材料は、熱を効率的に伝える役割を果たします。
主な熱伝導材料には以下のようなものがあります：
- サーマルグリース
- 熱伝導シート
- 相変化材料（PCM）
- 熱伝導接着剤
これらの材料を適切に選択し、効果的に配置することで、熱抵抗を大幅に低減できます。
例えば、CPUとヒートシンクの間にサーマルグリースを塗布することで、接触熱抵抗を低減できます。
また、基板と筐体の間に熱伝導シートを挟むことで、基板全体の熱を効率的に筐体に逃がすことができます。
選定の際は、熱伝導率だけでなく、作業性やコスト、長期信頼性なども考慮する必要があります。
あなたの設計している機器では、どのような熱伝導材料が適しているでしょうか？
熱源の特性や使用環境を考慮し、最適な材料を選択することが重要です。
熱流体解析による性能評価
設計した放熱基板の性能を評価するには、熱流体解析（CFD：Computational Fluid Dynamics）が有効です。
CFDを用いることで、製品の試作前に熱の流れや温度分布をシミュレーションできます。
CFD解析のプロセスは以下のようになります：
- 3Dモデルの作成
- メッシュ分割
- 境界条件の設定
- 計算実行
- 結果の可視化と分析
解析結果を基に、高温になる箇所や気流の滞留する箇所を特定し、設計の改善につなげることができます。
例えば、ノートパソコンの設計では、CFD解析を用いてキーボード面の温度分布を予測し、ユーザーの快適性を損なわない範囲で放熱設計を最適化しています。
CFD解析は強力なツールですが、結果の解釈には経験と専門知識が必要です。
また、解析モデルの精度が結果に大きく影響するため、適切なモデル化と検証が重要です。
あなたの設計プロセスでは、CFD解析をどのように活用できるでしょうか？
設計の早い段階からCFD解析を活用することで、効率的な熱設計が可能になります。
製造プロセスにおける注意点
最後に、放熱基板の製造プロセスにおける注意点について触れておきましょう。
優れた設計も、製造時の問題で台無しになってしまうことがあります。
主な注意点には以下のようなものがあります：
- はんだ付けプロセスの温度管理：高温による基板の反りや部品のダメージを防ぐ
- 熱伝導材料の塗布精度：厚さのばらつきや気泡の混入を防ぐ
- 基板と放熱部品の平坦度管理：接触熱抵抗の増大を防ぐ
- クリーンな環境での組立：熱伝導面への異物混入を防ぐ
例えば、高出力LEDモジュールの製造では、基板とLEDパッケージの間の熱伝導材料の塗布が重要です。
塗布量が少なすぎると十分な熱伝導が得られず、多すぎるとLEDの光学特性に影響を与える可能性があります。
製造プロセスの各段階で、熱設計に関わる重要なパラメータを管理し、設計通りの性能を実現することが重要です。
あなたの設計している機器の製造プロセスでは、どのような点に注意が必要でしょうか？
設計段階から製造上の制約を考慮し、実現可能な熱設計を行うことが大切です。
放熱基板の活用事例
ここまで、放熱基板の基礎知識と設計のポイントについて見てきました。
最後に、実際の製品における放熱基板の活用事例を紹介します。
これらの事例を参考に、あなたの設計にも応用できるポイントを見つけてみてください。
LED照明：高輝度化と長寿命化を実現
LED照明は、放熱基板の活用が最も顕著な例の一つです。
LEDは発光効率が高いものの、投入された電力の約70%は熱に変換されます。
この熱を適切に管理することが、LED照明の高輝度化と長寿命化の鍵となっています。
活用例：
- 高輝度LED街路灯：アルミニウム製のメタルコア基板を使用し、LED素子からの熱を効率的に放散
- LED電球：小型のセラミック基板を使用し、限られたスペースで高い放熱性能を実現
これらの製品では、放熱基板の採用により、LEDの接合温度を適切に管理し、光出力の低下や色ずれを防いでいます。
また、長期信頼性の向上にも貢献しています。
あなたがLED照明の設計に携わるとしたら、どのような放熱設計を考えますか？
製品の形状や使用環境に応じた、最適な放熱基板の選択が重要になりますね。
パワー半導体：高出力化と信頼性向上に貢献
パワー半導体デバイスは、電力変換や制御に使用される重要なコンポーネントです。
高効率化と小型化が進む中、放熱設計の重要性はますます高まっています。
活用例：
- 電気自動車用インバータ：AlNセラミック基板を使用し、IGBTモジュールの高出力化と信頼性向上を実現
- 産業用モーターコントローラ：銅ベースの金属基板を使用し、高い放熱性能と機械的強度を両立
これらの製品では、放熱基板の選択が、システム全体の性能と信頼性に直結します。
高い熱伝導率を持つ基板材料の採用や、基板構造の最適化により、パワー半導体の動作温度を適切に管理しています。
パワーエレクトロニクス機器の設計において、あなたならどのような放熱戦略を立てますか？
高い放熱性能と絶縁性の両立が求められる難しい課題ですが、適切な基板選択と設計で解決できるはずです。
自動車：エンジン制御やEV駆動システムの熱対策
自動車産業では、電子制御の高度化とEV化の流れの中で、放熱基板の重要性が増しています。
高温環境や振動など、厳しい使用条件下でも安定して動作することが求められます。
活用例：
- エンジン制御ユニット（ECU）：高温耐性のあるセラミック基板や金属基板を使用し、エンジンルーム内での安定動作を実現
- EV用バッテリーマネジメントシステム：大面積の金属基板を使用し、多数のセルの温度を均一に管理
これらの製品では、放熱基板の選択が車両の信頼性と性能に直結します。
高い熱伝導率と機械的強度を併せ持つ基板材料の採用や、基板設計の最適化により、過酷な環境下でも安定した動作を実現しています。
自動車用電子機器の設計において、あなたならどのような放熱設計を考えますか？
高い信頼性要求と厳しいコスト制約の中で、最適な解を見出すことが求められますね。
スマートフォン：小型化と高性能化を両立
スマートフォンは、小型化と高性能化の両立が求められる代表的な製品です。
限られたスペースの中で、プロセッサやモデムなどの発熱源からの熱を効果的に逃がす必要があります。
活用例：
- メイン基板：薄型のメタルコア基板や高熱伝導率のFR-4基板を使用し、プロセッサの放熱を効率化
- 5Gモデム部：ヒートスプレッダ一体型の基板を使用し、高周波回路の発熱対策を実施
これらの製品では、放熱基板の採用により、高性能チップセットの性能を最大限に引き出しつつ、ユーザーの手に触れる外装部の温度上昇を抑制しています。
もしあなたがスマートフォンの熱設計を担当するとしたら、どのようなアプローチを取りますか？
薄型化と高性能化、そして使用感の向上を同時に実現する、クリエイティブな解決策が求められるでしょう。
データセンター：サーバーの冷却効率向上
最後に、データセンターにおける放熱基板の活用事例を見てみましょう。
クラウドコンピューティングの普及に伴い、データセンターの電力消費量と発熱量は増加の一途をたどっています。
効率的な冷却は、運用コストの削減と信頼性の向上につながる重要な課題です。
活用例：
- 高密度サーバー：大面積の金属基板を使用し、複数のCPUやGPUからの熱を効率的に放散
- ストレージシステム：ヒートパイプ一体型の基板を使用し、HDDやSSDの動作温度を最適範囲に維持
これらの製品では、放熱基板の採用により、高密度実装と高性能化を両立しつつ、冷却に要するエネルギーを削減しています。
また、温度管理の最適化によりハードウェアの寿命延長にも貢献しています。
データセンター機器の熱設計において、あなたならどのようなアプローチを取りますか？
高密度化と省エネルギー化の両立が求められる中、革新的な放熱ソリューションが必要とされています。
まとめ
本記事では、放熱基板の基礎知識から選定ポイント、設計のコツ、そして実際の活用事例まで、幅広く解説してきました。
放熱基板は、現代の電子機器にとって欠かせない重要な要素です。
適切な放熱設計は、機器の性能向上、信頼性確保、そして省エネルギー化に大きく貢献します。
ポイントをまとめると：
- 放熱基板の種類と特徴を理解し、用途に応じて適切に選択する
- 熱源の特定と放熱経路の最適化を行う
- 基板のサイズとレイアウトを効果的に設計する
- 熱流体解析を活用して設計を検証し、改善する
- 製造プロセスにおける注意点を把握し、設計に反映する
これらのポイントを押さえつつ、各産業分野の特性や要求を考慮することで、効果的な熱設計が可能になります。
放熱技術は日々進化しています。
新材料の開発や、AIを活用した最適設計手法など、今後も様々なイノベーションが期待されます。
熱設計エンジニアとして、これらの新技術にも常にアンテナを張り、より優れた製品開発に貢献していくことが重要です。
あなたの次の設計プロジェクトでは、この記事で学んだ知識をどのように活かせそうでしょうか？
放熱基板の可能性を最大限に引き出し、革新的な製品開発につなげていただければ幸いです。
最後に、熱設計は非常に奥が深い分野です。
この記事で紹介した内容は、あくまでも基本的な考え方や一般的な事例です。
実際の設計では、製品の特性や要求仕様に応じて、さらに詳細な検討が必要になります。
また、熱設計は他の設計分野（電気設計、機構設計など）と密接に関連しています。
各分野のエンジニアと緊密に連携し、総合的な視点で最適な設計を目指すことが、優れた製品開発につながります。
熱設計の世界は、チャレンジングでありながら、非常にやりがいのある分野です。
この記事が、あなたの熱設計スキル向上の一助となれば幸いです。
さあ、あなたの次の設計プロジェクトで、放熱基板の力を最大限に活かしてみませんか？
革新的な製品の誕生を、心よりお祈りしています。
最終更新日 2025年7月8日 by mdchiefs
