アルミ基板：熱設計と材料

HDI PCBとは アルミニウムPCB は、銅配線、電気絶縁性の熱誘電体、アルミニウム基板を組み合わせたプリント基板です。誘電体は回路を電気的に絶縁しながら、熱を金属へ伝えます。この構造は、基板、取り付け面、冷却面が適切な熱経路を形成する場合に、LED照明やパワーエレクトロニクスに有用です。

基板を選ぶ際は、熱経路全体を確認する必要があります。誘電体の熱伝導率を高めると効果が期待できますが、その効果は厚さ、熱伝達面積、アセンブリ内の他の部分の熱抵抗によって異なります。

要点

• 一般的なアルミニウムベース基板では、誘電体が金属基板から銅を電気的に絶縁しながら熱を伝えます。
• 誘電体の厚さと熱抵抗を、熱伝導率とあわせて比較してください。熱伝導率の数値だけでは、部品温度を予測できません。
• 以下の説明用の例では、ヒートシンクを改善すると、誘電体の熱伝導率を2倍にするよりも、計算上の接合温度が大きく低下します。
• 製造用ファイルを確定する前に、電気絶縁、穴の構造、取り付け面を指定してください。

アルミ基板とは？

アルミニウムコアPCBは、メタルコアPCB（絶縁金属基板、IMSとも呼ばれる）の一種です。この構造ではアルミニウムが支持金属となり、エッチングされた銅箔が回路を形成します。 アルミニウムPCB は、同じ基板群を指します。

一般的な片面基板では、金属基板に接合された絶縁誘電体の上に、部品と銅配線が配置されます。 TCLADの絶縁金属基板に関する情報 では、この回路、誘電体、金属基板の組み合わせについて説明しています。

アルミニウムLED基板では、この積層構造を通じて、LEDの放熱パッドからより大きな冷却面へ熱を伝えることができます。電力変換回路にも同じ原理を適用できますが、配線と絶縁の要件がこの構造に適合する必要があります。金属ベースがあっても、部品温度、電気的クリアランス、冷却条件の確認は必要です。

積層構造：銅、誘電体、アルミニウム基板

各層の役割

各層はそれぞれ異なる役割を担います。銅は電気的な接続を提供し、局所的に熱を拡散します。誘電体は電気的な絶縁を保ちながら、厚さ方向に熱を伝えます。アルミニウム基板は基板を支え、取り付け面に向けて熱を拡散します。

層	主な機能	選定時の確認事項
銅回路	電流を流し、局所的に熱を拡散する	銅の形状は電気的要件と熱的要件を満たしていますか？
熱誘電体	回路を基板から絶縁し、熱を伝える	厚さ、熱抵抗、絶縁性の組み合わせは適切ですか？
アルミニウム基板	基板を支え、熱を拡散する	基板は機械的な要件と冷却インターフェースに適合していますか？

片面構造と、より複雑な構造

回路層を追加したり、ハイブリッド構造にしたりすると、電気的接続が導電性の基板を通る方法、またはその周囲を通る方法が変わります。絶縁された相互接続には、明確に定義された構造が必要です。多層アルミニウム基板を金属裏打ちのFR4基板と同じように扱う前に、その構造を確認してください。

熱を直接伝える設計は別の選択肢です。選択した部品パッドを金属に異なる方法で接続できます。この方式では、パッドの電位と絶縁性を確認する必要があります。誘電体で裏打ちされた標準構造の前提を、そのまま適用することはできません。

熱伝導率は熱経路を決める要素の一つにすぎません

重要なのは、想定される発熱量に対して部品温度がどれほど上昇するかです。熱伝導率は材料の特性を表します。一方、熱抵抗は特定の形状やアセンブリを表し、単位はK/Wです。温度差については°C/Wと同等です。

厚さと面積を用いて誘電体の熱抵抗を計算する

均一な層を通じた定常的な一次元熱伝導の場合、 MITによる熱抵抗の関係式の解説 は次のとおりです。

Rθ = t / (k × A)

ここで、 t は厚さ（メートル）、 k は熱伝導率（W/(m·K)）、 A は想定される有効熱伝達面積（平方メートル）です。有効面積が基板全体の面積と一致するとは限りません。

次のような仮想的な誘電体を考えてみましょう:

• 厚さ： 100 µm = 0.0001 m.
• 熱伝導率： 1.5 W/(m·K).
• 有効面積： 100 mm² = 0.0001 m².

理想的な厚さ方向の熱抵抗は 0.667 K/W。厚さと面積を固定したまま熱伝導率を3.0 W/(m·K)に2倍にすると、 0.333 K/W。厚さと熱伝導率の両方を2倍にすると、元の 0.667 K/W.

となります。これらは学習用の入力値であり、市販材料や電気的に互換性のある選択肢を示すものではありません。サプライヤーが示す熱抵抗値は、面積で正規化されている場合もあります。TCLADの 絶縁材料の表 には、HTの熱伝導率が2.2 W/(m·K)と記載されており、厚さ75 µmで0.05 °C·in²/W、厚さ100 µmで0.077 °C·in²/Wの熱抵抗値が示されています。これらの単位は、完成基板のK/Wを表すものではありません。この表には測定方法が記載されておらず、熱抵抗値が理想的な平板計算に従うことも確認されていません。最新のグレード別データシートを入手し、同じ試験条件の値を比較してください。

接合部から周囲までの熱予算を計算する

支配的な直列経路が、 放散熱5 W を、 40°Cの空気へ伝えると仮定します。以下の熱抵抗値は、この例のために選んだ仮想的な有効値であり、測定値やデータシートに基づく値ではありません。

仮定した熱経路の一部	熱抵抗
接合部から部品のサーマルパッドまで	1.000 K/W
はんだと局所的な銅箔への熱拡散	0.400 K/W
上で計算した絶縁層	0.667 K/W
アルミニウムベースの寄与とヒートシンクへの界面	0.300 K/W
ヒートシンクから周囲まで	4.000 K/W
合計	6.367 K/W

この簡略化した熱回路では、 Tj = Ta + Pheat × Rtotalとなります。計算上の接合部温度は、 40 + 5 × 6.367 ≈ 71.8°C.

設計変更を2つ比較する

他の条件を固定して、一度に1つの入力値だけを変更します。

シナリオ	合計熱抵抗	計算上の接合部温度	基準値からの低下
基準	6.367 K/W	71.8°C	基準値
絶縁層の熱伝導率を2倍にする	6.033 K/W	70.2°C	1.7°C
ヒートシンクから周囲環境までの熱抵抗を4 K/Wから2 K/Wに低減	4.367 K/W	61.8°C	10.0°C

この仮定に基づく熱予算ではヒートシンクの影響が支配的なため、ヒートシンクの改善効果がより大きくなります。組み立て方が異なれば、結果も異なる場合があります。値は丸め前の入力値を使って計算し、表示時に丸めています。

このモデルから、許容可能な動作温度が確定するわけではありません。実際の熱拡散、並列の熱経路、気流、温度依存特性については、解析または測定が必要です。LEDの電気入力を自動的にすべて熱として扱うのではなく、熱損失を使用してください。

テキサス・インスツルメンツの 半導体およびICパッケージの熱指標 （2024年3月改訂版）では、その理由として データシートの熱指標は、測定条件と熱経路によって変わると説明しています。θJAや任意のθJCを、基板／ヒートシンクの熱ネットワークに加算するパッケージ単体の抵抗として扱わないでください。この例の接合部からパッドまでの項は、明示的に仮定したものです。経路を二重計上せず、実際の放熱面に適したモデルを使用してください。

部品の定格と現実的な試作機の測定結果に照らして、設計全体を確認してください。 PCB熱ホットスポットガイド では、この検証手順を取り上げています。

アルミ基板、FR4、銅ベース、セラミックの選択肢

配線、電気的絶縁、冷却、機械的制約を総合的に考慮して基板材料を選んでください。材料自体の熱伝導率が高くても、完成したアセンブリの温度が必ず低くなるとは限りません。

選択肢	検討する状況	選択前に確認する項目
アルミニウム裏打ちIMS	熱源から取り付け面までの誘電体層を短くできる場合	誘電体の熱抵抗、絶縁、配線の自由度、ヒートシンクとの接触
FR4	高密度配線や一般的な多層基板構造が重要な場合	銅による熱拡散、サーマルビア、冷却アセンブリが温度制限を満たすかどうか
銅ベース構造	金属による別の放熱経路が用途に有効な場合	重量の増加、構造、電気的絶縁、製造コスト
セラミック基板	材料固有の熱的・電気的特性または動作要件を踏まえ、評価が必要な場合	セラミックのグレード、メタライズ方法、接合プロセス、機械的荷重

厚銅とは銅配線が厚いことを指し、基板が銅ベースであるとは限りません。同様に、アルミ基板にも信号配線を設けられますが、積層構成が配線と電気的要件を満たす必要があります。金属の裏打ちは、インピーダンスに敏感な設計に適した基準構造の代わりにはなりません。

この PCB材料選定ガイド では、より幅広い基板の選択肢を比較しています。アルミ基板とFR4のどちらを選ぶか検討する際は、まず、使用可能な筐体内で、どちらも同じ温度、絶縁、配線の要件を満たせるかを確認してください。材料名だけでなく、ソリューション全体を比較してください。

設計時の確認事項：絶縁、穴、取り付け

電気的絶縁と機械的接触を一体として計画してください。導電性のベース、ねじ、露出した端部が、回路図で意図していない接続を生じさせることがあります。

電気接続部とメタルコアとの接触を分けて考える

製造図面では、電気接続用のめっき穴やビアと、機械取り付け用の穴を区別してください。金属ベースを貫通する電気接続には、意図した絶縁構造が必要です。取り付け穴は、ベースとシャーシを意図的に接続する場合もあれば、絶縁部品が必要な場合もあります。どちらに該当するか明記してください。

この アルミ基板の製造サービス では、絶縁されためっき穴とスルーホール実装を提供していますが、材料と積層構成は技術審査の対象です。必要な箇所でリードのバレル、パッド、ベースがどのように分離されるか確認してください。標準的なFR4用ドリルファイルで形状が完全に指定されていると考えず、絶縁形状と検査方法を製造業者に確認してください。

基板とヒートシンクの接合部を指定する

接触面積、表面の平坦度、熱伝導性インターフェース材料（TIM）、厚さ、取り付け方法を定義してください。締結トルクは、アセンブリおよび金具の供給業者と合意してください。接触圧、隙間、インターフェース材料は、実際の熱経路に影響します。

ねじ、ワッシャー、スロット、基板端部で必要な絶縁がどのように維持されるか、設計審査担当者に確認してください。製品に安全規格上の絶縁障壁が必要な場合は、適用要件を文書化し、絶縁システムと適合性を示す証拠について合意してください。

電気的要件と製造上の制約を確認する

動作電圧、必要な絶縁機能、沿面距離、空間距離、合否判定試験を明記してください。耐圧試験や絶縁耐力試験の結果に加えて、承認済みの動作電圧仕様も確認してください。試験値から動作仕様を推定しないでください。用途、構造、適用される製品要件に適した限度値を合意してください。

TCLADの製造ガイダンス では、回路と穴の間隔とHiPot試験を別々の項目として扱っています。数値で示される製造ガイダンスは、供給業者固有のものです。実際の製造品について、選定した製造業者が承認する形状と試験基準を入手してください。

外形、穴、銅箔から端部までの要件を記録し、供給業者に確認してもらってください。 PCB DFMチェックリスト 全体的なリリース資料一式については、これを使用し、そのうえで上記の金属ベースに関する詳細を追加してください。対象製品の要件から切り離された、汎用的な間隔や試験電圧のルールは避けてください。

製造、実装、コストを左右する要因

裸基板の製造と部品実装では、それぞれ別個に工程を決める必要があります。製造では、積層構造、銅箔パターン、穴、外形、ソルダーマスク、表面処理が決まります。実装では、はんだ、部品、熱プロファイル、検査が加わります。

実際の基板と部品の組み合わせに合わせて、リフロープロファイルを検証してください。 Analog DevicesのuSLICパッケージ向け実装ガイダンス では、実際のはんだ接合部に熱電対を配置することを推奨し、接合部の温度はリフロー炉の設定温度とは異なると説明しています。このガイダンスはパッケージ固有のものであり、アルミ基板向けの製造条件ではありません。測定の原則を適用しつつ、選定した部品およびはんだペーストのプロセス上の制限に従ってください。

コストは、誘電体のグレードと厚さ、銅、外形、絶縁穴、パネルの使用、数量、表面仕上げ、検査、実装の範囲によって異なります。公開されている最小値と最大値から、あらゆる組み合わせが提供可能だと判断することはできません。

確認項目 LEDおよびアルミ基板の製造能力 出発点として参照し、選択したアルミ基板構造について確認を依頼してください。この総合的な製造能力ページではFR4製品も扱っています。掲載されている全範囲を、単一のアルミ基板積層仕様として解釈しないでください。

熱設計を製造引き継ぎ資料にまとめる

熱計算の前提条件をリリース記録に引き継いでください。計算例で使用した有効面積、パッケージ項、界面熱抵抗は、実製品に適用するには根拠による裏付けが必要です。

記録の種類	引き継ぎ資料に含める内容	この例における状況
動作要件	放熱量、周囲温度範囲、許容接合部温度、動作モード	5 Wおよび40°Cは仮定値。許容温度は未確定
材料の指定	実際の誘電体グレード、厚さ／公差、熱試験方法、銅、ベース構造	一般的な誘電体の入力値のみ
算出した推定値	計算、仮定した面積、熱回路の境界、制限事項	誘電体の熱抵抗0.667 K/W、基準温度71.8°C
機械的インターフェース	ヒートシンク／接触部の図面、TIM、取り付け方法、合意した締め付けトルク	インターフェースとヒートシンクの項は仮定値
電気的受け入れ基準	動作電圧、絶縁要件、合意した試験方法／判定基準	用途に応じた定義が必要
製造資料一式	回路ファイル、ドリルデータ、製造図面、外形、穴の詳細、数量、表面仕上げ	実際の設計に合わせて提出が必要

関連するドリルデータと製造情報を含むGerberまたは受け入れ可能なODB++データを提出してください。実装にはBOMと部品配置データも必要です。すべてのファイルでリビジョン識別子を統一してください。

リリース前に、熱設計の入力値のうち、サプライヤーデータ、シミュレーション、試作測定のどれに基づくものかを合意してください。同一の製造仕様において、電気絶縁、加工上の制限、選定材料に互換性があることを確認してください。仮定した熱抵抗から計算した温度だけでは、製造用の積層構成を承認できません。

よくある質問

アルミ基板にはヒートシンクが必要ですか？

別体のヒートシンク、シャーシへの接続、または別の冷却面が必要になる場合があります。アルミベースは熱を拡散しますが、アセンブリ全体として周囲へ熱を逃がす必要があります。放熱量、周囲条件、許容部品温度をもとに冷却要件を決め、実際の動作に近い条件でアセンブリを検証してください。

アルミベース基板にスルーホール部品を使用できますか？

必要な穴と電気絶縁に対応した構造であれば使用できます。導電性のベースがあるため、穴の設計が重要です。どのスルーホールめっき部とパッドが電気的接続なのか、ベースをシャーシに接続するのか、どこに絶縁が必要なのかを指定してください。リリース前に、これらの詳細を基板メーカーに確認してください。

誘電体の熱伝導率は、常に1.5 W/m·Kより3 W/m·Kの方が優れていますか？

いいえ。厚さと面積が同じであれば、熱伝導率が高いほど理想的な厚さ方向の熱抵抗は低くなります。しかし、誘電体が厚いとその効果が相殺されることがあり、冷却経路の別の部分が支配的になる場合もあります。熱伝導率だけで選ぶのではなく、必要な電気絶縁、実際の熱データ、アセンブリ条件を総合的に比較してください。

アルミベースは回路から電気的に絶縁されていますか？

標準的な誘電体層を備えた構造では、誘電体によって銅回路とベースを分離することを意図しています。ただし、絶縁性は選定材料、形状、穴、アセンブリによって異なります。直接熱経路を設けた構造では異なる場合があるため、意図する電気的接続を定義し、実際の製造仕様に必要な試験を確認してください。

アルミ基板をレビューに提出する準備をする

回路ファイル、製造図面、熱負荷、動作条件、取り付け要件を添えて、 アルミ基板の製造に関するお問い合わせをお送りください。レビューでは、互換性のある構造を確認し、量産前に検証が必要な熱設計上の前提条件を特定します。