電子部品発熱量測定システム『PM-100』

電子部品発熱量測定システム『PM-100』
電子部品発熱量測定システム『PM-100』
~②測定方法について~
(株)SiM24 / 大木 滋
1. はじめに
の 3 点である。
当社は、
(株)サーマルデザインラボ、名古屋市工業研究所
①発熱量を 5 %以下の推定誤差で測定できる
と共同開発した電子部品発熱量測定システム『PM-100』を
②実動している回路上で計測が可能である
昨年の 2013 年 7 月に商品発表した。その後、翌月から受
③熱解析シミュレーションとの連携により、熱設計プロ
注を開始し、すでにお客様の方々のお手元に届けさせてい
セスの精度向上が実現できる
ただいており、今後も、より多くの自社内での電子機器製作
における電子部品の発熱量測定から熱シミュレーションに
ここで、①の誤差は単一部品の場合での値であるが、本稿
いたる熱設計プロセスの改善に役立てていただけるものと
では、周囲の発熱部品の影響がある場合について述べる。
考えている。
また、③は本システムの測定原理から得られる電子部品か
本稿では、2013 年 10 月号掲載の第一報に記した測定
ら基板への熱抵抗の値に関係しており、熱解析シミュレー
原理に基いて商品化したシステムを紹介すると共に、実際
ションへの展開に有益な情報であり、上記の周囲の発熱部
に測定する際の留意点として測定対象の周囲にある部品
品の影響への対策時の考察においても、その観点に留意し
の発熱の影響と、それをキャンセルする方法について報告
て記述した。
する。
なお、この電子部品発熱量測定システムの主な特徴は、次
2. 商品の紹介
電子部品発熱量測定システム『PM-100』に
ついて、商品リスト、測定ヘッドなどの部品と
設置、配線、及びソフトウエアの画面について
概要を紹介する。次章では、測定方法について
説明する。
図 1 本体と測定ヘッドの写真
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表 1 PM-100 本体仕様
本商品には、次のものが含まれている。
また図 2 に示した通り、測定ヘッドは 3 種類の大きさが
ある。測定対象の電子部品の大きさを超えないサイズを選
• 本体(熱電対計測、ファン回転、PC 接続機能)
定する。なお、測定ヘッドの設置が不安定な場合には輪ゴ
• 測定ヘッド(L、M、Sサイズの3種類)
ムを用いた治具により固定する場合もある。また、測定ヘッ
• 室温計測用熱電対
ドと電子部品の間の熱抵抗を増加させないために、空気層
• ノート型 PC(測定ソフトウェアインストール済み)、
が生じないように熱伝導性グリースを塗布する。
USB ケーブル、電源アダプタ
図 3 は、測定ソフトウェアの画面構成を示した。左上に
• 熱伝導性グリース
各種設定領域があり、選定した測定ヘッドを指定したり、
• 取扱説明書
ファン電圧を指定したりできる。右上のグラフは横軸時間、
• 測定ヘッド固定用の輪ゴム治具サンプル
縦軸がΔ T(測定ヘッド温度と室温の差異)の時間遷移を示
している。下方のグラフと表は、測定したデータを表示し
本体と測定ヘッドは図 1 のような外観、本体の仕様は表
ている。
1 のとおりで、軽量で、取り扱いは便利である。
次章では、この測定ソフトウェアの画面に沿って、測定方
図 2 測定ヘッドの種類
図 3 測定ソフトウェアの画面レイアウト
00
法を記述する。
(3)左下のグラフ領域と、右下半分の表形式の領域の最上
段に、サンプリングした結果が順次表示される。ここでは
3. 測定方法について
「ファン供給電圧」として「12」→「10」→「8」→「6」→「4」ボ
ルトと連続して測定している。
最初に、PC と本体を USB 接続し、測定ヘッドの選定する
ため、図 3 の各種設定領域にある「ロガーへの接続」
、
「校正
(4)上記の(1)~(3)を複数回繰り返す。事例のように
ファイルオープン」ボタンを使用する。以下、測定方法につ
「ファン電圧有効範囲」をできるだけ広く均一にカバーする
いて順に記述する。
ことで精度の高い結果を得ることができる。その際、サン
プリングの回数や正確さは、左下グラフ領域の「電圧-Δ
(1) 図 3 の各種設定領域にある「ファン供給電圧」を入力
T( 取込済みデータ )」から判断できる。複数回数のサンプリ
する。入力値は上方に表示されている「ファン電圧有効範
ング結果において大きく誤差を含むために逸脱した結果が
囲」を参考にして、その範囲内でできるだけ広範囲に均等に
存在すると判断される場合には、左下半分の表形式の測定
変化させる。たとえば、ファンは M サイズのもので、電圧は
データの表示領域において該当する「行」を削除することが
4 ~ 12V の有効範囲となっている場合、
「12」とキーボー
可能である。逆に不足している場合には測定を追加するこ
ドから入力した後に「サンプル開始」ボタンをクリックす
とも可能であり、図 4 に示すように、
「12」→「10」→「8」→
る。
「6」→「4」ボルトの測定後に、追加して→「12」→「10」まで
実施した事例である。
(2)最初の測定のサンプリングを開始すると、右上半分の
グラフ領域「温度変化Δ T(= T1 - T0)の変化」に表示され
(5)事例では全 7 回の測定後に、サンプリングを終了する
る。電子部品の発熱量やファンの電圧によって異なるが、
と判断した場合には、
「熱量計算」ボタンをクリックするこ
約 2 ~ 3 分程度でグラフが一定の値に漸近する。十分に一
とで、左下端の「計算結果」において、発熱量の測定結果が表
定になったと判断したら、画面左端中央の「取り込み」ボタ
示される。ここには、測定結果から推定された発熱量とし
ンを押す。
て「Qg(平均)」が表示される。(この事例の結果では発熱量
図 4 測定画面の事例
00
の測定結果は約 0.98W と表示されており、1W の発熱部品
が式(2)のように発生する。ここで、誤差を含む数値には「*」
を使用しているので、推定誤差は約 2 %であった)。
を付記して表現した。
4. 隣接部品の影響と対策
Qg* = Qa* + Qb*
=(T1* − T0)/Rf +(T1* − T0)/Rb* ……(2)
本システムによる測定精度は、単独部品の場合に 5 %以
下であるが、周囲に隣接する部品の発熱の影響を受ける。
図 6 にも示したように、単独部品の場合と異なり、隣接の
ここでは隣接部品の測定精度への影響と、それをキャンセ
影響により測定ヘッドへの吸込み温度が T0 より高くなり、
ルするための2つの対策について記述する。
温度 T1 も上昇、Qa の計算値が増加して測定誤差は増える
検証のために、図 5 に示すようなプリント配線板を用い
(36 %誤差)。いっぽう、プリント配線板の温度も上昇する
た。同図において、青色に測定対象の 1W 発熱の部品と、隣
ことにより Qb の放熱が困難となっていることも影響して、
接する発熱部品 3 個を赤色にて示した。
本システムによる Rb 予測値が単体の実測値と比して大き
なお、第一報で記述した測定原理に基づき、商品化した空
くなることが確認された。
冷ファン式における方程式を式(1)に示した。
そこで、隣接部品の上面に厚さ 0.5mm の銅板、その上に
L サイズの測定ヘッドを設置して放熱することを図った。
Qg = Qa + Qb
その結果、図 6 の最下段のように、Δ T も復帰し、測定誤差
=(T1 − T0)/Rf +(T1 − T0)/ Rb ……(1)
は 5 %以下に復帰すると共に、Rb の予測値も単独部品の時
と同レベルを示した。なお、図 6 は、図 5 の隣接部品①のみ
ここでは、Qg:測定対象の発熱量、Qa:測定ヘッドへの放
を発熱した場合である。
熱量、Qb:基板への放熱量、Rf:測定ヘッドの熱抵抗、Rb:基
ただし、隣接発熱が増加する場合、たとえば図 5 における
板の熱抵抗、とした。
部品①と②が同時に発熱する場合には、放熱用に L サイズ
の測定ヘッドを 2 個使用したが(誤差 3 %)、③まで含めて
(1)放熱による影響キャンセル手段
隣接部品の熱は、空間を経由して影響する場合と、プリン
発熱する場合には放熱不足により誤差が増加した(22 %)。
隣接の発熱量が大きい場合には、相当する放熱手段の設置
ト配線板を経由して影響する場合がある。前者では、測定
ヘッドへの吸い込み空気の温度に誤差が生じる(温度が上
昇する)ために、Δ T が減少することによる Qa と Qb の誤差
図 5 検証に使用したプリント配線板と発熱部品
図 6 放熱による隣接部品の影響キャンセル
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が必要である。
ト配線板の温度が上昇したままであるためである。なお、
この(2)の手段では、図 5 の隣接部品①から③のすべての部
(2)放熱しない影響キャンセル手段(開発中)
品を発熱させても、誤差 5 %以下であった。
次に、現在開発中のキャンセル手段について記述する。
以上のように、隣接する部品の発熱への対策として 2 つ
上述の (1) にて測定ヘッドの吸気温度 T0 が上昇してしま
手段を記述した。前者(1)は、手間が掛かることが欠点であ
う点で課題であったが、その点に注目、吸気位置を変更すべ
るが、後者(2)では Rb 値が大きな値のまま測定される。そ
く測定ヘッドのファンを逆回転する。
のために、熱抵抗 Rb を計測することにより解析シミュレー
図 7 に示したように、測定ヘッドへの吸気は新設した遮
ションへの連携を図る上では、
(2)の手段だけでは不十分と
熱板の上方から供給する。いっぽう、測定対象含むすべて
いえる。
の電子部品から上昇する熱は遮熱板の下面に沿って排出さ
れる。ここで、遮熱板は傾斜を有しており、下端はプリント
配線板と同等か、それ以下の高さになるよう構成している。
5. まとめ
上端では下面から上昇する高温気流にエントレインされ
商品化した発熱量測定システムの紹介と共に、実運用上
て、遮熱板の上面には室温の空気が遮熱板に沿って上昇す
の課題および有効な対策について報告した。今後も熱設計
る。この気流性状により、測定ヘッドには室温 T0 の気流が
ソリューションの一役として貢献したい。
連続供給される構成となっている。なお、遮熱板は厚紙の
ような簡単な部材でも十分に機能するので、測定対象のプ
<引 用 文 献>
リント配線板の大きさに応じて手作りも可能であり、不安
1)梶田欣、岩間由希、国峯尚樹:
「基板上に実装された電子部品の発
定な測定ヘッドの固定にも具備できる。
熱量測定手法の開発」、日本機械学会熱工学コンファレンス講演
図 7 には、測定結果も示している。図 5 の隣接部品②の
論文集、pp247-248(2012.11)
場合であるが、誤差は4%と良好である。ただし、ΔTが(1)
2)長光左千男:
「電子部品発熱量測定システム『PM-100』~①測定
の手段と比して約 1 ℃低くなっているが、ヒートシンクの
原理について~」、エレクトロニクス実装技術、pp16-19
ファンによる放熱効果が増加していることに起因する。ま
(2013.10)
た、Rb の値は増加しているが、
(1)の場合と異なり、プリン
図 7 新しい影響キャンセル手段(開発中)
00
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