プリント基板のサーマルパターン効果について

Question

プリント基板のはんだ上りを向上させるためにサーマルパターン（十字形状のパターン）を付けた方が良いと一般的に言われていますが、本当に効果あるのでしょか？
熱解析で検証したところ、確かに手はんだの条件下では、はんだ付けする面に熱集中が発生しますのでそれなりの効果は期待できそうです。しかし、多層基板のはんだ付けする以外の層、あるいはフローはんだ時では熱伝導阻害の影響が大きく温度上昇が相当悪化するという計算結果になりました。実際に実装した基板にも近い傾向が見られます。
この結果を本当信じていいものか自信が有りません。
どなたか上記結果の妥当性、サーマルパターンの効果をご教示頂けないでしょうか。

問題となっている部分は熱容量が非常に大きな部品の端子接続部で、大電流部（数十アンペア）でもあります。このため多層基板の全層でパターン接続しており、パターン自体はベタパターンとなります。接続部は全層一応サーマル形状としております。はんだは鉛フリーのため濡れ性も良くはないです。詳しくは説明できませんが、問題解決のために調査していったところサーマルパターンの効果に疑問が生じてきましたので今回質問出させて頂きました。文献等でも効果の具体的根拠までたどりつけず、もしかしたら手はんだ時の効果を単に慣習的に適用していても問題が顕在化していなかっただけではないかと疑っています。具体的根拠をご教示頂けると助かります。

Answer

おっとうです．
ＴＯＭＩさんお世話になります

私の想定イメージが異なっていました．一般的なリード部品を想定していま
した．多分、大電流用のピンの太いコネクターやトランス、端子、多々あり
ますがいずれにしても数十アンペアを流すわけですからかなりの導体との
接続が必要と思われます．
通常、基板の一般的な銅箔厚に於いて幅1ｍｍ＝１Ａで配線との根拠があり
ますが、今回はどちらかというと、サーマル接続した上での実装条件が大き
なウエイトを占めると思います．また、層数と内外層の銅箔めっき厚
（通常基板であれば仕上がり２０um位？）ですが、電源関係の基板となると
外層ですら銅箔厚さが仕上がりで３５umとかあります．（当然、内層は
もっと厚いです）

誠に申し訳ないのですが、具体的な根拠を元に回答することは出来なく
申し訳ないのですが、その様な基板でのフロー実装は余り経験が無く、
JEITA等が鉛フリーの標準的な温度フロー（山形／平形）を掲載していま
すが（温度と時間）、今までの方法では、やはり内外層共にサーマル接続
とし、他のフロー実装とは別に該当部品のスルホール部分をシールマスク
をして、後で手半田実装と言うことを主に車載系、電源系
（基板厚ｔ＝２．４mm、外層銅箔３５um、内層銅箔６０umm、対象部品は
電源コネクター端子部分で確か６系統の電源があったかと）で行ってい
ました．

多分、実装条件と基板の構造に絡む個別の内容になると思うので、もし
今後もその様な案件が続くようでしたら、熱シミュレーション（実装条件
確立のため）を行った方が良いかと思います．基板のパターンで本件の
ような対策を取るのは導通ランド形状程度しか無く、

■基板導体面積（導体幅とめっき厚さ）と電流値による温度上昇のグラフが
　ＩＰＣのどこかにあったかと思います．（１mm幅＝１Ａの根拠）
■めっき厚を薄くしてその分サーマルでない導通ランドにする．
■逆にメッキ厚を厚くして、接続面積を減らす
■部品自身のリード実装用スルホールに電流容量接続を頼るのではなく、
　周囲のベタパターンに強化用のスルホールを設けて電流容量を確保する

スミマセンが、この程度しか思いつきません．しかし、内外層の接続数が
多く、温度が上がらない、と言うことはＴＯＭＩさんがおっしゃられてい
るように確実に熱拡散が起こっているので、周囲のスルホールを設けるのが
一番の対処法かと思います．

Answer

結論から言いますと、サーマルの接続線幅とスルホール穴径（部品ピン径）
にもよりますが、変化します．（熱拡散に対しては、サーマル接続が良い）

また、サーマルパターンの作り方を良く、クリアランスにして、十字型の
パターンをはる場合がありますが、余りおすすめできません．ちゃんと
サーマル接続専用アパーチャーを作った方が良いです．

良く、ピッチサイズが狭いためにベタ接続で内層に接続する場合があります
が、熱拡散がサーマル接続に比べ非常に高く、スルホールの中で温度が上が
らず、マイグレーション、半田不良の原因などになる可能性があります．
また外層のスルホールに接続されているパターンは電源／ＧＮＤなどのベタ
パターンになっていませんか？（サーマルが原因ではないと言うこと）

参考までにリード部品でスルホールがΦ1.0の場合、サーマル接続用ライン幅
は０．２mm程度にしています．また、サーマルの接続箇所は４箇所と思いま
すがたまに、近接クリアランスやスリットの関係で１本程度の食われは容認
しています．

設計から基板製造まで２０数年振り返って、ベタ接や外層ベタ＋サーマル
接続で熱拡散の問題は起きたことはありますが、ちゃんとしたサーマルで
問題が起きたことは記憶にありません．

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