許容損失

電子部品における許容損失について

電子部品の許容損失（Allowable power dissipation）とは、その電子部品が性能を損なうことなく安全に消費できる最大の電力のことです。これは最大許容損失とも呼ばれ、電子部品、特に半導体の性能を示す重要な指標となります。

電子部品における発熱とその重要性

電子部品に電流が流れると、エネルギーの一部は熱エネルギーに変換されます。この現象は、超伝導体を除き、すべての電子部品で発生します。発生した熱が部品内に蓄積されると温度が上昇し、部品の破損や性能低下につながります。そのため、電子部品は発生した熱を効率的に外部に放出する必要があります。

許容損失は、電子部品が単位時間あたりに放出できる最大の熱量と考えることができます。この値を適切に管理することは、電子機器の安定動作と長寿命化に不可欠です。

放熱手段の種類

電子部品の放熱方法は、その用途や環境によって様々な種類があります。

空気への放熱

多くの電子部品は、特に民生品において、空気中に熱を放出します。しかし、空気への放熱は周囲の気温が高いほど困難になり、許容損失は減少します。そのため、消費電力の大きい部品では、常温での許容損失だけでなく、想定される最高気温下での許容損失も考慮する必要があります。

基板への放熱

ヒートシンクを装着していない電子部品の場合、発生した熱の多くは電極を通じて基板に放出されます。これは、電子部品のパッケージと空気の間の熱抵抗よりも、電極と基板間の熱抵抗の方が圧倒的に低いためです。基板に放出された熱は、基板表面から空気中に放熱されます。したがって、基板のサイズ、材質、導体箔の面積などが許容損失に影響を与えます。一般的に、基板が大きいほど許容損失も大きくなります。

ヒートシンクへの放熱

ヒートシンクを電子部品に取り付けることで、許容損失を大幅に向上させることができます。ヒートシンクと電子部品の間の熱抵抗は、空気と電子部品の間よりも低いため、熱は効率的にヒートシンクに移動します。この時、熱抵抗は主にヒートシンクの表面と空気の間で発生します。そのため、ヒートシンクの表面積を増やすことで、放熱性能を高めることができます。ヒートシンクには、表面積を稼ぐために剣山のような形状をしているものもあります。さらに、送風機などを使用してヒートシンク周辺の温度を下げることで、系全体の熱抵抗を下げ、許容損失をさらに高めることができます。

液体への放熱

スーパーコンピュータや一部の高性能コンピュータでは、ヒートパイプを利用した液冷システムが採用されています。この方法は、熱抵抗の低い液体を利用して効率的に熱を移動させるもので、大規模なシステムになりますが、最終的には熱交換器を介して空気中に放熱されます。液冷も許容損失を増やす有効な手段です。

輻射による放熱

人工衛星のように、空気がない環境では、熱を輻射によって放出するしかありません。そのため、輻射による放熱に頼る場合は、許容損失が大幅に小さくなります。

関連用語

熱抵抗: 熱の伝わりにくさを示す指標です。
熱エネルギー: 熱として移動するエネルギーのことです。
[熱設計電力]: CPUなどの発熱量を設計する際の目安となる値です。
CPU power dissipation: CPUが消費する電力と発熱量の関係を示す指標です。
Power management: 電力消費を効率的に管理するための技術です。

外部リンク

東芝セミコンダクター社
PIC FUN
MAXIM

これらの情報を参考に、電子部品の許容損失を適切に理解し、安全な電子機器の設計・運用に役立ててください。

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