サーマルビア
サーマルビアとは、プリント配線板（PCB）において熱を効率的に拡散・放熱させるために用いるスルーホールビアである。高発熱デバイス（QFN、Power MOSFET、LDO、DC-DC、LEDなど）の下や近傍に多数配置し、銅箔面および内層・反対面の銅プレーンへ熱流路を形成する。FR-4の熱伝導率は低く、銅の熱伝導率は高いため、銅で内壁めっきされたビアを縦方向の熱パイプとして使う発想である。設計の要点は、必要放熱量に見合う熱コンダクタンスを確保しつつ、実装・信号品質・製造信頼性とのバランスを取ることである。
機能と原理
サーマルビアの本質は、銅めっき円筒の断面積と長さで決まる熱抵抗の低減にある。熱伝導はフーリエの法則に従い、ビア1本の熱コンダクタンスは概ね G＝k・A/L（k：銅の熱伝導率、A：めっき肉厚×周長に相当する有効断面、L：基板厚）で近似できる。これを多数並列配置することで合成コンダクタンスが加算され、発熱源から裏面ヒートスプレッダや内層GNDプレーンへ熱を逃がす。周囲の銅面積（スプレッド）と対流・放射条件も温度降下に大きく寄与する。
設計パラメータ（寸法・ピッチ・本数）
- ビア径：0.2〜0.35mm程度が実装互換性と加工性の両立点となることが多い。微細化は熱経路の並列数を増やせるが、ドリル・めっき歩留まりが支配的になる。
- めっき厚：内壁銅厚が厚いほどGが増す。製造仕様で最小めっき厚を確認し、熱解析で必要値を逆算する。
- 基板厚：薄板はLが小さく有利だが、機械強度や絶縁距離とのトレードオフが生じる。
- 配列密度：等ピッチ格子でソルダマスク開口と干渉しないレイアウトを採る。熱源直下は高密度、周辺に向かって疎にする勾配配置も有効である。
ビアフィルと実装上の注意
開口ビアははんだ吸い込みによるボイド・濡れ不良を招く。小径化やテント（ソルダマスクでの被覆）、樹脂フィル＋銅キャップ（via-in-pad plated over：VIPPO）で対策する。VIPPOは平滑な着座面を与え、QFNのサーマルパッド直下に多用される。一方でコスト上昇と製造サイクル増大を伴うため、必要箇所へ限定するのがよい。
はんだ吸い込み対策の具体例
- サーマルパッド内ビアの縮小・テント化
- 樹脂フィル＋銅キャップ（VIPPO）の採用
- クリームはんだ量の最適化（開口分割・ステンシル厚調整）
層構成と熱スプレッダ
裏面全面にGNDプレーンや大面積銅を設け、ビアで接続することで水平拡散（スプレッディング抵抗の低減）が得られる。多層基板では内層の厚銅化（2oz以上）やサーマルランド拡大が効果的である。発熱が大きい場合、金属コア基板（MCPCB）や外付けヒートシンクとの組み合わせを検討する。
熱設計の簡易見積り
例えば、板厚1.6mm、内壁銅厚25μm、ビア径0.3mm（内壁中心周長≈π×0.3mm）とすると、1本の有効断面Aはおよそ 2πr t に近似でき、Gは数十mW/Kオーダと見積もれる。これをn本並列化すると G_total ≈ n・G で増加する。さらに、裏面の銅面積・厚み・対流条件（自然対流/強制対流）を考慮し、デバイス接合温度目標から逆算して必要本数を決める。
電気的影響とEMI
サーマルビアはGNDスタッチングとしても機能し、リターンパス短縮により高周波ループ面積を縮小できる。ただし高速信号の近傍では寄生容量・インダクタンスの変化でインピーダンス整合を乱す可能性がある。差動ペアの直下に無秩序に配置することは避け、意図したリターン設計と整合させる。
信頼性（熱疲労・CAF・メッキ割れ）
温度サイクルによりビア内壁に熱疲労が蓄積し、クラック発生のリスクがある。めっき厚の確保、アスペクト比の抑制、レジンフィルによる機械的支持などで緩和できる。また高湿下でのCAF（Conductive Anodic Filament）対策として、最小絶縁距離の遵守と樹脂系材料の選定が重要である。
製造工程の観点
機械ドリルやレーザドリル（μビア）後、無電解→電解銅めっきで内壁を形成する。高密度配列ではめっきスローイング（深部析出性）やスミア除去が歩留まりを左右する。設計段階で工場の限界仕様（最小径、最小ランド、アスペクト比、内壁銅厚）を確認し、DFMに落とし込むことが不可欠である。
解析・検証
- 熱カメラやサーミスタでの実測評価（定常・過渡）
- θJA/θJC指標とデバイス許容温度の突き合わせ
- FEM熱解析での最適本数・配列探索と感度解析
関連する概念・用語
ヒートスプレッダ、via-in-pad、テントビア、スタッチングビア、厚銅配線、MCPCB、パワーグラウンド、スプレッディング抵抗、QFNサーマルパッド、ボイド、レジンフィル、銅キャップ、はんだ濡れ、インピーダンス整合などのキーワードは相互に関連する。基礎として熱伝導、対流、放射の各機構を押さえ、材料物性と実装条件を合わせて評価することが望ましい。
用例と設計指針
- QFN/DFNの中心パッド直下に格子状に高密度配置し、裏面全面銅へ接続する。
- DC-DCのパワーMOSFETやインダクタ周辺は熱源近接部を高密度、周縁は疎配置にする。
- LEDモジュールでは光学部品への熱影響を抑えるため、放熱経路を下側へ優先的に引く。
- 高速領域では意図したGND経路に限定して配置し、差動ペアの整合を守る。
実装図面への指示事項
ビア径・ピッチ・本数、内壁めっき厚、テント/フィル仕様、ステンシル開口（分割パターン）、実装工程上の注意（はんだ量、リフロー温度プロファイル）を図面とBOMに明記する。必要に応じて検査条件（X線検査の判定基準、サンプル抜き取り数）も定義する。
参考となる基礎知識への導線
熱と電気は表裏一体である。基礎学習として熱伝導、材料、抵抗、電流、コンデンサ、インダクタ、半導体デバイス、はんだ付け、表面実装技術（SMT）などを俯瞰すると理解が深まる。設計では、安全率を持たせた余裕設計と、実測での妥当性確認を常にセットで運用するべきである。
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