2024-11-26 株式会社OKIアイディエス,沖電気工業株式会社
PCBの熱解析シミュレーション
OKIグループの設計開発受託事業会社であるOKIアイディエス（社長：滝澤 家信、本社：群馬県高崎市、以下OIDS）は、地上と異なる冷却手段が求められる特殊な環境下で稼働するロケットや人工衛星に搭載する機器を対象とした「宇宙機器向け熱解析シミュレーションサービス」を11月27日より開始します。成長著しいニュースペース市場をターゲットに、独自の熱伝導シミュレーション技術を活用して、機器筐体の放熱設計の高度化と短納期化に貢献することで、2026年度5,000万円の売上を目指します。
熱解析シミュレーションは、熱の移動による機器の温度分布状態や熱応力(注1)の変化を計算します。機器が置かれる環境を自由に設定できるので、実機では測定不可能な箇所の温度も算出可能です。これにより、製造前に設計を検証し、開発期間を短縮し、製造コストを削減できます。しかし、宇宙環境でのシミュレーションにはいくつかの課題がありました。その一つは、地上から宇宙の真空環境への移行時における動作環境の急激な変化です。また、宇宙空間には空気が存在しないため、空冷技術による対流熱伝達ができず、発熱源である電子部品からプリント配線板（PCB）を介して筐体への熱伝導による放熱が主な手段となります。これらの要因により、物体間の熱伝導を正確に予測することが困難でした。
新サービスでは、時間とともに急激に変化する環境下での温度分布の変化を正確に把握するため、非定常熱解析(注2)を行います。これにより、実際の動作条件下での温度変動を詳細に再現するシミュレーションが可能になります。
発熱源である電子部品を搭載するPCBは、主に熱伝導率の低いガラスやエポキシ樹脂と熱伝導率の高い銅で構成されています。銅は回路パターンとして各層に配置され、平面方向に熱を伝えやすく、厚み方向には熱を伝えにくい異方性の熱伝導率を持っています。また、スルーホール(注3)が多数存在し、それが厚み方向に銅をつなぎ、局所的に熱伝導率を高めています。そのため、各層の厚みやガラス・エポキシ樹脂・銅の割合、および単位面積あたりのスルーホールの数を考慮して熱伝導率を平均化しました。これにより、平面方向と厚み方向それぞれに一律の熱伝導率を持つ簡素化モデルを作成し、精度の高いシミュレーションが可能になりました。
さらに、OIDSでは、新サービスに向け、機構設計、実装設計とエレキハードウェア設計の専門家を組み合わせた専門チームを結成しました。このチームは、OKIグループおよび、多様なお客様に提供してきたデザインサービスの実績とノウハウを活かし、正確なシミュレーションに加えて、効率的な放熱ルートを確保した装置内機器レイアウトとPCB上の部品配置を提案します。特に、さまざまな材料および形状の熱特性に関する知見が、効果的な熱設計に貢献します。
OKIは、中期経営計画2025において、航空宇宙市場をEMS事業の注力分野としています。設計生産だけでなく、機器設計段階でのシミュレーションなど、宇宙品質のモノづくり力を活かし、グローバルな航空宇宙市場に向けた技術開発と販売拡大を進めています。
販売計画
- 標準価格
- 個別見積
- 販売目標
- 年間5,000万円（2026年度）
- サービス提供開始時期
- 2024年11月27日
用語解説
注1：熱応力
物体には固有の線膨張係数があり、温度が上昇すると膨張し、温度が低下すると収縮する。この温度変化による膨張や収縮が何らかの要因で拘束されていると、拘束がない場合に生じる膨張や収縮による変形がひずみとして残り、物体に内部応力が生じる。この応力は外力によって生じるものではなく、温度変化によって生じるものであり、「熱応力」と呼ばれる。
注2：非定常熱解析
非定常熱解析とは、時間の変化に伴う温度分布を解析する手法である。この手法により、機器や環境が温度変動に、どのように反応するかをシミュレーションし、設計や改善策の検討に役立つ。
注3：スルーホール
スルーホールとは、PCBにNCドリルマシンで穴を開け、そこに銅めっきを施したもの。導体と絶縁体の層が何層も積み重なり、その層を貫通する形で穴を開け、各層間に形成された回路同士を電気的に接続することで、PCBの機能を実現する。
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