ヒートシンク設計の要点：重要因子と計算方法

ヒートシンクは機械や電気回路で見落とされがちなコンポーネントですが、ハードウェア設計では極めて重要な機能を果たします。CPU、ダイオード、トランジスタなどほぼ全ての技術が熱エネルギーを発生し、熱性能低下と動作非効率を招きます。

放熱課題を克服するため、様々なタイプのヒートシンクが設計され、各素子に適し、最適温度で動作させます。

技術の急速な発展（特にナノテック）と、可能な限りコンパクトかつ効率的なものづくりの中で、適切なヒートシンク設計は電気製品製造におけるチェックアンドバランスとなっています。本記事ではヒートシンクの詳細と設計考慮事項を議論します。

ヒートシンクとは？

ヒートシンクは、他コンポーネントから余分な熱を取り除くデバイスです。集積回路では、高熱伝導材料で作られ不要な熱を放散させます。表面積を拡大し、より冷たい空気や流体を表面に通すことで機能します。

フーリエの法則によれば熱は高温から低温へ移動します。ヒートシンクはこの法則に基づき温度勾配で動作します。電気部品で発生した不要熱を取り込み、伝導や自然対流などの熱伝達方法で冷たい空気や流体へ移動させます。

ヒートシンクの種類

ヒートシンク設計の第一歩は、タイプ決定です。代表的な2タイプがあります。

パッシブヒートシンク

パッシブヒートシンクは従来型で、自然気流を利用します。ヒートシンク周りに自然対流が生じ、コンポーネントから熱を遠ざけます。運用コストが安く、追加電力不要で機能します。

アクティブヒートシンク

アクティブヒートシンクはより効率的で強力ですが、ファン等の電気駆動デバイスを使い強制対流で熱伝達させます。ファン使用で識別容易です。ファン依存のため、パッシブと同等放熱でより小表面積・軽量材料で済みます。

ヒートシンク設計の因子と考慮事項

全ヒートシンクは同一の一般原理で動作します。まずコンポーネントで熱が発生し、ヒートシンクが放散を助けます。ヒートシンクがコンポーネントや回路に取り付けられ、伝導またはヒートパイプで熱を受け取ります。ヒートシンク材料の熱伝導率がこのプロセスに大きく影響します。

次にヒートシンク内部で熱伝達が起こります。熱源側が高温、反対側が低温になるため、自然伝導で表面全体に不均一に熱が移動します。

その後、自然・強制対流で熱が放散します。ヒートシンク表面を直接通過する空気や流体が、拡散で発生熱を取り除き周囲空気へ移動させます。

ここまでで、材料、形状、冷却剤タイプなど多くの因子がヒートシンク性能に影響することが明らかです。設計前にはこれらパラメータを考慮すべきです。

1. 熱抵抗

熱抵抗とは、発生熱が温度勾配を移動する際に直面する総合熱抵抗と定義できます。ヒートシンクアセンブリ内熱抵抗、摩擦、冷却剤と熱交換器表面間の抵抗による熱エネルギー損失などを含みます。

熱抵抗値を用いて計算可能で、コンポーネントやICに最も効果的な熱抵抗を見つけるのに極めて有用です。

2. 材料タイプ

ヒートシンク設計は材料選択に大きく依存します。代表材料：アルミ合金（AA 6063-T6）、銅タングステン、銅モリブデン。銅ヒートシンクは優れた熱伝導率と耐食性ですが、アルミより重く高価。また、化学気相成長ダイヤモンド（CVD）、格子振動由来の高熱伝導率を持つ人工ダイヤモンドも使用されます。

他の熱発生デバイスで熱抵抗の影響を受ける例として、車載リチウムイオン電池があります。これらから熱を逃がさなければサーマルランアウェイで連鎖破壊を招きます。高熱伝導カーボンファイバーヒートシンクが自動車業界の熱管理ソリューションを提供します。

3. ヒートシンクフィン

フィンはヒートシンクから周囲温度へ熱伝達させるコンポーネントです。形状と位置が熱伝達に大きく影響し、サイズと数が効率を決定します。

3.1 フィンの配列、形状、サイズ、位置

フィンは冷却流体（空気等）がヒートシンク上を通過し放熱させる部分です。したがって配列とサイズはヒートシンク構築で重要です。これら因子の強化で放熱改善と熱流れ容易化が可能。Science Directの研究で、形状がヒートシンク熱管理にどう影響するか報告されています。

「結果は円形フィンがヒートシンク熱性能を向上させ、他2形状比で熱抵抗を25%と12%低減することを示した」 — Case Studies in Thermal Engineering

3.2 フィン効率

サーバー等大規模技術ユニットの電気部品は過剰熱を発生。熱伝達遅延は性能と寿命を低下させます。ヒートパイプと液冷は大きな可能性がありますが、フィン付き熱交換器は信頼性高く継続的に熱を放散するために不可欠です。

フィンは電気部品の電力放散表面を拡大し、厚み、高さ、熱抵抗などがフィン効率に影響。効率向上には熱境界層を薄くし、空気方向をヒートシンクに対する最適角度に設定し、高熱伝導材料でヒートシンクを作ります。

4. 熱インターフェース材料

ヒートシンクは電気部品・回路に取り付けられます。その際、熱交換器と典型的電気部品の界面を熱インターフェース材料と呼びます。

熱インターフェース抵抗はヒートシンク効率を低下させ、表面粗さ、閉じ込められた空気とボイドが熱接触抵抗を増大させます。これら界面欠陥により熱伝達が悪化するため、相変化型など様々な熱インターフェース材料で熱抵抗を低減します。空気除去とボイド充填で完全接触を確保し、コンポーネント熱抵抗を低下させます。

5. ヒートシンク取り付け方法

ヒートシンクは機械部品等様々な場所で使用されます。取り付け方法選択で最大電力放散と放熱量を大幅改善可能。広く使われる方法：サーマルテープ、エポキシ、クリップ、プッシュピン。

ヒートシンク設計の多くの因子が取り付け選択に影響します。例：大型重量ヒートシンクはサーマルテープで支持不可。エポキシは熱管理ソリューションとして優れるが高コストで施工スキル必要。

ヒートシンク設計：熱抵抗計算

ヒートシンク設計で形状と機能が決まったら、放熱性能評価のため熱抵抗計算が必要です。

知っておくべき用語：

• T_junction：最大接合部動作温度
• T_ambient：周囲空気温度
• Q：発熱量
• T_{junction-case}：接合部-ケース熱抵抗
• T_interface：インターフェース材料熱抵抗
• T_heatsink：ヒートシンク熱抵抗

総熱抵抗 = 接合部-ケース抵抗 + インターフェース材料抵抗 + ヒートシンク-周囲空気抵抗。

上記計算は設計段階で、異なる材料・インターフェース比較や、コンポーネント最大動作温度に適合する適切な熱抵抗発見にも用いられます。

ヒートシンク設計：サイズ計算

ヒートシンクサイジングの第一歩は寸法決定。次にヒートシンク計算機で簡略化された計算を実行。

• 対流熱の算出

Qc = 2hA(T_component − T_ambient)

where
A = HL + t(2H + L)
h = 1.42[(T_component − T_ambient)/H]^0.25
Qc = 2hA(T_component − T_ambient)

• もう一つの放熱面A₂での対流熱算出

Qc = 2h₂A₂(T_component − T_ambient)

where
A₂ = L[2(H − b) + sb] + tL
s = 2.71 [ gβ(T_component − T_ambient)/Lαv ]

• 放射放熱の算出

対流と同様、2面から放射で熱逃げします。
Qr = 2ϵσA₁(T⁴_component − T⁴_ambient)
Qr2 = 2ϵσA₂(T⁴_component − T⁴_ambient)
where
A₂ = L(t + s) + 2(tH + sb)

• フィン数の算出

Fn = 1 + [(Q − Qr2 − Qc2) / (Qr1 + Qc1)]

• 各フィン幅の算出

W = (N − 1) + Nt

ヒートシンクの用途

熱を発生し、最大許容温度内で動作温度を常時制御する必要がある場面で使用されます。電気ユニットではLEDやトランジスタの近くにほぼ必ずヒートシンクがあり、室温環境でオーバーヒートなく動作させます。

ヒートシンク用途は熱伝導速度で特徴づけられ、温度上昇が操作リスクとなるプロセスではより高熱伝導材料が用いられます。

CPU

コンピュータ使用時、CPUチップのオーバークロックで大量熱発生。CPUと熱的に結合したヒートシンクは、この熱をチップから速やかに取り除き蓄えるだけでなく、表面を伝わらせ最終的に周囲空気へ放散させます。

パワーアンプ

パワートランジスタでは発熱がコレクタ電流リークを招き、電力損失増大、更なる温度上昇、サーマルランアウェイのループでトランジスタ破壊に至ります。ヒートシンクが発生熱を表面で速やかに伝達し、損傷を防ぎます。

オプトエレクトロニクス

LEDは自身で動作温度調整不能なため、ヒートシンクが一般的に使用されます。

ヒートシンク設計の一般的製造方法

効果的なヒートシンク設計には材料選定等多くの因子考慮が必要で、アルミニウムが最も一般的な材料です。ここではアルミヒートシンク製造の代表的3手法を説明します。

ヒートシンク押出し

押出しプロセスはシンプルなヒートシンク設計に適し、大量生産、少投資、短開発サイクル、低コストが特徴。一般にアルミ6063を使用し熱伝導性良好。原理：アルミインゴットを520〜540℃で高圧加熱し、溝付き押出し金型を通してアルミ液を流しヒートシンク胚を作る。その後切断、溝加工等で一般的なフィン形状に仕上げます。

CNC加工ヒートシンク

CNC加工は旋削、穴あけ、フライス、研削等多様なプロセスを含み、パーツ構造に応じて柔軟に適用可能。板成形、ヒートシンク溝切削、底面仕上げ等、構造部品の大半に対応。特に複雑形状ヒートシンク設計に適しています。

ダイカストヒートシンク

ダイカストアルミヒートシンクの原理は射出成形に類似。アルミ合金原料を高圧で溶融液化し、金型へ高速充填。モデルに従いダイカストマシン作動、一回鋳造で冷却・後処理後、単体ヒートシンク完成。薄肉・高密度・複雑フィン設計の一体成形が可能。

結論

技術進歩とより良いソリューションの発見により、ヒートシンク用途は拡大し続けます。ヒートシンク設計もより多様化・カスタマイズされていくでしょう。

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