アプリケーションに適したヒートシンクサイズの計算方法
ヒートシンクのサイズを計算するには、まず部品のジャンクションと周囲空気の間に必要な総熱抵抗を決定し、次に最大許容温度上昇を消費電力で割る必要があります。この計算により、必要な熱抵抗値（°C/W）が得られ、それをヒートシンクの性能曲線またはデータシートと照合します。周囲温度に対して50°Cの許容温度上昇がある10Wのプロセッサの場合、5.0°C/W以下の熱抵抗を持つヒートシンクが必要であり、これは通常、自然対流で約75mm×75mm×25mmの押出アルミニウムプロファイルに相当します。
ヒートシンクサイズ計算の基本式は何か？
基本となる方程式は単純な熱回路のアナロジーです：Tj = Ta + (P x Rth)。ここで、Tjはジャンクション温度、Taは周囲温度、Pはワット単位の消費電力、Rthはジャンクションから周囲までの総熱抵抗です。最大許容総熱抵抗を求めるには、式をRth(max) = (Tj(max) - Ta) / Pと変形します。この総抵抗は、ジャンクション-ケース間（Rth-jc）、ケース-ヒートシンク間（Rth-cs）、ヒートシンク-周囲間（Rth-sa）の3つの直列抵抗の合計です。ほとんどの計算では、幾何形状と材料によって制御できる唯一の値であるヒートシンク自体の熱抵抗Rth-saを求めます。
実用的な例として、15Wの熱を発生し、最大ジャンクション温度が150°C、周囲温度が50°CのMOSFETを考えます。許容温度上昇は100°Cであり、総Rthは6.67°C/Wとなります。ジャンクション-ケース間抵抗が0.5°C/W、ケース-ヒートシンク間界面（熱伝導グリース使用）が0.2°C/Wの場合、必要なヒートシンク-周囲間抵抗は5.97°C/Wです。次に、特定の気流条件下でデータシート値が6.0°C/W以下のヒートシンクを選択します。
熱抵抗を物理的寸法に変換するにはどうすればよいか？
押出アルミニウムヒートシンクの自然対流では、1°C/Wの熱抵抗には約100〜150平方センチメートルの表面積が必要という実用的な目安があります。2m/sの気流による強制対流では、必要な表面積は1°C/Wあたり約40〜60平方センチメートルに減少します。これらの面積目標から、長さ、幅、フィン高さを導き出すことができます。例えば、5°C/Wの自然対流ヒートシンクには約500〜750cm²の総濡れ表面積が必要で、これは100mm×100mmのベースプレートと高さ20mmのフィン12枚で達成できます。
押出プロファイルは通常、フィン高さ10mm〜40mm、フィン厚1.5mm〜3.0mm、フィンピッチ（中心間隔）5mm〜10mmです。自然対流では、境界層干渉を減らすため、7〜10mmの広いフィン間隔が好まれます。強制対流では、4〜6mmの狭い間隔で単位体積あたりの表面積が増加します。ベースプレートの厚さは均一な熱拡散のために少なくとも5mm必要ですが、直径25mmを超える熱源には8〜10mmが推奨されます。
計算において周囲温度と標高が重要なのはなぜか？
周囲温度は、放熱の駆動力であるヒートシンク表面と周囲空気の間の利用可能な温度差を直接減少させます。周囲温度が25°Cではなく70°Cの場合、125°Cのジャンクション限界に対する許容温度上昇は100°Cから55°Cに低下し、同じ電力に対して約2倍の表面積が必要になることを意味します。高標高では空気密度が低下し、対流熱伝達係数が標高300メートルごとに約2〜3パーセント減少します。標高3000メートルでは、同じ性能を維持するために海抜と比較して20〜30パーセント多い表面積が必要になる場合があります。
自然対流の場合、熱伝達係数は通常、向きとフィン形状に応じて5〜15 W/(m²·K)です。強制対流の場合、係数は空気速度に応じて20〜100 W/(m²·K)の範囲です。ほとんどの熱シミュレーションとデータシート値は、気温20〜25°Cの海抜条件を想定しています。周囲温度が25°Cを超える15°Cごとにヒートシンク性能を10パーセント低下させ、海抜1000メートルごとに10パーセント低下させることを常に考慮してください。
ヒートシンクにはどの材料を選ぶべきか？
アルミニウム6063-T5は押出ヒートシンクの業界標準であり、熱伝導率は約200 W/(m·K)、コストは1キログラムあたり3〜6米ドルです。銅は385 W/(m·K)を提供しますが、コストは1キログラムあたり8〜15米ドルで、重量は3.3倍であるため、通常はスペースが極端に制約される場合にのみ使用されます。アルミニウム6061-T6はわずかに強度が高いですが熱伝導率は同じで、ADC12ダイカストアルミニウムは多孔性と合金含有量により約96 W/(m·K)と低い熱伝導率を持ち、金型コストが低いにもかかわらず効率が低くなります。
大量生産アプリケーションでは、アルミニウム押出金型のコストはプロファイルあたり800〜3000米ドルで、リードタイムは2〜4週間です。ダイカストヒートシンクは10,000〜50,000米ドルの金型コストが必要ですが、より複雑な形状を提供します。BQUQの生産ラインで一般的なスタンピングアルミニウムフィンアセンブリは、年間10,000個以上の数量で、ソリッド押出品の10〜15パーセント以内の熱性能をより低い単価で提供します。スカイブ銅ヒートシンクは380 W/(m·K)と純銅に近い熱伝導率を提供しますが、押出アルミニウムより30〜50パーセント高価です。
特定の消費電力に対して必要な表面積はどのくらいか？
以下の表は、海抜で周囲温度より30°C高い温度上昇における自然対流アルミニウムヒートシンクの経験的表面積要件を示しています。これらの値は黒色アルマイト処理表面を想定しており、これにより放射率が0.1（裸アルミニウム）から0.9に向上し、放射熱伝達が20〜30パーセント向上します。
| 消費電力 (W) | 必要な表面積 (cm²) | 代表的なヒートシンクサイズ (mm) | 推定Rth-sa (°C/W) |
| 5 | 200 | 60 x 60 x 15 | 6.0 |
| 10 | 350 | 75 x 75 x 25 | 5.0 |
| 15 | 500 | 100 x 100 x 25 | 4.0 |
| 20 | 650 | 120 x 120 x 30 | 3.0 |
| 30 | 950 | 150 x 150 x 35 | 2.5 |
| 50 | 1600 | 200 x 200 x 40 | 1.8 |
| 75 | 2400 | 250 x 250 x 45 | 1.2 |
2m/sの気流による強制対流の場合、必要な表面積を2.5〜3.0で割ります。5m/sの気流の場合、4.0〜5.0で割ります。これらの倍率は、気流がフィンチャネルに沿って最小限の障害で導かれることを想定しています。気流が制限されている場合やヒートシンクが筐体に密閉されている場合は、表面積を50パーセント増加させてください。
接触抵抗と熱界面材料をどのように考慮するか？
熱源とヒートシンクベースの間の界面は、表面平坦度、圧力、使用する熱界面材料（TIM）に応じて0.1〜1.0°C/Wの抵抗に寄与します。25mm×25mmのダイ上に熱伝導率1.5 W/(m·K)の熱伝導グリースを0.1mm塗布すると、約0.1°C/Wになります。相変化材料と熱伝導パッドは1.0〜5.0 W/(m·K)の範囲ですが、厚みにより0.2〜0.5°C/Wが追加されます。最良の性能を得るには、25µm〜50µmの熱伝導グリースを均一に塗布し、10〜30psiの取付圧力をかけます。
ヒートシンクベースの表面平坦度は、最適な接触のために0.05mm以下であるべきです。BQUQはヒートシンクベースを100mm長さに対して0.02mmの平坦度公差で機械加工し、界面抵抗を最小限に抑えています。1つのヒートシンクに複数の熱源を取り付ける必要がある場合は、少なくとも10mm離して配置し、熱結合を避けるために少なくとも8mmのベース厚を使用してください。高電力IGBTモジュールには、ソリッドアルミニウムと比較して拡散抵抗を50パーセント低減できるベーパーチャンバーまたはヒートパイプヒートシンクを検討してください。
より大きなヒートシンクの代わりにアクティブ冷却を検討すべきのはいつか？
必要なRth-saが1.0°C/W未満で、ヒートシンク容積が500cm³を超える場合、ファンによる強制対流が通常パッシブヒートシンクよりもコスト効率が高くなります。3000RPMで10m³/hの気流を提供する40mm×40mmファンは、必要な表面積を60パーセント削減でき、ヒートシンク容積を500cm³から200cm³に減らせます。ファンは1〜5Wの消費電力を追加し、平均故障間隔は30,000〜70,000時間で、産業機器には許容できるかもしれませんが、密閉型民生用電子機器には適さない場合があります。
熱源の電力密度が50W/cm²を超える場合は、コールドプレートとラジエーターで0.05〜0.2°C/Wを達成する液体冷却を検討してください。ヒートパイプは、限られたスペースの熱源から離れたフィンスタックへ熱を移動させるのに効果的で、パイプあたりの標準容量は50〜100Wです。判断基準は単純です：パッシブ冷却に必要なヒートシンク容積が1リットルを超えるか、重量が2キログラムを超える場合、アクティブ冷却またはヒートパイプが総システムコストとスペースを削減します。
ヒートシンクサイズを検証する実践的な手順は何か？
まず、セクション1の式を使用して、すべての界面抵抗を含めて必要なRth-saを計算します。次に、セクション4の表を使用して表面積を推定し、その面積を提供する標準押出プロファイルを選択します。第三に、既知の電力負荷で熱源の熱電対と周囲空気の2番目の熱電対を使用して実際の熱抵抗を測定します。第四に、向きを調整します：水平フィンは自然対流で煙突効果の低下により垂直フィンより10〜15パーセント性能が劣ります。
CFDシミュレーションツールまたは経験的テストを使用して、アルミニウムフィンで通常70〜90パーセントの範囲であるフィン効率を検証します。測定された温度上昇が計算値を15パーセント以上超える場合は、接触不良、取付圧力不足、または気流の遮断を確認してください。生産検証には、BQUQは-40°Cから125°Cまでの1000サイクルの熱サイクル試験を推奨し、TIMのポンプアウトやヒートシンクの反りがないことを確認します。
FAQ
小型ヒートシンクの妥当な熱抵抗はどのくらいか？
50mm×50mm×10mmのアルミニウムヒートシンクは自然対流で約8〜10°C/Wを提供します。比較として、100mm×100mm×25mmのヒートシンクは3〜4°C/W、200mm×200mm×40mmのヒートシンクは1.2〜1.8°C/Wを提供します。
アルマイト処理はヒートシンク性能をどのように向上させるか？
黒色アルマイト処理は表面放射率を0.1から0.9に向上させ、自然対流における放射熱伝達を20〜30パーセント改善します。陽極酸化層は電気絶縁性と耐食性があり、10〜25µmの厚さで適用した場合、測定可能な熱抵抗を追加しません。
熱伝導グリースなしでヒートシンクを使用できますか？
使用できますが、熱伝導率がわずか0.026 W/(m·K)の空気ギャップにより、界面抵抗が0.1°C/Wから0.5〜1.0°C/Wに増加します。これにより実効ヒートシンク性能が30〜50パーセント低下する可能性があるため、熱伝導グリースまたはパッドを強く推奨します。
押出ヒートシンクの最大フィン高さはどのくらいか？
標準的なアルミニウム押出品は、フィン厚1.5mm、高さ対幅比1:50で最大75mmのフィン高さを達成できます。75mmを超えるより高いフィンには、150mmの高さに達することができるスカイビング、ボンディング、またはブレージングフィンアセンブリを使用してください。
パルス電力負荷のヒートシンクサイズを計算するにはどうすればよいか？
パルス負荷の場合、アルミニウム押出品で通常1〜5分のヒートシンクの熱時定数にわたって電力を平均します。パルス持続時間が10秒未満の場合は、ヒートシンクの熱容量を使用して、ジャンクション温度を超えずにエネルギースパイクを吸収します。
強制対流ヒートシンクに必要な気流速度はどのくらいか？
自然対流に対して2.5倍の改善を達成するには、フィンチャネル全体に最低1〜2m/sの気流が必要です。100mm×100mmのヒートシンクの場合、これはファンからの0.6〜1.2m³/minの気流に相当します。
カスタムヒートシンクのコストはどのくらいか？
カスタム金型を使用した押出アルミニウムヒートシンクは、ダイスに800〜3000米ドル、材料に1キログラムあたり3〜6米ドルかかります。機械加工は特徴に応じて1個あたり10〜50米ドル追加され、アルマイト処理は1平方メートルあたり1〜3米ドル追加されます。
BQUQのエンジニアリングチームは、お客様のアプリケーションに必要な正確なヒートシンクサイズを12時間以内に計算できます。消費電力、周囲温度、最大ジャンクション温度をsc@bquq.comに送信するか、WhatsApp +86 13713157787 までご連絡ください。データシートと標準プロファイルについては www.bquq.com をご覧ください。
