TO-220、TO-247およびその他のパワーパッケージ用標準ヒートシンクサイズ
TO-220パッケージの標準的なヒートシンクサイズは、通常、幅19mm、奥行き12.7mm、高さ10mmで、自然対流時の熱抵抗は15〜25°C/Wです。一方、TO-247パッケージでは、40mm×25mm×15mmのより大きなヒートシンクが必要で、熱抵抗は5〜10°C/Wです。TO-126やD2PAKのような小型パッケージの場合、標準サイズは幅12mm〜25mmの範囲ですが、最終的な適正サイズは消費電力、空気流量、最大許容ジャンクション温度によって決まります。この記事では、中国東莞で20年にわたるCNC加工とプレス加工の実績を持つBQUQの正確な寸法基準、熱抵抗のベンチマーク、コストデータを提供します。
パッケージの熱基礎とサイズ決定
ヒートシンクのサイズは任意ではなく、熱回路方程式によって決まります：Tj = Ta + P × (Rθjc + Rθcs + Rθsa)。ここで、Tjはジャンクション温度、Taは周囲温度、Pは消費電力、Rθjcはジャンクション・ケース間熱抵抗、Rθcsはケース・ヒートシンク間熱抵抗、Rθsaはヒートシンク・周囲間熱抵抗です。Rθjcが3°C/WのTO-220の場合、周囲温度25°Cで10Wを消費するなら、ヒートシンクはRθsaが(125 - 25)/10 - 3 - 0.5 = 6.5°C/W以下である必要があります。これは、幅38mm、高さ25mm、奥行き12mm、ベース厚6mmの標準的な押出アルミニウムヒートシンクに相当します。TO-247の場合、タブ面積が大きいため（TO-220の12.7mm×6.6mmに対して15.9mm×9.9mm）、Rθjcは0.6°C/Wとなり、同じ10Wでは8〜12°C/Wのヒートシンクで済み、おおよそ25mm×15mm×10mmのサイズになります。
TO-220、TO-247、TO-126、D2PAKの標準寸法
以下の表は、一般的なディスクリートパッケージに対するBQUQの標準生産ヒートシンク寸法を示しています。これらはJEDEC登録規格と、5,000以上のカスタムヒートシンク設計に基づく当社の20年間の製造データベースに基づいています。
| パッケージ | 標準幅 (mm) | 標準奥行き (mm) | 標準高さ (mm) | ベース厚 (mm) | 熱抵抗 (°C/W) | 取付穴パターン (mm) |
| TO-220 | 19.0 - 38.0 | 12.7 - 25.4 | 10.0 - 25.0 | 3.0 - 6.0 | 8 - 25 | 2.54ピッチ、穴径3.2、間隔5.08 |
| TO-247 | 30.0 - 50.0 | 20.0 - 30.0 | 15.0 - 30.0 | 5.0 - 8.0 | 3 - 10 | 5.08ピッチ、穴径3.5、間隔10.16 |
| TO-126 | 12.0 - 20.0 | 8.0 - 15.0 | 6.0 - 12.0 | 2.0 - 4.0 | 15 - 35 | 2.54ピッチ、穴径2.5、間隔4.5 |
| D2PAK (TO-263) | 25.0 - 40.0 | 15.0 - 20.0 | 8.0 - 15.0 | 3.0 - 5.0 | 10 - 20 | SMDタブ、2.54ピッチ、穴なし |
| TO-3 (メタルケース) | 40.0 - 60.0 | 30.0 - 40.0 | 20.0 - 35.0 | 6.0 - 10.0 | 1.5 - 5 | 穴径10.92、間隔30.5 |
| TO-218/TO-3P | 35.0 - 45.0 | 20.0 - 25.0 | 15.0 - 20.0 | 5.0 - 7.0 | 3 - 8 | 5.08ピッチ、穴径3.5、間隔10.16 |
TO-220の場合、最も一般的な標準は19.0mm×12.7mm×10.0mmの「クリップマウント」ヒートシンクで、端から2.54mmの位置に3.2mmの取付穴があります。このサイズは、75°C上昇時に18°C/Wを提供し、10,000個単位で$0.12〜$0.25です。TO-247の場合、標準ヒートシンクは40.0mm×25.0mm×15.0mmで、3.5mmの穴と8.0mmのベースを持ち、75°C上昇時に6°C/Wを提供し、単価は$0.35〜$0.60です。TO-126用ヒートシンクはより小さく、通常15.0mm×10.0mm×8.0mmで、25°C/Wを提供し、$0.08〜$0.15です。D2PAK用ヒートシンクは通常、30.0mm×18.0mm×10.0mmのSMD実装アルミニウムプレートで、熱抵抗は15°C/Wです。
材質と表面処理がサイズに与える影響
アルミニウム6063-T5は、熱伝導率201 W/m·Kと押出加工の容易さから、標準ヒートシンクの90%で使用されるデフォルト材料です。銅はスペースが重要な場合にのみ使用され、385 W/m·Kを提供しますが、コストは3〜4倍、重量は3.3倍になります。黒色アルマイト処理（MIL-A-8625 Type II、18〜25ミクロン厚）は、放射率を0.04から0.85に向上させ、自然対流時の熱抵抗を15〜25%低減します。つまり、TO-220ヒートシンクは黒色アルマイト処理を施せば10%小型化できます。BQUQはすべての取付面に0.05mmの公差を適用し、25mmあたり0.03mm以内の平面度を確保して、最適な熱界面接触を保証します。高振動環境では、プレスフィンへのステーキングまたはスウェージング加工を推奨します。これにより、外形サイズを変えずにベース厚が0.5mm追加されます。
製造工程の公差と数量別コスト
製造方法によって、達成可能な公差と単価が決まります。押出ヒートシンクの断面公差は±0.15mmですが、CNC加工ヒートシンクは±0.02mmを達成します。1.5〜3.0mmのアルミニウム板から作られるプレスヒートシンクは±0.10mmを維持しますが、2:1の絞り比を持つ形状に限定されます。BQUQのCNC加工は、複数のフィン高さを持つTO-247ヒートシンクに最も厳しい公差を提供しますが、コストは高くなります。例えば、40mmのTO-247押出ヒートシンクは、1,000個で$0.40、50,000個で$0.28ですが、CNC加工版は100個で$2.50、5,000個で$1.20です。プレス加工のTO-220ヒートシンクは100,000個で$0.10と最も安価ですが、$1,500の金型投資が必要です。
| 生産数量 | 押出 TO-220 (19mm) | CNC TO-220 (19mm) | プレス TO-220 (19mm) | 押出 TO-247 (40mm) | CNC TO-247 (40mm) |
| 100個 | $1.80 | $4.50 | 不可 | $3.50 | $8.00 |
| 1,000個 | $0.45 | $2.80 | $0.85 | $0.80 | $3.20 |
| 10,000個 | $0.22 | $1.50 | $0.35 | $0.45 | $1.80 |
| 100,000個 | $0.15 | 非現実的 | $0.12 | $0.30 | 非現実的 |
| 金型コスト | $500 (ダイス) | $0 (金型不要) | $1,500 (プレス金型) | $800 (ダイス) | $0 (金型不要) |
| 初品リードタイム | 3週間 | 3日 | 4週間 | 3週間 | 3日 |
実データによる熱性能検証
BQUQは、パッケージタブに埋め込んだ熱電対と25°Cの静穏空気チャンバーを使用した標準化テストセットアップでRθsaを測定します。標準的な19mm×12.7mm×10mmのTO-220ヒートシンクでは、5W消費時に18.5°C/Wを測定し、対流効率の低下により15Wでは22.0°C/Wに上昇します。同じヒートシンクを200 LFMの強制空気流に置くと、6.5°C/Wに低下します。40mm×25mm×15mmのTO-247ヒートシンクでは、自然対流で5.8°C/W、300 LFMの強制空気では1.9°C/Wに低減します。これらの測定により、10WのTO-220アプリケーションでは75°Cのケース上昇を維持するために38mm幅のヒートシンク（19mmではない）が必要であり、20WのTO-247アプリケーションでは40mm標準サイズで機能することが確認されています。空気密度の低下により、標高1,500メートル以上では常に20%のディレーティングを行ってください。
適切な標準サイズ選択のためのFAQ形式のヒント
Q: TO-247デバイスにTO-220用ヒートシンクを使用できますか？ A: いいえ。TO-247のタブは幅15.9mmで、TO-220の12.7mmより広いため、TO-220用ヒートシンクではタブの端が露出し、Rθcsが40%増加し、15W以上では熱暴走のリスクがあります。TO-247には40mm幅のヒートシンクを使用してください。
Q: プレス加工の最小ベース厚は？ A: プレス加工のアルミニウムヒートシンクの場合、破断を避けるためにベースは最低1.5mm必要です。CNC加工の場合、幅30mm以上のヒートシンクで反りを防ぐため、最小2.0mmです。標準としてTO-220には3.0mm、TO-247には5.0mmを推奨します。
Q: 電力レベルに応じた正確なサイズを計算するには？ A: 方程式Rθsa = (Tj_max - Ta - P×(Rθjc + Rθcs)) / Pを使用します。Tj_max=125°C、Ta=50°C、P=8W、Rθjc=3°C/W、Rθcs=0.5°C/WのTO-220の場合、Rθsa=(125-50-8×3.5)/8 = 3.9°C/Wが必要で、50mm×30mm×20mmのヒートシンクが必要です。
Q: フィンの向きは標準サイズに影響しますか？ A: はい。垂直フィン（フィンを上向きにする）は、水平フィンと比較して自然対流が30%向上します。当社の標準ヒートシンクは垂直フィン向けに設計されています。水平に取り付ける必要がある場合は、幅を20%増やすか、フィン表面積が20%大きいヒートシンクを選択してください。
Q: カスタムサイズと標準サイズのコスト差は？ A: カスタム押出ダイスは$800〜$2,000で、500kgの最小注文が必要です。カスタムCNC加工はダイスコストがありませんが、1個あたり$0.50〜$2.00が追加されます。5,000個未満の数量では、金型償却を避けるために常に標準サイズを選択してください。
結論と実践的推奨事項
ほとんどのアプリケーションでは、5W未満の電力には19mm×12.7mm×10mmの標準TO-220ヒートシンク、5〜15Wには38mm×25mm×15mmのヒートシンク、10〜30Wには40mm×25mm×15mmのTO-247ヒートシンクを選択してください。取付穴パターンがパッケージと一致していること（TO-220は2.54mmピッチ、TO-247は5.08mmピッチ）、ベースの平面度が0.03mm以内であることを必ず確認してください。周囲温度が50°Cを超える場合、または標高1,500メートル以上で動作する場合は、ヒートシンクサイズを1段階大きくしてください。10,000個以上の生産数量では、黒色アルマイト処理を施した押出アルミニウムが最良のコストパフォーマンスを提供し、CNC加工は±0.02mmの公差を必要とする低数量・高信頼性設計に適しています。
BQUQは2004年以降、TO-220およびTO-247パッケージ用に5,000万個以上のヒートシンクを製造し、不良率は0.1%未満、全バッチで100%の寸法検査を実施しています。当社のエンジニアリングチームは、24時間以内に最適な標準サイズの推奨または熱シミュレーションによるカスタムヒートシンクの設計が可能です。消費電力要件の無料熱評価については、回路仕様と機械的制約をお送りください。DFMフィードバック付きの12時間見積もりサービスを無料で提供しています。エンジニアリング部門までsc@bquq.comまたはWhatsApp +86 13713157787でお問い合わせいただくか、www.bquq.comにアクセスして、完全な2D図面と熱曲線を含む標準ヒートシンクカタログをダウンロードしてください。
