熱抵抗ネットワークモデルの構築
簡単な答え: 熱抵抗ネットワークモデルは、熱源と周囲空気の間の各層を直列および並列の抵抗として扱い、°C/Wで測定します。ジャンクション-ケース間、界面、広がり、ベース伝導、フィン伝導、対流の各抵抗を合計して、総θJAを求めます。静止空気中の典型的な50 mm押出アルミニウムヒートシンクでは、対流項が約1.5～3.0 °C/Wで支配的であり、良好な熱界面はわずか0.1～0.4 °C/Wを追加するだけです。まずモデルを構築し、次にヒートシンクのサイズを決定します — BQUQはカスタムヒートシンクを12営業時間で見積もります。
なぜ熱抵抗ネットワークを検討するのか？
プロジェクトスケジュール上のほとんどの熱問題は、より大きなヒートシンクを購入することで解決されるわけではありません。実際にスタックのどの層が熱いかを知ることで解決されます。熱抵抗ネットワークは、漠然とした「暖かくなる」という不満を、取り組むべき数値に変えます。
この概念は電気回路から借用しています。熱流（ワット）は電流、温度差（°C）は電圧、熱抵抗（°C/W）は抵抗です。オームの法則はΔT = Q × θとなります。ネットワークを描けば、ボトルネックが界面材料、ヒートシンクベース、フィン、またはそれら周囲の空気のどれであるかがすぐにわかります。
このステップを省略するエンジニアは、通常、ヒートシンクを過剰に指定し、界面を過小に指定するか、その逆かです。どちらの間違いもコストがかかります。ネットワークモデルの構築には1時間かかり、通常、数週間のプロトタイプ反復を節約できます。
基本的な直列ネットワーク
最も単純で有用なモデルは、ジャンクションから周囲への直列チェーンです:
| 要素 | 記号 | 典型的な値 | 備考 |
|---|---|---|---|
| ジャンクション-ケース間 | θJC | 0.2～1.5 °C/W | デバイスのデータシートから |
| ケース-ヒートシンク間（TIM） | θCS | 0.1～0.8 °C/W | グリース、パッド、または接着剤に依存 |
| ヒートシンクベースの広がり | θspread | 0.05～0.5 °C/W | 小さなソース面積で急速に増加 |
| ヒートシンク-周囲間 | θSA | 0.3～5.0 °C/W | ほとんどの設計で支配的な項 |
総ジャンクション-周囲間抵抗は合計です:
θJA = θJC + θCS + θspread + θSA
次にジャンクション温度は:
TJ = TA + (Q × θJA)
デバイスが15 Wを消費し、周囲温度が40 °C、θJAが3.0 °C/Wの場合、ジャンクションは85 °Cになります。データシートの限界が125 °Cであれば、マージンがあります — ただし、チェーン内のすべての抵抗が現実的である場合に限ります。楽観的な界面数値は、最も一般的な誤差の原因です。
直列モデルが破綻する場所
直列モデルは、すべての熱が1つの経路を流れると仮定しています。実際には、一部の熱はPCB銅を通って逃げ、一部は放射し、一部は筐体に伝導します。小さなパッケージに取り付けられ、PCBの熱経路が不十分なヒートシンクの場合、直列モデルは保守的です — θJAを過大評価しますが、通常は許容されます。大きな銅プレーンにはんだ付けされたデバイスの場合、PCBは並列経路であり、それを無視するとモデルは10～30%悲観的になります。
ヒートシンク自体のモデリング
ヒートシンク抵抗θSAは単一の数値ではありません。それはベース伝導、広がり、フィン伝導、対流のサブネットワークです。それを分割することが、モデルがその価値を発揮する場所です。
広がり抵抗
熱は小さなフットプリントを通ってベースに入り、その後横方向に広がります。ソースがベースよりはるかに小さい場合、広がり抵抗が重要になります。経験則として、ソース面積がベース面積の約20%未満の場合、アルミニウムベースでは広がり抵抗が0.3 °C/Wを超えることがあります。
2つの修正方法があります。第一に、ソースの下でベースを局所的に厚くする — コイン、ボス、またはペデスタル。第二に、ベースを銅に切り替える。銅の熱伝導率は約400 W/m·Kで、一般的な6063アルミニウム合金の200 W/m·Kに対して約2倍であるため、同じ形状で銅ベースまたは銅インサートは広がり抵抗をほぼ半減させます。銅ヒートシンクと銅ベースアルミニウムフィン設計が存在するのはまさにこの理由です。オプションはヒートシンク製品ページで確認できます。
フィン伝導とフィン効率
各フィンに沿って、温度はベースから先端まで低下します。フィン効率は、実際に放散される熱と、フィン全体がベース温度である場合に放散される熱の比率です。長く薄いフィンは効率が低く、短く厚いフィンは効率が高いですが、数が少なくなります。
| フィンパラメータ | 効率への影響 | 実用的な限界 |
|---|---|---|
| フィン高さ | 高さとともに減少 | 静止空気中で約30～40 mmを超えると効率が80%未満に低下 |
| フィン厚さ | 厚さとともに増加 | 押出プロファイルでは通常1.0～2.0 mm |
| フィン伝導率 | kとともに増加 | アルミニウム200 W/m·K、銅約400 W/m·K |
| フィン間隔 | 対流に影響、伝導には影響しない | 自然対流では6～12 mm |
自然対流では、フィン間隔は最も頻繁に悪く最適化されるパラメータです。狭すぎると境界層が合流し、流れを妨げます。広すぎるとベース面積を無駄にします。自然対流フィン間隔に関する記事で、トレードオフを詳細に説明しています。
対流および放射抵抗
対流抵抗はh × Aの逆数です。ここで、hは熱伝達係数、Aは有効表面積です。静止空気中では、hは通常5～10 W/m²·Kです。2～3 m/sの強制空気では、hは25～50 W/m²·Kに上昇します。この単一の係数は、しばしばθSAを3倍以上変化させます。
放射は、中程度の温度で陽極酸化または塗装された表面の場合、総放散量の約10～25%を寄与し、裸の光沢アルミニウムでは少なくなります（放射率が低いため）。黒色陽極酸化は放射率を約0.8に上げ、腐食が懸念されない場合でも多くのヒートシンクがこの仕上げになる理由の1つです。
計算例
20 Wの負荷、45 °Cの周囲温度、目標ジャンクション110 °C未満を考えます。これで65 °Cの予算が残ります。
| 層 | 抵抗（°C/W） | 20 WでのΔT（°C） |
|---|---|---|
| θJC | 0.40 | 8.0 |
| θCS（グリース、0.1 mm） | 0.15 | 3.0 |
| θspread（ベース80 × 80 mm） | 0.20 | 4.0 |
| θSA（自然対流） | 2.50 | 50.0 |
| 合計 | 3.25 | 65.0 |
結果はちょうど110 °Cの目標に達し、マージンがないことを意味します。マージンを得るには、強制空気でθSAを減らすか、ヒートシンクを大きくするか、負荷を減らすかです。θCSをさらに減らすことはほとんど無意味です — すでに合計の4.6%に過ぎません。
これがモデルの実用的な価値です: 努力を費やすべきでない場所を教えてくれます。サーマルグリースの選択は重要ですが、ある程度までです。サーマルグリースの選択に関するガイドでは、θCSの0.05 °C/Wの改善が結果を変えることはほとんどなく、θSAの0.5 °C/Wの改善が通常は結果を変える理由を説明しています。
並列経路と実世界の補正
実際のアセンブリには並列熱経路があります。最も一般的なのはPCB、取り付けハードウェア、筐体です。
並列抵抗としてのPCB
銅プレーンにはんだ付けされたデバイスは、ボードに熱を伝導します。その経路は、表面実装設計で総熱の10～40%を運ぶことができます。ネットワークでは、ヒートシンク分岐と並列の抵抗として現れます。それを無視するとモデルは保守的になります。それを含めるには、異方性で測定が厄介なボードの熱伝導率を推定する必要があります。
実用的なアプローチ: まず直列モデルを構築し、デバイスに実質的な銅パッドがあり、ボードが熱的に絶縁されていない場合は、0.8～0.9の補正係数を適用します。
界面抵抗は一定ではない
熱界面抵抗は、圧力、ボンドライン厚さ、表面平坦度に依存します。0.05 mmに圧縮されたグリース層は0.08 °C/Wを与えるかもしれません。同じグリースが0.15 mmでは0.25 °C/Wを与えるかもしれません。これは組み立て圧力だけで3倍の変動です。
接着または接着剤で取り付けられたヒートシンクの場合、接着剤自体が界面になります。接着フィンと接着剤背面設計は、機械的単純さと低コストのために熱性能をいくらか犠牲にします。モデルが0.1 °C/Wを仮定しているが、接着剤が0.5 °C/Wを提供する場合、計算全体が無効です。
モデルから製造部品へ
熱モデルは、受け取る部品がモデル化した形状と一致する場合にのみ有用です。3つの製造上の詳細が日常的にモデルを破壊します:
フィン厚さの公差。 押出プロファイルは壁厚を約±0.1 mm以内に保ちますが、これは問題ありません。スカイブおよび接着フィンはより変動する可能性があります。スカイブプロセスの概要で限界がどこにあるかを説明しています。
ベースの平坦度。 平坦でないベースは、厚く不均一な界面層を作ります。CNC加工されたベースは0.05 mm範囲の平坦度を保つことができ、界面を薄く予測可能に保ちます。これがどのように制御されるかはCNC加工ヒートシンクをご覧ください。
表面仕上げと放射率。 陽極酸化表面は、裸のミル仕上げよりもはるかに放射します。モデルに放射項が含まれる場合、仕上げは仮定と一致する必要があります。
BQUQは、東莞の1つの工場で4つのラインにわたってCNC加工（±0.005 mm）、金属プレス、カスタムばね、ヒートシンク生産をISO9001の下で行っています。これは熱モデリングにとって重要です。シミュレートする形状が受け取る形状だからです。押出プロファイルは押出ヒートシンク範囲で入手可能で、MOQはプロトタイプおよびパイロットビルドに対して柔軟です。
よくある質問
Q: 小さな押出ヒートシンクの典型的なθJAは？
A: 静止空気中の50 × 50 × 25 mm押出アルミニウムヒートシンクの場合、総θSAは通常2.5～4.5 °C/Wの間です。2 m/sで小さなファンを追加すると、0.8～1.5 °C/Wになります。正確な値は、フィン間隔、ベース厚さ、および周囲の筐体が気流を制限するかどうかに大きく依存します。カタログ番号を仮定するのではなく、常に測定またはシミュレーションしてください。
Q: 手計算の熱抵抗ネットワークはどの程度正確ですか？
A: 形状が単純で気流が明確に定義されている場合、手計算は通常、測定結果の15～25%以内です。筐体内、複数の熱源がある場合、または放射が重要な場合、精度は低下します。ネットワークをサイジングツールとして扱い、最終的な答えとはせず、生産ツーリングにコミットする前に、熱電対またはサーマルカメラで選択した設計を検証してください。
Q: ヒートシンクに銅は常にアルミニウムに勝りますか？
A: いいえ。銅は熱を約2倍よく伝導しますが、密度は約3倍で、かなり高価です。銅は、大きなベース上の小さな熱源など、広がり抵抗が支配的な場合に勝ります。アルミニウムはコスト、重量、押出性で勝ります。銅ベースアルミニウムフィン設計は、重量のほんの一部で広がりの利点のほとんどを捉えます。
Q: ファン付きヒートシンクをどのようにモデル化しますか？
A: 自然対流係数を強制対流値（通常、2～3 m/sの気流で25～50 W/m²·K）に置き換えます。次に、ファン自体の熱的および信頼性の考慮事項を追加します。自然対流を最適化するフィン間隔は、通常、強制空気には広すぎます。空気が動いているときは、より多くの表面積を持つより密なフィンの方が性能が良いです。
Q: ヒートシンクの見積もりに必要な情報は？
A: 熱負荷、周囲温度、利用可能なエンベロープ、取り付け方法、および気流データを送ってください。スケッチまたはSTEPファイルが役立ちます。BQUQは12営業時間以内に見積もりを返し、柔軟なMOQにより、量産にコミットする前にプロトタイプ数量を注文できます。要件をsc@bquq.comまでメールでお送りください。
関連リソース
- BQUQと東莞の製造拠点について: /about/
- ヒートシンク製品ファミリーと仕上げ: /heat-sinks/
- 熱用途向け押出アルミニウムプロファイル: /extruded-heat-sinks/
- 電子冷却の業界動向: /industry-dynamics/
- 完全な技術記事ライブラリ: /bquq-blog/
- 一般的な調達とエンジニアリングの質問: /faq/
- エンジニアリングチームへのお問い合わせ: /contact/
BQUQエンジニアリングチームによって執筆されました。BQUQ（東莞）は、1つのISO9001工場でCNC加工（±0.005 mm）、金属プレス、カスタムばね、ヒートシンク生産を行っています。中国東莞から直接調達 — 12時間で見積もり: sc@bquq.com | WhatsApp +86 13713157787 | www.bquq.com
