ヒートシンクは,電子機器を冷却するために使用される最も基本的な部品の1つです。熱源が自身の伝導によって効果的に熱を放散できず,より効率的な冷却が必要な場合,ヒートシンクを使用して熱源から熱を運び出し,最適な伝導と対流によって熱を放散します。

ヒートシンクは,パワーエレクトロニクス,通信機器,サーバー,LED照明,車載エレクトロニクス,産業機器など,幅広い分野で利用されています。

ヒートシンクの基本構造

一般的なヒートシンクは主に2つの部分から構成されています。

• ベース

• それまで

ベースは通常,熱源と直接接触する平らな面です。その機能は,ホットスポットから熱を伝達し,フィン全体に均等に分配することです。

フィンは,ヒートシンクの総表面積を増やすように設計されています。フィンは様々な形状で製造可能で,放熱効果を最大化するために通常はベースから垂直に配置されます。

ヒートシンクの主な設計目標は,表面積を最大化し,より多くの熱を周囲の空気へ伝達できるようにすることである。

ヒートシンク材料

ごくわずかな例外を除き,ヒートシンクは熱伝導性の高い金属,最も一般的なのはアルミニウムまたは銅で作られています。

アルミニウム

アルミニウムは,ヒートシンクに最も広く使用されている材料です。

• 熱伝導率：235 W/mK

• 軽量

• 費用対効果が高い

• 製造が容易

これらの特性により,アルミニウムは軽量かつ経済的なヒートシンクソリューションに理想的な素材となっている。

銅

銅は,ヒートシンクによく使われる素材の一つです。

• 熱伝導率：約400 W/mK

• より高い熱伝達能力

銅は重くて高価ではあるが,高性能な熱利用用途ではしばしば必要とされる。

自然対流と強制対流

ヒートシンクは,一般的に空気の流れの状況に基づいて2つのカテゴリーに分類されます。

自然対流（受動冷却）

パッシブヒートシンクは,熱を除去するために自然の空気の流れのみに依存している。

これらは以下の目的で設計されています。

• 表面積を最大化する

• 空気が自然に循環するようにする

• 追加のアクティブコンポーネントなしで動作する

受動型ヒートシンクは,低消費電力の電子機器で一般的に使用されている。

強制対流（アクティブ冷却）

アクティブヒートシンクは,ファンやブロワーを使ってフィンに空気を送り込むことで冷却を行う。

この強制的な気流は乱流を生み出し,熱伝達効率と冷却性能を大幅に向上させる。

アクティブ冷却ソリューションは,以下の分野で広く使用されています。

• サーバー

• パワーエレクトロニクス

• 高性能コンピューティングシステム

一般的なヒートシンクの種類

ヒートシンクの製造には,それぞれ異なる熱要件や用途に適した,複数の製造技術が用いられている。

1. プレス加工ヒートシンク（基板レベル）

プレス加工されたヒートシンクは,板金からプログレッシブプレス加工によって製造されます。各プレス加工工程では,金属が金型を通過する際に,形状やディテールが追加されます。

これらのヒートシンクは通常,プリント基板（PCB）への最適な適合性を確保するために,特定の電子パッケージタイプに合わせて設計されています。

それらはパッシブモードで動作する場合もあれば,ファンを搭載して全体の空気の流れを増やす場合もある。

利点

• 低消費電力アプリケーション（0～5W）に最適

• 素早く簡単に組み立てられます

• 製造コストが低い

• 大量生産に対応可能

• 多くのパッケージタイプで利用可能

デメリット

• 5Wを超える用途には適していません

• サイズ制限あり（一般的に50mm以下）

• 単一のデバイスのみを冷却するように設計されている

2. 押出成形アルミニウム製ヒートシンク

押出成形は,最も一般的で費用対効果の高いヒートシンク製造方法の一つです。

押し出し成形ヒートシンクは,用途に応じてサイズが異なります。小型のものは基板レベルの冷却に使用され,大型のものは中電力の熱管理向けに設計されています。

フィン形状と間隔に応じて,受動冷却と能動冷却の両方に最適化することができる。

基板レベルの押出成形ヒートシンクは,一般的に次のような部品に使用されます。

• BGA

• FPGA

押出成形プロセスは,フィン構造,間隔,およびベース寸法を定義するプロファイルダイから始まります。加熱されたアルミニウムがダイを通して押し出され,長いプロファイルが作成されます。このプロファイルは,後で所望の長さに切断され,さらに加工されます。

利点

• 中電力用途に最適

• 費用対効果の高い生産

• 大量生産向けに高い拡張性を備えている

• 簡単にカスタマイズ可能

• 熱抵抗の低い一体構造

デメリット

• 非常に高出力の用途には適していません

• サイズ制限（幅約23インチ,長さ約47インチ）

• 大型プロファイルには仕上げ上の制約がある場合があります

3. スキブフィン式ヒートシンク

スキビングとは,金属の塊から直接フィンを成形する機械加工プロセスです。薄い層をベースから切り出し,折り曲げてフィンを形成します。

フィンとベースが同じ素材から成形されているため,継ぎ目や接合部がなく,熱抵抗が低減されます。

このプロセスにより,非常に薄いフィンと高密度のフィンを実現でき,総表面積を大幅に増加させることができる。

押出成形とは異なり,スキビング加工は専用の金型を必要としないため,金型コストが削減され,より迅速な試作品製作が可能となる。

利点

• 高い冷却効率

• 薄いヒレと高いヒレ密度

• 工具コストの削減

• 銅製ヒートシンクにとって経済的

デメリット

• 極めて高出力の用途には適していません

• サイズ制限

• 薄いヒレはより壊れやすい可能性がある

• 非常に大規模な生産量にはあまり適していません

4. 接着フィンおよびろう付けフィンヒートシンク

接着フィン式ヒートシンクは,主に2つの構成要素から成ります。

• ベース（押し出し成形または機械加工）

• 個々のフィンは,熱伝導性接着剤,エポキシ樹脂,またはろう付けを使用して取り付けられる。

フィンは通常,薄い金属板からプレス加工され,ベース部分は押出成形,ダイカスト,または機械加工によって作られる。

ヒートパイプやベイパーチャンバーなどの追加の熱技術をベース部分に組み込むことで,性能を向上させることも可能です。

接着フィン式ヒートシンクは,設計の柔軟性が高く,より小さな設置面積でより高いフィン密度を実現できます。

利点

• 省スペース用途向けのコンパクト設計

• 高い熱性能

• 強制対流に適しています

• フィン間隔が狭い

• 高いフィンアスペクト比

• 柔軟な設計統合

• 工具コストの削減

デメリット

• 高振動環境には適さない

• 必要な熱抵抗が0.01℃/w未満の場合,適していません。

5. ジッパーフィン型ヒートシンク

ジッパーフィンは,個別にプレス加工された一連の金属板フィンを折り畳み,互いに連結して作られます。

これらのフィンは,以下のいずれかの配置が可能です。

• 空気の流れを誘導するための閉じたチャネル

• 多方向の気流に対応する開放型構成

フィンスタックは通常,はんだ付け,ろう付け,またはエポキシ接着によってヒートシンクベースまたはヒートパイプに取り付けられます。

この設計は,優れた機械的安定性と,統合型熱ソリューションに対する高い柔軟性を提供します。

利点

• 高い熱性能

• 強制空気流用途に最適

• 柔軟な設計統合

• 工具コストの削減

• 軽量

• ヒートパイプの効率を向上させることができる

• 機械的安定性の向上

デメリット

• 極めて低い熱抵抗要件に対するいくつかの制限

6. 折り畳みフィン型ヒートシンク

折り畳みフィンは,薄い金属板を複雑な形状に曲げて表面積を増やすことで作られる。

これらのフィンは通常,ベースに接着またはろう付けされ,最終的なヒートシンクアセンブリを形成します。折り畳みフィン技術は,液体冷却プレートソリューションにも使用できます。

利点

• 表面積の増加

• 高いフィン効率

• 複数の素材に対応

• 軽量構造

デメリット

• 空気の流れがフィンを通して直接送られる場合に最高の性能を発揮します。

• 場合によっては生産コストが上昇する

7. ダイキャスト製ヒートシンク

ダイカスト製ヒートシンクは,溶融金属を特注の金型に注入して一体成形する構造物として製造されます。

この製造方法は大量生産に最適であり,他のプロセスでは実現が難しい複雑な形状も可能にする。

鋳造後,最終製品を得るために必要な機械加工と仕上げ作業は最小限で済む。

利点

• 大量生産に最適

• 複雑な形状に適しています

• 熱抵抗が低い,またはほぼゼロ

デメリット

• 初期金型費用が高額になる