ヒートシンクハウジング: 材料、製造、熱設計の説明

ヒートシンクハウジング : エンクロージャが熱管理システムの一部になるとき

ヒートシンク ハウジングは、通常は別個のコンポーネントによって処理される 2 つの機能を組み合わせたものです。電子アセンブリの構造的エンクロージャとして機能すると同時に、その内部のコンポーネントの主な放熱経路としても機能します。個別のヒートシンクをコンポーネントに取り付けてそのアセンブリを別のシャーシ内に配置するのではなく、ヒートシンク ハウジングはフィン、チャネル、またはその他の散逸形状をエンクロージャの壁またはベースに直接統合し、ハウジング自体を熱管理ソリューションに変えます。

このアプローチは、基板レベルのスペースが限られていて、エンクロージャが侵入を防ぐために密閉されている必要があり、別個の内部ヒートシンクがエアフローのデッドゾーンを作成したり、アプリケーションが対応できないファンを必要としたりする LED ドライバ、電力コンバータ、モータ コントローラ、産業用照明器具、および屋外定格の電子エンクロージャで特に一般的です。ヒートシンク ハウジングの熱設計と機械設計は切り離すことができません。一方を最適化し、他方を無視すると、どちらの要件も満たさない製品が確実に生産されます。

ヒートシンクハウジングの設計に使用される材料

ヒートシンクハウジングの材料選択は、熱伝導率の上限を設定し、利用可能な製造プロセスを決定し、完成部品の基本重量とコスト構造を確立すると同時に、最も重要な設計上の決定です。

アルミニウム合金

アルミニウムは、事実上すべての市場セグメントにわたってヒートシンクハウジング用途の主要な材料です。一般的なアルミニウム合金の熱伝導率は次の範囲にあります。 130および210W/m・K 合金と焼き戻しに応じて、純アルミニウム (237 W/m・K) よりも大幅に低くなりますが、鋼、亜鉛、またはエンジニアリング プラスチックよりははるかに優れています。最も頻繁に指定される 2 つの合金は次のとおりです。

• 6063-T5 — ヒートシンクプロファイル用の標準的な押出合金で、約 200 W/m・K の熱伝導率と優れた表面仕上げ能力を備えています。 6061 と比較してシリコン含有量が低いため、薄いフィンを備えた複雑な押出断面により適しています。 LED およびパワーエレクトロニクス用の押出成形ヒートシンク ハウジングの大部分は、6063 または同等の合金 (ヨーロッパの EN AW-6063 など) を使用しています。
• ADC12 / A380 — 熱伝導率が約 90 ～ 100 W/m·K の高シリコン ダイカスト合金。 6063 と比較して導電率が低いということは、ダイカストが可能にする複雑な 3 次元形状、つまり押し出し成形では製造できない統合された取り付けボス、ケーブル挿入機能、アンダーカット フィンとのトレードオフです。ダイカスト アルミニウム ヒートシンク ハウジングは、自動車エレクトロニクス、産業用モーター制御、および高 IP 定格エンクロージャの標準です。

銅

銅 offers thermal conductivity of approximately 385～400W/m・K アルミニウムの約 2 倍ですが、密度は 3 倍であり、材料コストは大幅に高くなります。重量とコストの関係で、完全に銅製のヒートシンク ハウジングはまれですが、銅製インサート、ベーパー チャンバー、またはヒート パイプをアルミニウム ハウジング内に埋め込むことは、特定のコンポーネントの熱負荷が全アルミニウム設計がジャンクション温度制限を超えずに処理できる温度を超えるアプリケーション向けの確立されたハイブリッド アプローチです。

熱伝導性ポリマー

熱伝導性ポリマー化合物（通常は窒化ホウ素、窒化アルミニウム、または炭素繊維を充填したナイロン、PPS、または LCP）は、次の範囲の熱伝導率を達成します。 1～20W/m・K これはアルミニウムよりは桁違いですが、標準的なエンジニアリング プラスチック (0.1 ～ 0.3 W/m·K) よりは大幅に上です。それらの競争上の利点は、ハウジング表面の電気絶縁、アルミニウムが達成できる以上の軽量化、射出成形による設計の自由度を必要とする用途にあります。 LED ダウンライトと家庭用電化製品の電源は、熱伝導性ポリマー ハウジングの最も一般的な応用分野です。

製造方法とその熱への影響

ヒートシンク ハウジングの製造に使用される製造プロセスは、コストと形状のオプションだけでなく、達成可能なフィン密度、最小肉厚、そして重要なことに、部品を通る熱伝導率の異方性も決定します。

押出成形

アルミニウム押出成形は、高伝導率の 6063 シリーズ合金を使用し、緻密で均一なフィンを備えた連続した断面を生成するため、ヒートシンク ハウジングの最も熱効率の高い製造ルートです。押し出されたプロファイルは所定の長さに切断され、取り付け機能とケーブル入口点に合わせて機械加工されます。制約は、断面が押出軸に沿って均一でなければならないということです。Z 方向の変化を必要とするフィーチャーは二次加工によって追加する必要があります。本質的に角柱状のハウジング (外側にフィンが付いた長方形または円筒形の筐体) の場合、押出成形は熱とコストの両方の観点から、ほとんどの場合最適なプロセスです。

ダイカスト

ADC12 または A380 合金を使用した圧力ダイカストにより、押出成形では達成できない 3 次元のハウジング形状が得られ、高い寸法再現性と連続生産のための二次加工が最小限に抑えられます。高シリコン鋳造合金の熱伝導率の低下（〜96 W/m・K 対 6063 の〜200 W/m・K）は、フィン表面積を増やすか、定常状態でのより高い動作温度を受け入れることによって補償する必要があります。ハウジングの形状が熱の最適化ではなく機械的または IP 定格の要件によって左右されるアプリケーションの場合、通常はダイカストが適切なプロセスです。ダイカストの最小肉厚はアルミニウムの場合約 1.5 ～ 2.0 mm です。フィンのアスペクト比は、抜き勾配の複雑な問題がなければ、約 5:1 に制限されます。

CNC加工

ビレット 6061-T6 または 6063-T5 から機械加工されたヒートシンク ハウジングは、最高の幾何学的自由度を提供し、押出成形と同じ高導電率合金を使用します。これらは、プロトタイプ、少量生産、および合わせ面に非常に厳しい寸法公差が必要なアプリケーションに対する標準的なアプローチです。容積あたりの単価は押出成形やダイカスト成形よりも大幅に高くなりますが、機械加工により、スカイブドフィンやフライス加工されたピンアレイを含むフィン形状を作成でき、押出成形や鋳造で製造できるフィン密度とアスペクト比を超えるフィン密度とアスペクト比を実現できます。特にスカイブドフィン加工では、アスペクト比が 40:1 を超える 0.2 mm もの薄さのフィンを製造でき、自然対流冷却の理論的限界に近づく表面積密度を達成できます。

製造工程の比較

ヒートシンクハウジングの熱設計原則

効果的なヒートシンクハウジング設計には、フィン表面積を最大化するだけでなく、ジャンクションから周囲までの熱抵抗チェーン全体を管理する必要があります。チェーン内の各ステージは抵抗に寄与し、他のステージがどれほど最適化されているかに関係なく、最も弱いリンクが達成可能なジャンクション温度の制限を設定します。

熱抵抗チェーン

ヒートシンク ハウジング内に取り付けられたコンポーネントの場合、熱経路は次のようになります: ジャンクション → コンポーネント パッケージ → サーマル インターフェイス マテリアル (TIM) → ハウジング ベース → ハウジング フィン → 周囲空気。接合部から周囲までの合計熱抵抗 (θ _じゃ ) は、このチェーン内のすべての抵抗の合計です。適切に設計されたヒートシンク ハウジングでは、通常、主な抵抗はフィン表面、つまりアルミニウムと空気の間の界面での対流抵抗です。フィン表面積の増加、フィン間隔の最適化、または強制対流によって抵抗を低減すると、ジャンクション温度が最大に向上します。

コンポーネントとハウジングベースの間のサーマルインターフェースマテリアルは、過小評価されることが多い抵抗源です。標準的な相変化 TIM パッドの熱伝導率は約 3 ～ 6 W/m·K です。プレミアムグラファイトシートは 10 ～ 15 W/m·K に達します。サーマル グリースを十分に塗布すると、十分なクランプ圧力で 8 ～ 12 W/m·K を達成できます。品質の悪い TIM を使用しながら高導電率のハウジング材料を指定することはよくある設計ミスであり、ハウジングの形状が適切になる前に、ジャンクションからケースまでの段階で性能が制限されてしまいます。

自然対流と強制対流のフィン ジオメトリ

ヒートシンクのハウジングのフィンの形状は、設置環境の空気の流れの状況に合わせる必要があります。自然対流 (ファンを使用しない浮力による空気の流れ) は、密閉型エンクロージャまたは IP 定格エンクロージャのデフォルトの想定です。自然対流下では、通常、最適なフィン間隔は次のとおりです。 6～12mm 垂直フィン用。間隔が狭いと、隣接するフィンからの境界層が結合するときにフィン チャネルを通る空気流が増加するのではなく減少する煙突効果が発生します。自然対流下でのフィンの高さは、同じ影響によって制限されます。約 50 ～ 75 mm より高いフィンは、チャネルを通る気温が上昇するにつれて利益が減少し始めます。

強制対流を備えたハウジング (ファン冷却エンクロージャ) の場合、強制流れによって浮力に関係なくチャネルを通過する速度が維持されるため、フィンの間隔を 2 ～ 4 mm に縮小でき、フィンの高さが大幅に増加します。強制対流ヒートシンクのハウジングでは、プレート フィンではなくピン フィン アレイが指定されることがよくあります。これは、ピン フィン アレイが気流方向の影響を受けにくく、吸気角度がフィンの方向と完全に一致していない場合でも良好に機能するためです。

表面仕上げと放射率

放射線は、自然対流環境、特に高温においてヒートシンク ハウジングからの熱放散に大きく寄与します。機械加工された裸のアルミニウム表面の放射率は約 0.05 ～ 0.10 であり、実質的には不十分な放熱器となります。ハウジング表面を陽極酸化処理することで放射率が向上し、 0.80～0.90 これにより、裸のアルミニウム仕上げと比較して、一般的な LED ドライバーの電力レベルで定常状態の動作温度を 5 ～ 15 °C 下げることができます。黒色陽極酸化処理は、陽極酸化処理グループの中で最も高い放射率を提供します。透明な陽極酸化により、裸のアルミニウムよりも適度な改善が得られますが、視覚的な影響は少なくなります。粉体塗装は高い放射率 (0.85 ～ 0.95) を提供し、屋外定格ハウジングの耐食性もさらに向上させます。

IP 定格、密閉性、および熱性能のトレードオフ

IP54、IP65、IP67 以上の定格の密閉ヒートシンク ハウジングには、基本的な熱設計上の緊張が伴います。電子機器を埃や湿気から保護する密閉要件は、内部コンポーネントの対流冷却のために筐体に空気が入るのを防ぎます。密閉されたハウジング内で発生した熱はすべて、ハウジングの壁を通って伝導され、外面から放散されなければなりません。これにより、熱設計の問題は、内部の空気の流れの管理から、筐体壁の導電抵抗を最小限に抑え、外部の対流面と放射面を最大化することに変わります。

密閉型ヒートシンクハウジングの場合、 コンポーネントをハウジングベースに直接熱接合 コンポーネントを PCB に実装し、その後ハウジング内のスタンドオフに設置するのではなく、伝導経路内の熱インターフェースの数を大幅に削減します。 LED モジュール、MOSFET、およびその他の高放熱コンポーネントは、多くの場合、TIM と締め付けネジを使用してハウジング ベース内部の機械加工パッドに直接取り付けられ、ジャンクションからパッケージ、TIM を通ってハウジング壁、そして外部フィンに至る短い導電経路を確立します。

ガスケットの材質の選択は、シールの信頼性と界面での熱性能の両方に影響します。シリコーン ガスケットは、屋外電子機器の一般的な温度範囲 (-40 °C ～ 85 °C) にわたって圧縮永久歪み特性を維持し、高温でもガスを放出しません。圧縮繊維または発泡ガスケットは低コストですが、時間の経過とともに圧縮緩和が大きくなり、熱サイクルを受ける設置場所では IP 定格の完全性が低下する可能性があります。屋外環境のヒートシンク ハウジングの場合、ショア A 硬度 40 ～ 60 のシリコン ガスケットが標準仕様となります。