ヒートシンク選定のご案内
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ヒートシンク選定のためには、まず、目標となる熱抵抗値を求める必要があります。 これはある条件下におけるヒートシンクの性能と比較するための基準となります。 この熱抵抗値は、主に「1.発熱体について」で質問されている情報によります。 発熱体の仕様書を調べるなどして、できる限りの入力してください。

目標が設定された後、様々な設計要素を考慮しながら、ヒートシンクを選択します。 本ページでは、1から6までに、その設計要素をグループ化しています。 それぞれの項目をクリックし、わかる範囲で、使用条件を入力してください。

不明・未定の項目に対しては、こちらで一般的と思われる値を前提条件として補います。

ヒートシンクの性能はこれらの要素や、それ以外の様々な状況によって変わってきます。 データや経験に基づき、最もふさわしいと思われる製品をご提案いたしますが、 その性能を保証するものではなく、必ず実機での性能確認を行ってください。

ヒートシンク選定のためには、まず、放熱対象となるICチップ(熱源)の発熱量と、許容される温度上昇を知る必要があります。 また、熱源の寸法も、熱性能やヒートシンク取付設計に影響する重要なポイントとなります (参考情報:熱源が小さい場合(bare-chip)の手引き)。

これらの基本情報はヒートシンクを選定するためには必須であり、ICチップのメーカーより入手できるものです。 多くのチップのメーカーは熱設計のための手引きを公開しています。 ここでは実例として、公開されているチップの仕様書から、ヒートシンク選定に必要となる情報を見ていきましょう。

チップ仕様の実例

IntelのIntel® G31/P31 Express Chipsetの Thermal and Mechanical Design Guidelinesより抜粋

Intel Chip Design Guide

消費電力としてTDP(Thermal Design Power)とチップのケース温度の許容最大値(Tc-max)が明記されています。 例えば、 Intel ® G31 Express Chipset の場合、発熱量は 15.5 Wです。また、許容される温度上昇は
許容温度上昇 = チップのケース許容最大温度(106℃)- 雰囲気温度
で計算されます。雰囲気温度とはヒートシンクに流入する空気の風上側の温度であり、PCBのレイアウトや筐体の設計、 エアーフロー条件など、さまざまな状況によって変わります。 経験的には、45℃~50℃が雰囲気温度として使われます。

Altera Chip Design Guide

次にチップ外形寸法についての例を示します。 左図の D1, E1 の寸法はヒートシンクと接触する面の大きさで、ヒートシンクやサーマルインターフェースの熱性能を予測するために重要です。 D, E, A の寸法は、プッシュピンやネジなどの取付方法を考慮した設計を行うために必要な情報となります。

ヒートシンクのサイズが大きいほど、熱交換のための表面積は増え、放熱性能は良くなります。 また、ヒートシンク周辺に空間があると、空気の流れはヒートシンクを避けるようにその空間の方に流れてしまいます。 このような空気の流れをバイパスエアーフローと呼びます。 筐体内の空間を占める体積が大きくなることにより、バイパスエアーフローは少なくなり、 空気の流れはより有効にヒートシンクに作用します。

バイパスエアーフロー1 バイパスエアーフロー2

一方、ヒートシンクのサイズが大きいほど、重量が大きくなるため、 その固定方法は粘着テープや接着材ではなく、プッシュピンやネジ留めなどによって、 PCBや筺体に対して固定する方法を検討する必要があるかもしれません (参考情報:技術情報 - 取付方法について)。

ヒートシンクの固定方法として、プッシュピンやネジ留めを使用する場合、 その取付用固定穴はチップ外形の外側に位置しているため、 チップサイズより一回り大きなベースサイズのヒートシンクを使うか、 ヒートシンクのベースをタブ付形状とする必要があります。

アルファ規格品の代表的なフィンパターンを紹介します。各フィンタイプの詳細、他のフィンパターンについてはオンラインカタログを参照してください。

TYPELPDMDUBZN
詳細 LPD MD UB Z N

超低圧力損失タイプ

中低圧力損失タイプ

薄フィンの高性能タイプ

極薄フィンの超高性能タイプ

ファンレス・低速・無指向性の六角ピンタイプ

標準ピン寸法 厚さ(mm) 0.75 - 0.95 0.75 - 0.95 0.50 - 0.55 0.35 1.90 - 2.50
隙間(mm) 3.10 - 3.91 2.28 - 2.98 1.45 - 1.64 1.13 - 1.17 5.78 - 7.87

ヒートシンク周辺に空間があると、空気の流れはヒートシンクを避けるようにその空間の方に流れてしまいます。 このような空気の流れをバイパスエアーフローと呼びます。

空気の流れがヒートシンク周辺に逃げないよう、ダクトを使い強制的にエアーを ヒートシンクに送り込むことにより熱性能は向上します。

バイパスエアーフロー ダクト

カタログに記載されているヒートシンクの性能を表す熱抵抗値のテスト結果は、 ヒートシンクをほぼ囲うようなダクトを使用し性能評価しています。 そのため、カタログ値は理想的な環境におけるデータであると言えます (参考情報:技術情報 - 熱抵抗・圧力損失 測定方法)。

実環境においては、ダクト部品を設置していなかったとしても、ドーターカード、 メモリモジュール、PCB上のコンポーネント、あるいは筐体のシャーシなどにより、 擬似的なダクトが形成されていることがあります。

このダクトのサイズにより、ヒートシンクの熱性能は大きく変わります。 一般的にフィンパターンが密なほど(圧力損失の大きなヒートシンクほど)、 ダクトサイズの影響は大きくなります。

筐体のふたや隣接されたボードによってヒートシンク上部には空気の逃げが少ないケースは多いため、 お客様からの指定が無い場合は、ダクトの高さはヒートシンクの高さに 2mm程度足した大きさと仮定します。

ヒートシンクを取り巻く空気の流れは、大きく自然空冷か強制空冷かに分けられます。

自然空冷とは他から強制的に風を受けない無風状態での冷却をさします。参考情報:技術情報 - 自然空冷の手引き

強制空冷とは冷却風を積極的にヒートシンクに取り入れる冷却をさします。

風速が速いほど、熱性能は良くなります。

実環境においては、筐体に取り付けられたファンによりエアーが供給されますが、 筐体内コンポーネントの状況やどのようなヒートシンクを取り付けるかによって風速は変わります。

シミュレーションで使われる風速はヒートシンクに入る直前における風速です。

ヒートシンクと発熱体の接触面にある小さな隙間や凹凸を埋め、効率よく熱をヒートシンクに伝えるためにサーマルシートやグリースなどが使われます。

詳細はオンラインカタログ - サーマルシート・グリースを参照してください。

ヒートシンクを両面粘着テープを使って固定する場合には、その両面粘着テープ自身がサーマルインターフェースと言えます。

詳細はオンラインカタログ - 熱伝導性両面接着テープを参照してください。

一般的に、熱源のサイズが小さいほど、サーマルインターフェース素材の熱性能に対する影響は大きくなります。

ヒートシンクの取付方法は重要な設計要素の一つであり、取付方法によって使えるサーマルインターフェース材料も変わります。 個々の取付方法の詳細については技術情報 - 取付方法についてを参照してください。

Design Guide
ダクトサイズ(H)
mm
ダクトサイズ(W)
mm
ヒートシンク(H)
mm
環境温度
ヒートシンク(W): mm
ヒートシンク(L): mm
最大許容チップ表面温度:
発熱量: W
エアーフロー:
風速: m/s
目標熱抵抗値: ℃/W
入力内容
1.
発熱体:
(未定)
2.
ヒートシンク:
(未定)
3.
ダクト:
(未定)
4.
エアーフロー:
(未定)
5.
サーマルインターフェース:
(未定)
6.
取付方法:
(未定)
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5.
サーマルインターフェース:
(未定)
6.
取付方法:
(未定)
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