電子機器が高温になる場合、適切なヒートシンク材を選択することが非常に重要です。大きな問題は、効果的に冷却し、予算内に収まり、デザインとシームレスに統合するヒートシンクをどのように選ぶか、ということです。アルミニウムと銅は、最もよく比較される2つの素材です。それぞれに長所があります。最適な選択は、あなたのプロジェクトが何を必要としているかによります。
アルミ製ヒートシンクは、ほとんどの冷却作業に対応する堅実な選択肢だ。銅製より軽く、コストも低い。銅製ヒートシンクは熱伝導に優れていますが、重く高価です。コスト、重量、性能のバランスを考えるなら、通常はアルミニウムの方が優れています。しかし、限られたスペースでトップレベルの冷却が必要な場合は、銅が最適です。
どちらの素材にも長所と短所があります。次のパートでは、アルミニウムと銅のヒートシンクの違いを説明します。あなたのセットアップにどちらが最適かを判断するのに役立ちます。
ヒートシンクとは？
ヒートシンクは、熱を放散することで他の部品の冷却を助ける部品である。熱を空気中に拡散させ、熱くなりすぎないようにします。ほとんどのヒートシンクには、フィンや平らなプレートが付いています。これらの形状により表面積が広くなり、空気がより多くの熱を奪うことができます。
ヒートシンクにはさまざまな形状があり、製造方法もさまざまだ。プレスや機械加工されたものもある。鋳造や他の部品と接合するものもある。しかし、部品から周囲の空気に熱を逃がすことに変わりはありません。
ヒートシンクは、伝導と対流という2つの基本的な考え方で機能する。まず、熱は高温部からヒートシンクに流れ込む。これを伝導という。次に、熱はヒートシンクの表面から空気中に移動する。これが対流である。
ヒートシンクの中には、冷却を強化するためにファンや外部エアフローを利用するものもある。また、自然の気流だけに頼るものもある。使用する素材の種類も重要です。素材によっては、熱を素早く吸収して拡散するものもあります。
アルミニウム・ヒートシンクの概要
アルミニウムはヒートシンクに最も広く使われている素材です。熱性能、重量、価格のバランスが取れているため、多くの産業で人気があります。
アルミニウムの特性
アルミニウムは熱伝導性に優れています。銅ほど速く熱を伝えませんが、それでもほとんどの用途で優れた性能を発揮します。熱伝導率はグレードによって200～235W/m・Kです。
アルミニウムは軽量です。重さは銅の約3分の1です。そのため、重量を考慮する場合には良い選択となります。
アルミニウムはまた、機械加工、押し出し、成形が容易である。これは生産コストを下げる。腐食に強く、特に次のような場合に優れている。 陽極酸化処理そのため、多くの環境で長持ちする。
ヒートシンク用アルミニウムの一般的な等級
ヒートシンクの最も一般的なグレードは6061と6063の2種類である：
- 6061:強度が高く、機械加工が必要な部品に適している。構造強度に適している。
- 6063:表面仕上げが良く、押し出しが容易。複雑なヒートシンク形状によく使用される。
製造方法
アルミ製ヒートシンクは、いくつかの方法で作ることができる：
銅製ヒートシンクの概要
銅はその優れた熱伝導性で知られています。銅は、高速の熱伝導が重要な、大電力またはスペースが限られたシステムでよく使用されます。
銅の特性
銅の熱伝導率は非常に高い。380から400W/m・Kで、アルミニウムのほぼ2倍です。つまり銅は、熱くなった部品から熱をすばやく逃がすことができるのです。
銅は重い。アルミニウムの約3倍も重い。この重量増は、ポータブルシステムや重量に敏感なシステムでは問題となることがある。
機械加工も難しく、価格も高い。しかし、熱性能の点では、最高の素材の一つである。
ヒートシンクの一般的な銅等級
ヒートシンクに最もよく使われる銅のグレードは以下の通り：
- C110（電解タフピッチ、ETP）:非常に高い導電性。純度99.9%以上。最高の熱流が必要な場合に使用されます。
- C102（無酸素銅）:C110よりもさらに高純度で、導電性がわずかに優れている。高度な電子機器や真空システムによく使用される。
製造技術
銅製ヒートシンクはさまざまな方法で作られている：
- CNC加工:銅で最も一般的。厳しい公差と滑らかな表面が得られるが、時間とコストがかかる。
- スカイビング:無垢の銅ブロックからブレードでフィンを薄くスライス。ボンディング不要の高密度フィンができる。
- 鍛造:高い強度と耐熱性に優れている。耐久性を重視する場合に使用される。
- はんだ付けまたはろう付け:銅の部品を接合したり、銅のベースにフィンを追加するためによく使われる。
アルミニウムと銅のヒートシンク：主な違い
アルミニウムと銅のヒートシンクのどちらかを選ぶ場合、いくつかの重要なポイントが最も重要です。それぞれの要素は、システムの設計や構築方法に影響します。
熱伝導率
銅はアルミニウムよりも熱伝導率が高い。銅は熱をほぼ2倍の速さで伝えることができます。そのため、熱くなった部品から熱を素早く引き離すことができます。
アルミニウムは、多くのシステムで優れた性能を発揮し続けている。表面積が広い場合やエアフローが良好な場合は、伝導率の差はあまり問題にならないかもしれません。しかし、狭いスペースやハイパワーのセットアップでは、銅の方が熱伝導が良いのです。
重量
アルミニウムは銅よりもはるかに軽い。重さは約3分の1です。そのため、ノートパソコンや携帯工具など、重量が重視される機器に最適です。
銅は重量を増やします。設計によっては、その余分な重量がシステムのマウントやサポート方法に影響することもあります。
料金
アルミニウムの方が安い。購入コストも安く、加工も簡単だ。そのため、ほとんどの大規模生産ではアルミニウムが第一の選択肢となる。
銅の方が高価だ。また、機械加工や成形にもコストがかかる。そのため、主にコストよりも高い熱性能が重視される場合に使用される。
耐腐食性
アルミニウムは自然に薄い酸化皮膜を形成し、腐食から保護します。また、耐久性を高めるアルマイト処理などの表面処理とも相性がよい。
銅も腐食には強いが、特に湿度の高い環境や塩分の多い環境では、時間の経過とともに変色したり、緑色のパティナを形成したりすることがある。長期的な外観と保護のためには、コーティングやメッキが必要です。
製造可能性
アルミニウムは他の金属よりも切断、曲げ、成形が容易です。押出、CNC、鋳造に適しています。そのため、生産時間とコストを抑えることができます。
銅は機械加工が難しい。工具の摩耗も早く、加工時間も長くなります。複雑な銅の部品は、さらに時間がかかったり、特殊な方法が必要になったりします。
熱容量
銅はアルミニウムよりもわずかに熱容量が大きい。つまり、温度が上昇する前に、より多くの熱を蓄えることができるのです。
しかし、その差はごくわずかである。ほとんどの実際の用途では、熱容量よりも熱伝導率の方が重要である。
アプリケーションの適合性
アルミニウムは、民生用電子機器、LED照明、自動車システムに適している。重量とコストを抑えながら、優れた熱性能を発揮します。
銅は、サーバーCPU、GPU、パワーエレクトロニクスなどの大電力セットアップに適しています。また、エアフローが制限され、熱が高速で移動しなければならないコンパクトなシステムにも使用されます。
アルミニウムと銅のヒートシンク：どちらを選ぶべきか？
どちらの素材もうまく機能しますが、正しい選択はそれぞれのニーズによって異なります。アルミニウムと銅のどちらを使うべきかを比較してみましょう。
アルミニウム・ヒートシンクの使用時期
必要なときにアルミニウムを使う：
- 軽量部品
- 大量生産のための低コスト化
- 機械加工や押出成形が容易
- ほとんどの用途で十分な熱性能
- 単純な形状または大きな表面積
銅製ヒートシンクの使用時期
必要なときに銅を使う：
- 狭いスペースで最大の熱性能
- ハイパワーチップのための高速熱除去
- 限られたエアフローで安定した冷却
- 高熱負荷のコンパクト設計
- ミッションクリティカルなシステムのための強力なサーマルパス
結論
アルミニウムと銅のヒートシンクには、それぞれ適材適所があります。アルミニウムは軽量で加工しやすく、コスト効率に優れています。銅は熱伝導率が良いですが、重量とコストが増えます。狭いスペースで高冷却が必要な場合は、銅の方が適しています。ほとんどのニーズに合うバランスの取れた選択肢をお探しなら、アルミニウムが適しています。
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ケビン・リー
レーザー切断、曲げ加工、溶接、表面処理技術を専門とし、板金加工において10年以上の実務経験があります。シェンゲンのテクニカルディレクターとして、複雑な製造上の課題を解決し、各プロジェクトにおける革新と品質の向上に尽力しています。
