コンピューターホストや白物家電などの電子機器を分解すると、内部構造内に必ず金属ブロックが存在します。この金属ブロックはヒートシンクであり、電子機器全体の放熱にとって最も重要な部品の一つです。ヒートシンクがなければ、蓄積された熱を外部環境と放出したり交換したりすることができません。
ヒートシンクとは何ですか?
ヒートシンクは、機器の動作熱を外部に放出し、正常な機能を維持するデバイスです。主にコンピュータのCPUやGPU（グラフィックカード）などのコアコンポーネントに使用されます。冷却方法の違いにより、空冷式、液冷式、ヒートパイプ式など、様々な種類に分類されます。主な材料は銅とアルミニウム合金ですが、グラフェン、熱伝導性プラスチック、セラミック（炭化ケイ素、窒化ホウ素など）などの非金属材料も使用されます。
放熱は、熱伝導、対流、放射の相乗効果によって実現されます。製造工程には、アルミニウム押出成形や銅・アルミニウム接合などの技術が含まれます。フィンの設計と成形は、放熱効率に直接影響を与えます。
ヒートシンクの種類
ヒートシンクは、材質や構造の違いにより、多種多様な種類があります。以下では、一般的なヒートシンクの種類をいくつかご紹介します。
折り畳みフィンヒートシンク
折り畳みフィンは、プログレッシブスタンピング法を用いて製造されます。その後、フィンは熱伝導性エポキシ、ろう付け、溶接、または同様の冶金接合を用いてベースに接合され、ヒートシンクを形成します。折り畳みフィンヒートシンクの利点は、アルミニウムと銅を統合できるため、特定の用途に合わせてヒートシンクの性能をカスタマイズできることです。大きなヒートシンクベース全体に熱を分散させる必要がある場合は、高い熱伝導率を持つ銅を使用し、軽量でコストが低いアルミニウムでヒートシンクフィンを製造することができます。
スカイブドフィンヒートシンク
スカイブフィンヒートシンクは、単一の材料ブロック（銅またはアルミニウム）を使用し、高精度ヒートシンクスカイビングプロセスを備えた専用のスカイビングマシンを使用して、高密度で高く、非常に長いフィン構造を切り出します。スカイブフィンヒートシンクは、従来のヒートシンクの厚さとアスペクト比による制限を克服し、高密度フィンを備えたヒートシンクの作成を可能にします。フィンとベースは「モノリシック」（一体型）です。ベースとフィンが1つのピースに統合されているため、追加の熱抵抗はありません。スカイブ材料の高純度と相まって、スカイブフィンヒートシンクの効率ははんだ付けヒートシンクよりも大幅に高く、熱伝導効率は押し出しプロファイルに匹敵するレベルに達します。
スカイビング加工は、最近非常に人気の高いマイクロチャネル液体冷却プレートにも適用されており、熱交換の比表面積を増やし、対流熱伝達の効果を高めることを目的としています。
スカイブフィンヒートシンクの製造プロセスフローは次のとおりです。
- 原材料の準備: 原材料の節約を最大化するために、プロファイルは通常、ヒートシンクの要件に基づいて選択されます。
- ツール/成形: 金型は製品の寸法に応じて作成され、金型ごとに 1 つまたは複数の製品を作成できます。操作は連続的または個別に実行できます。
- CNC 加工: これには、不要な部分の削り取り、シーリング リング用の溝の削り取りなどが含まれます。
- スカイビング工程: スカイビング工程は CNC スカイビング マシンを使用して実行されます。
- ホブ切り（レベリング）：これはホブ盤の操作を使用して完了します。
- 二次加工: 製品図面に基づいて、エッジフィンのフライス加工、中央の穴あけ、クリアランススペースの作成 (回避カット)、フライカット面、ネジ穴の加工、ファスナー機能 (バックルシート) の作成などを行います。
- 表面処理：陽極酸化、電気メッキなど。
アルミ押し出しヒートシンク
アルミニウムプロファイルヒートシンクは、美しい外観、軽量性、優れた熱性能、そして高い省エネルギー効果を特徴としています。完成したアルミニウムプロファイルヒートシンクの表面は、アルミニウムの耐食性、耐摩耗性、そして外観を向上させるために陽極酸化処理が施されています。アルミニウム押出成形ヒートシンクは、一般的に高出力の熱部品やシステムに使用されます。この技術により、金型を通して複雑なフィン構造を実現できます。これらの複雑なフィンは、放熱面積を大幅に増加させると同時に、アルミニウムブロックの機械加工に伴うコストと時間を削減します。
接着フィンヒートシンク
結合フィン ヒートシンクは通常、薄い金属フィンの層をベースまたは基板に結合する組み立てプロセスを使用して製造されます。
接合フィンヒートシンクを製造するための一般的なプロセスフローは次のとおりです。
- 準備: ベースとフィンは通常アルミニウムまたは銅で作られており、接合プロセスが確実に成功するように慎重に洗浄されます。
- 接着：フィンはエポキシ樹脂や熱転写樹脂などの接着剤を用いてベースに接着されます。接着剤は通常、ベースに均一に塗布され、フィンはその上に載せられ、しっかりと接着するために圧力がかけられます。
- 硬化: 次に、通常は加熱または紫外線 (UV) によって接着材料が硬化され、フィンとベースの間に永久的な結合が形成されます。
- 組み立て: ヒートシンクに取り付けハードウェアやインターフェース材料などの追加コンポーネントが必要な場合は、この段階でコンポーネントの調整が行われます。
ジッパーフィンヒートシンク
このタイプのヒートシンクは、アルミフィンとヒートパイプを一体化したものです。構造設計に従ってアルミフィンに穴を開け、規定寸法のヒートパイプを挿入し、接着・溶接することで形成されます。ヒートパイプの相変化効果を利用して、ヒートシンク全体の熱伝達効率を向上させるという利点があります。さらに、外側のアルミフィンにより、単位体積あたりの熱交換面積が大幅に増加し、空気対流熱伝達によって熱を外部環境に迅速に放散します。
もちろん、ここで取り上げていない種類のヒートシンクも数多く存在します。しかし、上記で挙げた一般的な種類は、現在の電子機器で最も頻繁に使用されているものです。
ヒートシンクの用途
ヒートシンクの用途は、航空宇宙、電力、冶金、太陽光発電、鉄道、自動車、通信基地局といった大規模分野から、チップ、サーバー、民生用電子機器、家電製品といった小型デバイスに至るまで、多岐にわたります。電気が通る場所では、ヒートシンクの強化は不可欠です。
特に現在最も重要なAIコンピューティングサーバーにおいて、ヒートシンクは極めて重要な熱部品です。システム全体の冷却という観点から見ると、ヒートシンクの構造的完全性と熱性能は、サーバーユニットの長期的な安定動作を左右する重要な要素です。
液体コールドプレートは、液体の対流伝熱効果を利用して熱源からより迅速に熱を除去する、ヒートシンクの反復的かつ改良された製品形態と考えられています。ヒートシンクのフィン構造は、人気のマイクロチャネル液体コールドプレートにも継承されており、フィン構造は大幅に精密化されています。フィン間の隙間は通常1mm未満であるため、非常に高い精密加工技術が求められます。
ヒートシンク材料
主な材料は銅とアルミニウム合金で、ハイエンドの熱管理分野では銅が主流です。アルミニウム合金製ヒートシンクは、主に電力システム、太陽光発電、自動車用途、通信基地局など、熱要件は比較的低いものの、構造的完全性と軽量化の要件が高い大規模な環境用途で利用されています。最近では、グラフェンベースアルミニウム、ダイヤモンド/アルミニウム複合材、ダイヤモンド/銅複合材など、新しい金属複合材料が登場しています。
ヒートシンク製造
現在主流の製造方法は、CNC加工とスキビング加工です。これらの方法は、中型から大型のヒートシンクの製造において、生産効率とコスト面で大きな利点をもたらします。しかしながら、金型への要求が非常に高く、工具コストも高額になるため、高精度なマイクロヒートシンクや複雑な構造のヒートシンクの加工には課題があります。
マイクロチャネル液体冷却プレートなどの極薄フィンヒートシンクでは、チャネルギャップが1mm未満、あるいは0.1mmに達するため、金属3Dプリント技術の活用が不可欠です。金属3Dプリント技術は、放熱に最適化した複雑な構造を実現できるため、放熱性能において飛躍的な進歩を遂げています。例えば、ハイエンドAIコンピューティングアクセラレータカードの放熱ソリューションでは、チップ表面に密着するコンフォーマルな非標準構造を製造できます。この技術は、熱交換面積の拡大、流路設計の最適化、流体の混合強化により、高効率な放熱を実現し、ポンプの消費電力を削減し、局所的な過熱を効果的に防止します。
さらに、構造が非常に複雑なヒートシンクの場合、従来の機械加工方法では、工具の準備や加工が煩雑になり、生産効率の低下とコストの上昇につながります。金属3Dプリンティング技術は、この問題を完全に解決し、近年、銅製ヒートシンクの印刷ソリューションにおいて大きなブレークスルーを達成しています。
