基板用ヒートシンクとは
基板用ヒートシンクとは、電子機器やコンピュータなどの基板に取り付けられる冷却装置です。
プリント基板に実装される電子・電気部品から発生する熱を発散させることにより、回路の動作の安定化を図る目的で使用されます。各種の回路における半導体部品は、大きな駆動電力が必要な場合には発熱量が大きくなる傾向です。
半導体プロセスの進化に伴い、大規模な集積回路が極めて小さなサイズで実現されています。このような複雑で高度な機能と性能を実現するデバイスにおいては、発熱量も大きくなることが多いです。
発熱量を減らすために、半導体デバイス側でも消費電力を抑えるさまざまな工夫がなされています。ただし、さまざまな環境下で使用した場合にも安定動作を維持するためには、ヒートシンクが必要になるケースがほとんどです。
基板用ヒートシンクの使用用途
基板用ヒートシンクは、主に電子機器やコンピュータの基板に取り付けて使用される冷却装置です。以下は、基板用ヒートシンクの主な使用用途の一部です。
1. CPU
CPUは、コンピュータの計算や制御を担当する重要な部品です。高性能のCPUは多くの演算を行い、その結果多くの熱を発生させます。過熱すると性能が低下したり、損傷を受けたりする可能性があります。
基板用ヒートシンクはCPUに取り付けられ、CPUから発生する熱を吸収することが可能です。ヒートシンクのフィンを通して周囲の空気との熱交換を促進します。これによってCPUの適切な動作温度を維持し、性能を最大限に引き出すことが可能です。
2. GPU
GPUは3Dグラフィックスの処理やビデオのデコードなど、グラフィックスに関連するタスクを担当します。高解像度のゲームやビデオ編集など、グラフィックスの負荷が高い場面ではGPUも多くの熱を発生させることが多いです。基板用ヒートシンクはGPUに取り付けられ、適切な冷却を行って高いパフォーマンスを維持します。
3. パワーエレクトロニクス
パワーエレクトロニクスは、電力を制御または変換するための電子部品です。インバータやモータードライバーなどがその一例です。
これらの部品は高い電力を取り扱い、それに伴って大量の熱が発生します。基板用ヒートシンクはこれらの部品に取り付けられ、効率的な冷却を行います。結果として、過熱による損傷を防止することが可能です。
基板用ヒートシンクの原理
基板用ヒートシンクの冷却原理は、熱伝導と熱放射のプロセスを利用して、電子機器の基板上に発生する熱を効果的に除去することにあります。
1. 材質と形状
基板用ヒートシンクは熱伝導性の良いアルミや鉄、銅などがその材料として使用されています。さらにヒートシンによる熱の発散能力を高めるために、その表面積を広げる工夫がなされることが多いです。
ヒートシンクの表面に多くの薄い板を間を空けて並べて立てることにより、表面積を広げる工夫がその一例です。また、表面に多くの棒状構造物を接着した製品も、表面積を広げる工夫の1つです。さらに、熱を効率的に逃がす場合は、強制風冷によって周囲温度を下げることもあります。
2. 固定方法
基板へのヒートシンクの固定方法はさまざまです。両面テープやピン、クリップなどがその一例です。熱伝導性両面テープによって固定する場合があります。
ヒートシンクと発熱体の間に熱伝導性の高い両面接着テープを挟んで固定する方式です。小型・軽量なヒートシンクには、良く用いられます。ヒートシンクとボードをプッシュピンで固定する方式もあります。
スプリングの張力でヒートシンクを保持します。 ヒートシンクとボードを段付きネジで固定する方法もあり、ヒートシンクの交換が容易な点が特徴です。
Z形状クリップはボード上にアンカーを二箇所用意し、Z形状のワイヤークリップで固定する方式です。着脱が容易である、という特徴を持ちます。
基板用ヒートシンクの種類
基板用ヒートシンクの冷却方式によって、自然空冷と強制空冷の2種類に分けられます。
1. 自然空冷
自然空冷は、ヒートシンクからの放熱のみに頼る方式です。筐体がない開放空間の方が有利とされます。
2. 強制空冷
強制空冷は、ファンを用いて冷却する方法です。強制空冷を行う際は筐体があった方が、効率が高くなります。ダクトの開口部サイズによって筐体内部の風速を制御し、熱を逃がすシステムです。
強制空冷では流路が大きすぎると風速が減り、流路が小さすぎると風量が減ってしまいます。適切な風速と風量を維持するためには、流路の最小断面積をファンの最小断面積と同等以上にすることが重要です。
参考文献
https://www.micforg.co.jp/jp/c_ref4.html
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/mag/ne/18/00027/00004/