拡がり熱抵抗と接触熱抵抗に注目

放熱器設計の基本

ヒートシンク熱抵抗の基本構成

ヒートシンクの熱抵抗は主に3つの要素から構成されます．まず，ヒートシンク自体のフィン部の熱抵抗$R_0$です．強制空冷や水冷化を行うと$R_0$は減少します．次に，ヒートシンク・ベース面の拡がり熱抵抗$R_c$です．熱源の小型化に伴い$R_c$は増加します．最後に，部品とヒートシンクの接触熱抵抗$R_{cf}$があります．小型化した熱源では$R_{cf}$が増加する傾向です．近年では$R_0$よりも$R_c$と$R_{cf}$の低熱抵抗化が課題です．高性能VCや液体金属グリースが採用され，これらの抵抗を低減します．

拡がり熱抵抗の設計上の考慮点

熱源の発熱量が増大すると，ヒートシンクの表面積を十分に確保する必要があります．部品サイズは小型化しているため，ヒートシンク・ベース上で温度差が生じやすくなります．拡がり熱抵抗$R_c$を低減するには，ヒートシンク・ベースを厚くしたり，熱伝導性の高い材料を使用することが有効です．また，複数の小型熱源を同一ベースに配置する場合も，温度均一化のために$R_c$の最適化が重要です．

接触熱抵抗の最適化

部品とヒートシンクの間に存在する接触熱抵抗$R_{cf}$は，熱伝達効率に大きく影響します．$R_{cf}$が大きいと部品とヒートシンクの間に温度差が生じ，ヒートシンクの性能を十分に引き出せません．接触面の平滑化や高性能グリースの使用，液体金属の適用により$R_{cf}$を低減できます．

放熱設計の具体的手法

1. ヒートシンク・ベースの厚みや材質を選定し拡がり熱抵抗$R_c$を最小化する
2. 部品とヒートシンク間の接触面を平滑化して$R_{cf}$を低減する
3. 必要に応じて液体金属グリースや高性能VCを使用する
4. 複数の熱源がある場合は配置を工夫し温度差を縮小する
5. ヒートシンクのフィン設計で強制空冷や自然空冷効率を最適化する

拡がり熱抵抗$R_c$と接触熱抵抗$R_{cf}$の低減は，ヒートシンクそのものの熱抵抗$R_0$の改善以上に重要です．放熱器設計では，これら2つの抵抗を理解し，効率的に制御することで，部品の信頼性と寿命を確保できます．

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1977年 早稲田大学理工学部 機械工学科卒
• 1977年 沖電気工業に入社．電子交換機やミニコン，パソコン，プリンタ，FDDなどの冷却方式開発や熱設計に従事．その後，電子機器用熱解析ソフトの開発，CAD／CAM／CAEおよび統合PDMの構築などを担務
• 2007年　サーマル・デザインラボを設立．上流熱設計と熱解析の両輪による「熱問題の撲滅」を目指し，製品の熱設計，熱対策支援，プロセス改革コンサルティング，研修などを手がける．

著書

1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. 高密度実装時代の熱設計教科書，トランジスタ技術2020年8月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［KIT］ミリ波5G対応アップ：ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．