さまざまなアプリケーションにおいて、ヒートシンクの最適なソリューションに関するエンジニアリング上の決定は、コストとパフォーマンスに依存する場合があります。 理論的には、パフォーマンス要件を満たす最低コストの製品を入手するのは簡単であるように思えます。 実際、顧客は、高価格に直面した場合、パフォーマンス仕様を変更する (別のチップを使用する) か、一部のパフォーマンスを犠牲にする (条件に基づいてチップを劣化させるなど) ことを選択することがよくあります。
この記事では、パフォーマンスとコストの指標として、ヒート パイプ/ベーパー チャンバーに基づくいくつかのヒートシンクを比較します。
パフォーマンス: FloTHERM CFD ソフトウェア パッケージを使用して、全体的なヒートシンクのパフォーマンス Δ T を計算します。
コスト: バッチサイズが十分に大きいと仮定すると、ハードモールドの投資コストは単価に反映されません。 さらに、バッチ サイズを増やすと単価が下がるため、単価は最低コストのソリューション (1 倍、1.1 倍など) と相対的になります。
ヒートシンク設計パラメータ
熱源電力：250ワット
熱源サイズ：30×30mm
最高周囲温度: 25 度
空気流量: 40 立方フィート/分 (CFM)
コンデンサー: スナップオンフィンサイズ 115 * 85 * 65 mm
最も基本的な設計から始めて、徐々に複雑なプロセスを掘り下げて、パフォーマンスとコストが設計によってどのような影響を受けるかを見てみましょう。
1. アルミニウムまたは銅ベースのヒートパイプ ヒートシンク
U字型アルミニウムベースヒートパイプヒートシンク
これは、ヒート パイプ ラジエーターの最も伝統的な設計です。 4 本の U 字型ヒート パイプがアルミニウムまたは銅のベースに溶接され、熱源と接触します。 熱はまずベースを通過し、その後ヒートパイプに到達する必要があります。
この例では、ヒート パイプとベースの間の接触領域はわずかに平坦ですが、曲げ以外に他の二次的な操作は 4 本の 6 mm ヒート パイプに対して実行されませんでした。
アルミベースヒートパイプラジエーターのCFD
FloThermal モデルは、ヒートシンクの温度が周囲温度 (78.9 度 -25 度=基準最高温度 - 周囲温度) より 53.9 度高いことを示しており、この温度をパフォーマンス ベンチマークとして使用します。コストベンチマークは 1 回として定義されます。
より高い性能が必要な場合は、アルミニウムベースの代わりに銅ベースを使用できます。 銅ベースの熱伝導率はアルミニウムベースの2倍であるため、銅ベースの性能は2.3度向上します。 銅ベースの設計では、アルミニウムベースに比べてコストが 5% 増加し、重量もわずかに増加します。
2. 直接接触ヒートパイプヒートシンクラジエーター
直接接触型ヒートパイプラジエーター
この設計により、熱源とヒート パイプ間の直接接触が可能になり、熱吸収ベースとインターフェース材料 (ヒート パイプをベースに固定するために使用されるはんだ) が不要になります。 ただし、必要な表面平滑性を得るには、ヒートパイプを機械加工（二次加工）する必要があります。
直接接触ヒートパイプラジエーターのCFD
ヒートパイプと熱源が直接接触するため、この設計のヒートシンクの性能は 49.3 度まで向上しました。これはベンチマークより 4.6 度高く、銅ベースを使用した設計より 2.3 度高くなります。 ただし、基盤（ヒートパイプの埋め込み溝）の追加加工やヒートパイプの加工が必要となり、ベンチマーク設計の1.1倍（10％高価）となります。
3. U字型均一温度プレートヒートシンク
U字型均一温度プレートヒートシンク
このソリューションは、4 本の 6mm ヒート パイプを 1 つの U 字型ベーパー チャンバーに置き換えます。 設計の点では、直接接触ヒートパイプ ヒートシンクに最も似ており、どちらも熱源 CPU が二相コンポーネントと直接接触することができます。 従来の 2 ピース設計は U 字型に曲げることができないため、この設計を選択する際に考慮すべき重要な点は、ヒートシンクのサプライヤーが統合型ベーパー チャンバーを製造できるかどうかです。
U字型均一温度プレートヒートシンクのCFD
直接接触ヒート パイプ設計と比較して、VC ヒートシンク ソリューションのパフォーマンスは 21.5% (11.6 度 ) 向上しましたが、コストは 4.55% しか増加しませんでした。 ただし、vc ヒートシンクの壁厚が増加したため、ヒートシンク ラジエーターの重量が約 75g 増加しました。
4. 3D均一温度プレートヒートシンク
3D均一温度プレートヒートシンク
この設計では、熱を吸収する底板は、垂直凝縮器ヒート パイプと蒸気通路を共有する蒸気室です。 製造段階では、8 本のオープン タイプのヒート パイプが開口部のあるベーパー チャンバー プレートにろう付けされます。 ベイパー チャンバーは熱源と直接接触しており、XY 平面に沿って熱を均一に分配し、垂直ヒート パイプを通じてフィンに熱を分散します。
ベーパーチャンバーを備えた 3D ヒートシンクの CFD
この設計は最高のパフォーマンスを備えていますが、コストが高くなります。 最も近い競合製品である U 字型 VC ヒートシンク プレート設計と比較すると、温度は 2 度近く低下しました (性能は 4.9% 向上) が、価格は 2 倍 (117% 増加) になりました。
ただし、このケースでは 3D ベーパー チャンバー設計の潜在的な利点が十分に強調されていないことに注意してください。 必要な底部プレートのサイズが大きくなるにつれて、このソリューションと U 字型ベーパー チャンバー プレート設計との性能差も大きくなります。
まとめ
以下の表は、ヒートシンクの材料または二相コンポーネントを変更すると、大幅な性能向上が達成できることを示しています。 ベンチマークのアルミニウムベースのヒートシンクから 3D vc ヒートシンク プレート ソリューションに移行すると、パフォーマンスは 17 度向上しましたが、コストは 150% 増加しました。
ラジエーターの性能とコストの比較
ベースをより熱伝導率の高い銅材料に置き換えるか、ヒートパイプを熱源に直接接触させることにより、約 7% -15% の中程度の性能向上とコストの増加 (ベンチマークとの比較) を達成できます。 。
アプリケーションパラメータを考慮した場合、全体的な値が最も優れている設計は、ベーパーチャンバーヒートシンクである可能性があります。 基準価格より15％高価ですが、性能は28％（15.2度）向上しました。
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