ヒートシンクの基本紹介

電子技術の発展に伴い、電子部品の効率は相対的に向上し、発熱量も増加しています。

通常の動作状態を維持するには、効率的な熱放散が非常に重要です。 電気部品の動作により発生する熱を放散し、作業効率を向上させるヒートシンク。

ヒートシンク主にアルミニウム合金、真鍮、青銅などの板、シート、または複数のシートの形状で作られています。 たとえば、コンピュータの CPU 中央処理装置、テレビのパワー管とライン管、パワーアンプのパワーアンプ管はすべてヒートシンクを使用します。

熱伝達の種類:

1. 自然対流:ポンプやファンなどの外力に依存せず、流体の不均一な温度場によって引き起こされる流れ。

2. 強制対流：外力の影響による液体または気体の対流。

(ファン付きヒートシンク)

3. 液体冷却:ポンプを使用してヒートパイプ内の液体を循環させ、熱を放散します。

(液冷プレート)

ヒートシンクの歴史

周知のとおり、電子機器の動作温度はその耐用年数と安定性を決定します。 PC の動作温度を適切な範囲に保つためには、放熱を行う必要があります。 PC の計算能力の向上に伴い、消費電力と熱放散の問題はますます避けられない問題になっています。

PC の主な熱源には、CPU、マザーボード、グラフィックス カード、およびハードディスクなどのその他のコンポーネントが含まれます。 作業中に消費される電気エネルギーのかなりの部分が熱に変換されます。 特に現在のハイエンドグラフィックスカードの場合、消費電力は軽く200Wに達する可能性があり、内部コンポーネントの加熱能力を過小評価することはできません。 安定した動作を確保するには、より効果的に熱を放散する必要があります。

初代 放熱という概念のない時代

1995 年 11 月、ブードゥー グラフィックス カードの誕生により、私たちのビジョンは 3D の世界に広がりました。 以来、PC はアーケードとほぼ同等の 3D 処理能力を備え、本格的な 3D 処理技術の時代を築きました。 それ以来、グラフィックスチップの開発は制御不能になっています。 コア動作周波数は 100MHz から 900MHz に増加し、テクスチャ充填率は 1 億/秒から 420 億/秒 (GTX480) に急増しました。 これほど大きなパフォーマンスの変化を前にして、熱量は非常に大きい。

空冷、ヒートパイプ、半導体冷凍チップなどの冷却装置もグラフィックスカードに適用されます。 今日は、主流のグラフィックスカード冷却装置の開発とトレンドを紹介しましょう。

ブードゥー グラフィックス カードが最初に発売されたとき、放熱設備はなく、コア上のパラメーターが公開されることになりました。 現在主流のグラフィックスカードと比較すると、当時はGPUという言葉はありませんでした。 グラフィックス カードのメイン コア チップの処理能力は現在のネットワーク カードよりもさらに低いため、発熱はほぼゼロであり、放熱の必要もほとんどありません。

第二世代 - ヒートシンクの適用

1997 年 8 月、NVIDIA は 3D グラフィックス チップ市場に再び参入し、NV3、つまり Riva 128 グラフィックス チップをリリースしました。 Riva 128 は、コア周波数 60MHz の 128 ビット 2D および 3D アクセラレーション グラフィックス コアです。 コアの発熱が徐々に問題になり、ヒートシンクの応用がグラフィックスカードの分野に正式に参入しました。

第三世代 -- 空冷・放熱時代の到来

tnt2 のリリースは、3dfx の心臓に重い弾丸が撃ち込まれたようなものでした。 コア周波数は 150 MHz で、32- ビット レンダリング、24 ビット Z バッファ、異方性フィルタリング、パノラマ アンチエイリアシング、ハードウェア凸凹マッピング、性能向上とは暖房の増加を意味しますが、大きな技術の進歩はありません。 0.25 ミクロンは依然として使用されているため、パッシブ方式のヒートシンクでは現在の要件を満たすことができなくなり、グラフィックス カードでアクティブ冷却モードの使用が開始されました。

冷却システム Twinturbo-II (第 2 世代の完全カバー型デュアル タービン冷却ファン) を採用し、冷却フィンがグラフィックス カード全体を完全にカバーします。 起動すると、空気が 2 つのファンを通って一方向に出入りし、チップとビデオ メモリの熱を効果的に素早く奪います。 さらに、2つのボールベアリングファンは騒音を効果的に低減し、金属製の放熱ネットにより耐用年数が長くなります。

熱放散の問題を解決するには高速ファンが最適ですが、3D ゲームを楽しむときにファンの騒音に耐えられない友人もいます。 幸いなことに、ヒートパイプ技術の応用により、この問題は解決されます。

通常、コア吸熱ブロック、背面吸熱ブロック、2 つの大面積ヒートシンク、および 1 つのヒート パイプで構成されます。 ヒートパイプは受動的な熱伝導デバイスとして、内部の作動流体の相状態変化により吸熱部から放熱部に熱を素早く伝達し、内部の毛細管構造により吸熱部に戻ります。 。 電力消費やノイズを発生させることなく、前後に繰り返し動作します。

また、熱伝導力が強いのも特徴です。 限られた空間内での素早い熱伝達を実現し、放熱面積を増加させ、受動的放熱効果を大幅に向上させる有効な手段です。 ただし、この放熱方法には依然として欠点があり、放熱能力が十分ではなく、ミドルエンドのカードでのみ使用できるためです。 このテクノロジーをハイエンドで使用するには、ファンを追加する必要があります。

放熱量の計算原理

一般的な放熱方法はデバイスをヒートシンクに設置し、ヒートシンクが熱を空気中に放散し、最終的には自然対流によって熱を放散します。

一般に、ラジエーターから空気への熱流 (P) は次のように表すことができます。

式では P=HA η △ T

H はヒートシンクの総熱伝導率 (w / cm2 度)、

A はヒートシンクの表面積 (cm2)、

η ヒートシンクの効率については、

△Tはヒートシンクの最高温度と環境温度（度）の差です。

上式において、hは輻射と対流（自然対流、強制対流、物質）によって決まります。

η 主に使用するヒートシンクの材質と厚さによって決まります。 一般的に、アルミニウム (2.12w/cm2 度) や銅 (3.85w/cm2 度) などの熱伝導率の高い材料は非常に悪いです。

η はヒートシンクのコンポーネントによって決まります。 (ヒートシンク構造の影響)

つまり、ヒートシンクの表面積が大きくなり、ヒートシンクと周囲の温度差が大きくなるほど、ヒートシンクの放熱効果が高まります。

耐熱性

パラメータ:

Rt-----全内部抵抗、度 /W

Rtj---- 半導体デバイスの内部熱抵抗、度 /W

Rtc----- 半導体デバイスとヒートシンク間の界面熱抵抗、度 /W

Rtf----- ヒートシンクの熱抵抗、度 /W

Tj----- 半導体デバイスのジャンクション温度、度

Tc----- 半導体デバイスのシェル温度、度

Tf----- ヒートシンク温度、度

Ta----- 環境温度、度

Pc----- 半導体デバイスのサービス電力、W

△Tfa----- ヒートシンク温度上昇、度

放熱量計算式

Rtf=(Ti-Ta)/Pc-Rti-Rtc

ヒートシンクの熱抵抗 RFF は、ヒートシンクを選択するための主な基準です。 TJ と RTJ は半導体デバイスによって提供されるパラメータ、PC は設計に必要なパラメータ、RTC は熱設計の専門書で見つけることができます。

(1) 計算された全熱抵抗 Rt:

Rt=(Timax-Ta)/個

(2) ヒートシンクの熱抵抗 RTF または温度上昇 △ TFA を計算します。

RTF=RTJ - RTC

△Tfa=Rtf × PC

(3) ヒートシンクの使用条件(自然冷却または強制空冷)に応じて、RTまたは△TFAおよびPCに応じてヒートシンクを選択し、選択したヒートシンクの放熱曲線(RTF曲線または△TA線)を確認してください。ヒートシンク。 曲線上で見つかった値が計算値より小さい場合、適切なヒートシンクが見つかります。

熱伝導率

熱伝導率とは、単位長さ当たり、K 当たりにどれだけの w エネルギーを伝達できるかを意味します (単位: w / m)。

「W」は電力の単位、「m」は長さの単位メートル、「K」は絶対温度の単位を表します。

数値が大きいほど熱伝導率が良いことを示します。

AL6063：アルミ押出材の一般的な材質

AL6061: CNC 機械加工金属:

AL1100またはAL1050：ALフィン共通材質

C1100：Cuフィン共通材

C1020：ヒートパイプの一般的な材質

ADC12 または ADC 10 または A380: ダイカスト材料

ヒートシンクの分類

1. 使用される材料に応じて、次のように分類できます。

ａ． アルミ製ヒートシンク

b. 銅製ヒートシンク

c. 銅アルミニウム複合ヒートシンク

d. ヒートパイプフィン

2. 製造プロセスに応じて、次のように分類できます。

a. 押し出し成形ヒートシンク

これは現代の放熱で広く使用されている優れた放熱材料です。ほとんどのメーカーは AL6063-T5 高品質アルミニウムを使用しており、その純度は 98% 以上に達し、強力な熱伝導能力、低密度、低熱伝導性を備えています。価格も手頃なので、大手メーカーからも支持されています。

b. 鍛造および鋳造ヒートシンク:

LEDで一般的に使用される、形状: 丸いピンが付いたヒートシンク

c. ALスカイビングフィンヒートシンク

利点: 放熱面積 (フィンが緻密すぎるため、アルミ押し出しヒートシンクの問題を解決)

短所：少量生産に適し、コストが高い（アルミ押出ヒートシンクと比較）

d. 銅スカイビングヒートシンク:

利点: 優れた放熱性能により、銅押出の問題を解決します。

短所：高コスト、重量、高硬度、加工困難（ALと比較）

g. 銅インサート付きヒートシンク

メリット：低コストで量産できる

デメリット：構造上

主にコンピュータのCPUに使用されています。 接点部分を銅ブロックに変更。 銅は熱吸収と熱伝導エネルギーが速い

強力な力の特性により、CPUの動作によって発生する大量の熱エネルギーを表面の銅ブロックに素早く伝えることができ、銅ブロックはアルミ押出ヒートシンクと密接に結合しているため、大量の熱エネルギーがアルミ押出形ヒートシンクに素早く拡散し、ファンの回転により除去されます。

i. 接着されたヒートシンク

利点:

この技術は、銅とアルミニウムのフィンおよび銅とアルミニウムのベースを任意に組み合わせて適合させることができ、溶接プロセスにおけるさまざまな溶接ペーストの不均一な熱伝導によって引き起こされる新たな熱抵抗の欠点を効果的に回避することもでき、大型のヒートシンクを使用することができます。生産された。

短所:

顧客が熱ソリューションの選択性と多様性をさらに高められるようにします。 しかし、その加工の特殊性により、大量生産のコストは依然として高すぎます。

冷却プレート

冷却プレートの設計:

冷却プレートはコンパクトで薄い板状で、内部に流体チャネルが配置されており、流体と冷却プレートの間に対流を発生させ、冷却プレートの表面にある高出力電子部品の熱消費を放散します。 。

冷却プレートの応用上の利点は、単位面積あたりにより多くの熱を放散できるため、ヒートシンク構造を小型化できることです。 冷却システムの欠点は、流体媒体を使用するシステムで使用する必要があること、メンテナンスが複雑であること、およびコンポーネントの信頼性が高いことです。

水冷プレートの設計基準

P：消費電力

Tc、Tj: Tc はヒートシンクの表面温度を指し、Tj はチップのジャンクション温度を指します。

錫: 給水温度

Δ TC: ヒートシンクの表面温度上昇、Δ T=(Tc-Tin)/P

Tout: 出口水温

△ TW: 入口および出口の水温上昇、△ TW=Tout-Tin

Ta:環境温度

流体: EGW x%、または PGW x%、または水

△ ts: ヒートシンク表面の各チップの温度差

圧力: 流体 圧力降下

信頼性水冷プレート

1) 強度 - 製品は構造用途の要件を満たしています。

2) 圧力保持テスト - 製品はシステム内の高圧動作下でのシール要件を満たしています。

3) 漏れテスト - 製品は特定の圧力条件下での単位時間当たりの漏れの要件を満たしています。

4) 耐食性要件 - 製品に使用される原材料は、長年の耐食性と漏れがないという要件を満たしています。

5) 振動要件 - 製品は特定の振動条件下でのシール要件を満たしています。 また、構造が損傷したり、気密性が低下したりすることはありません。

6) その他、平面度、粗さ、ネジの引き抜き力、ネジの予圧など

水冷プレートの加工技術：

1) CNC チャンネルタイプ: CNC (溝入れ) + アルゴンアーク溶接、CNC (溝入れ) + ろう付け、CNC (溝入れ) + 真空ろう付け、CNC (溝入れ) + 摩擦撹拌溶接、CNC (溝入れ) + O リング

2）深穴加工形式：ガンドリル＋アルゴン溶接、ガンドリル＋ツイストピース＋アルゴン溶接、ガンドリル＋Oリング、ガンドリル＋ツイストピース＋Oリング

3) 鋳造形式：重力鋳造埋設管、重力鋳造+アルゴン溶接・重力鋳造+ろう付け、重力鋳造+真空ろう付け溶接、重力鋳造+摩擦撹拌溶接

4) コイル溶接形式: CNC アルミニウム板 + 銅管 + エポキシ、CNC アルミニウム板 + 鋼管 + エポキシ、CNC アルミニウム板 + 銅管 + 錫溶接

5) 極薄水冷プレートプロセス: ワイドフラットチューブ溶接、スタンピングシート拡散溶接、スタンピングシートろう付け、スタンピングシート真空ろう付け

6) 押出水板形状: アレイシャントホール水板、超薄型バッテリー水冷却板

表面処理

1.サンドブラスト

サンドブラストとは、圧縮空気を利用して珪砂を高速で吹き飛ばし、部品の表面を洗浄する方法です。 砂吹きとも言います。 錆を落とすだけでなく油分も除去します。 コーティングの場合、部品表面の錆の除去に非常に適しています。 部品の表面を修正します。 鉄骨構造における高力ボルト接合は先進的な工法です。 高強度の接合では接合面間の摩擦を利用して力を伝達するため、接合面の品質に対して高い要件が求められます。 接合面はサンドブラスト処理する必要があります。

複雑な形状、手作業による錆の除去が容易、効率が悪く、現場環境が悪い場合には、サンドブラストが使用されます。

サンドブラスト機には様々な仕様のサンドブラストガンがございます。 よほど小さな箱でない限り、銃を入れて乾燥させることができます。

圧力容器のサポート製品----ヘッドは、ワーク表面の酸化皮膜を除去するためにサンドブラストを採用しています。 珪砂の直径は1.5m〜3.5mmです。

サンドブラストの一種で、水をキャリアとしてエメリーを押し込んで部品を加工する加工があります。

2.アルミニウム合金の表面処理

1)。 アルミニウム合金の電気めっき処理

アルミニウムとその合金の化学的および物理的特性により、アルミニウム部品への電気めっきはスチール基板への電気めっきよりもはるかに難しく、いくつかの特別な処理を実行する必要があります。 以下は自動車用アルミニウム合金ホイールハブの電気めっきプロセスフローです。

研磨→ショットピーニング（部分的）→超音波ワックス除去→水洗→アルカリエッチング及び脱油→水洗→酸エッチング（ライトアウト）→水洗→亜鉛浸漬→水洗→脱亜鉛→水洗→亜鉛浸漬→水洗→ 濃ニッケル電気めっき → 水洗浄 → 酸性光沢銅 I → 水洗浄 → 研磨 → 超音波ワックス除去 → 水洗浄 → 陰極電解油除去 → 水洗浄 → 活性化 → 水洗浄 → 半光沢ニッケル → 高硫黄ニッケル → 光沢ニッケル → ニッケル封孔→水洗い→クロムメッキ→水洗い

2)。 アルミニウム合金の無電解メッキ処理

アルミニウム合金への無電解ニッケルめっきは、その優れた性能によりメーカーに受け入れられることが増えています。 無電解ニッケルめっきはニッケルリンめっきとも呼ばれます。 アルミニウム合金の表面（コンピューターのヒートシンク、ハードディスクなど）は次のプロセスを採用しています。

常温化学脱脂→流水洗浄×2→加熱脱脂→流水洗浄×2→アルカリ腐食→流水洗浄×3→酸洗→流水洗浄×2→亜鉛一次浸漬→流水洗浄×2→20％硝酸→流水洗浄×3→二次亜鉛浸漬→流水洗浄×3→(1-5%)アンモニア前浸漬→前めっき化学ニッケル→流水洗浄×2→純水洗浄→中リン光輝化学ニッケルまたは高リン光輝化学ニッケル→流水洗浄×3→不動態化→流水洗浄×3→乾燥・乾燥→検査→梱包

半導体デバイスなどの電子部品表面のアルミニウム基板には、溶接の必要性から無電解ニッケルめっきや無電解金めっきが必要となる場合が多い。 処理の流れは次のとおりです。

脱脂→アルカリエッチング→研磨→１次亜鉛浸漬→脱亜鉛→前処理液→２次亜鉛浸漬→無電解ニッケルめっき→プリプレグ酸洗→無電解金めっき→最終処理

3. 不動態化

不動態化とは、金属を亜硝酸塩、硝酸塩、クロム酸塩、または重クロム酸塩の溶液で処理して、金属表面にクロム酸塩不動態膜の層を形成することです。 亜鉛およびカドミウムのコーティングの後処理として、コーティングの耐食性、非鉄金属の保護、塗膜の密着性を向上させるためによく使用されます。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の不動態化プロセス:

アルミニウムおよびその合金をクロメート処理すると、陽極酸化とは全く異なる化成皮膜が得られます。 クロムの錯化合物である亜鉛とカドミウムのクロメート皮膜と同じ組成です。

アルミニウム陽極とクロメートの違い --- 導電性と非導電性

アルミ押出ヒートシンクの一般的な仕上げ: 1.クリーン 2.アルマイト 3.クロメート

銅製ヒートシンクの一般的な仕上げ: 酸化防止

4. ニッケルメッキ

電解または化学的方法によって金属または非金属上にニッケルの層をめっきする方法は、ニッケルめっきと呼ばれます。 ニッケルめっきには電気めっきと無電解ニッケルめっきがあります。

電気めっきは、ニッケル塩、導電性塩、PH 緩衝剤、湿潤剤で構成される電解液中で行われ、陽極には金属ニッケルが使用されます。 直流電流を印加すると、めっき部分に均一で緻密なニッケルめっき層が析出します。 明るいニッケルは光沢剤を使用しためっき溶液から得られますが、暗いニッケルは光沢剤を使用せずに電解液から得られます。

無電解メッキは自己触媒メッキとも呼ばれます。 特定のプロセスとは、水溶液中の金属イオンが還元剤によって還元され、特定の条件下で固体マトリックスの表面に析出するプロセスを指します。 ASTM b374 (米国試験材料協会) で定義されているように、自己触媒めっきは、「堆積される金属または合金によって触媒される、制御された化学還元による金属コーティングの堆積」です。 このプロセスは置換めっきとは異なります。 連続的に皮膜を厚くすることができ、めっき金属自体にも触媒能力があります。

無電解ニッケルめっきは、はんだ付け性に優れているため、放熱業界でよく使用されます。

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