近年、太陽光発電、新エネルギー車、5G通信の急速な発展に伴い、高熱伝導率のアルミ合金などの好まれる放熱材料も、人々からますます評価されるようになりました。
太陽光発電の場合、インバータの効率は太陽光発電システムの性能を決定する重要な要素です。太陽光発電インバータは、太陽光発電モジュールで生成された直流を交流に変換する電力電子機器の一種です。主なコンポーネントには、スイッチトランジスタ（IGBT、MOSFET）、磁気コアコンポーネント（インダクタ、トランス）などがあります。太陽光発電インバータが高温のために故障すると、太陽光発電システムがシャットダウンし、大きな電力損失が発生します。
新エネルギー電気自動車は、知能化と電動化のレベルが日々向上しており、内部の電気機器の放熱は車両全体の安全性に直接影響を及ぼします。
5G基地局の消費電力は4Gの2.5-3.5倍です。RRU（リモート無線ユニット）は5G基地局の重要なデバイスであり、ユーザー情報交換のための安定した信頼性の高いチャネルを提供し、正確でリアルタイムの情報配信を保証します。
作業中、各モジュールは大量の熱を発生します。時間内に放散されない場合、内部環境の温度が上昇します。
定格温度を超えると、電子機器は安定して動作しなくなり、ユーザー情報の伝達の適時性に影響を及ぼし、さらには耐用年数が短くなることもあります。
上記の分野に加えて、高出力 LED ライトや通信用光ファイバー モジュールなどの他のコンポーネントにも、放熱に対する高い要件があります。
これらの機器の電子部品には定格動作温度があり、熱を外部に放出できずに温度が蓄積し続けると、温度はどんどん高くなります。
このようなデバイス内の電子部品の動作温度を定格温度範囲内に維持し、効率と耐用年数を確保するには、デバイスの内部熱を伝達する熱伝導性材料を使用する必要があります。
そのため、ヒートシンクの製造に使用される高熱伝導性材料は常に研究の焦点となってきました。
光モジュール
5G通信基地局
某新エネルギー車のマルチメディアハウジング
熱伝導率の定義
熱伝導率は、物質の熱伝導率を特徴付けるパラメータ指標です。単位時間あたり、単位面積あたり、および負の温度勾配下での熱伝導率を W/m · K または W/m · 度単位で示します。
一般的な物質の熱伝導率を表 1 に示します。
表1 さまざまな物質の熱伝導率
ヒートシンク材料として適した金属
表1から、金属材料では、金、銀、銅、アルミニウムの熱放散係数がいずれも200W/(m·K)を超えており、いずれも優れた熱伝導性を示していることがわかります。
しかし、金や銀は質感が柔らかく、密度が高く、コストが高いため、広く使用されることができません。
銅の熱伝導率も非常に高いですが、硬度が不十分、密度が高い、コストがやや高い、加工が難しいなどの不利な条件によって妨げられる可能性があり、ヒートシンクフィンの関連分野ではあまり使用されていません。
アルミニウムは、地殻に最も多く含まれる金属であり、熱伝導率が高く、密度が低く、価格が安いため好まれています。しかし、純アルミニウムは硬度が低いため、さまざまな応用分野でさまざまな配合材料が加えられてアルミニウム合金が作られ、純アルミニウムにはない多くの特性が得られ、ヒートシンク加工材料として理想的な選択肢となっています。
アルミニウム合金ヒートシンク
熱伝導性アルミニウム合金の研究状況は、主に変形アルミニウムと鋳造アルミニウムの2つのカテゴリに分かれており、それぞれ特性が異なります。
変形アルミニウム合金：アルミニウム合金の熱伝導率に関する既存の研究は、主に変形アルミニウム合金に焦点を当てています。熱伝導率の高い変形アルミニウム合金は、アルミニウム合金ラジエーター、ヒーター、エアコンなど、自動車や電子機器などの分野で主に使用されています。
従来の銅製や鋼製のヒートシンクと比較して、アルミニウム製ヒートシンクは軽量、耐腐食性に優れ、運用コストが低いなどの利点があり、広く使用されています。コンピューターのヒートシンクでは、銅/鋼製ヒートシンクやプラスチックファンに代わって、アルミニウム製ヒートシンクが主流になっています。変形アルミニウム合金の欠点は、構造を担当する部品を作るのが難しいことです。
鋳造アルミニウム合金：鋳造は凝固成形に属し、現在、複雑な構造部品を成形するための最良のプロセスです。鋳造アルミニウム合金の場合、合金の充填性能と機械的特性を確保するために、通常、より多くの合金元素を追加する必要があります。鋳造アルミニウム合金中のシリコンは合金の流動性を向上させることができますが、シリコン含有量が増えると熱伝導率が低下します。したがって、高熱伝導性鋳造アルミニウム合金の開発の難しさは、合金設計と微細構造制御によって高い熱伝導率を維持しながら良好な流動性を確保することにあります。
熱処理による熱伝導率への影響
アルミニウム合金の熱処理には主に固溶、時効、焼鈍があり、熱伝導率への影響はそれぞれ異なります。
固溶処理：固溶処理後、元素が固溶状態で存在するアルミニウム合金の熱伝導率と熱拡散性能は、元素相が析出しているアルミニウム合金マトリックスの熱伝導率と熱拡散性能よりも低くなります。その理由は、固溶処理後、材料構造が大きく変化し、一部の合金元素と強化相がマトリックスに再び溶解して過飽和固溶体を形成し、深刻な格子歪み、強度の増加、熱伝導率の低下を引き起こすためです。
時効処理：時効処理は、高温時効と低温時効に分けられます。高温時効では、原子拡散が容易で、合金中の空孔や転位欠陥の修復速度が速くなります。熱伝導率は短期間で最高値に達します。時間が経つにつれて、熱伝導率は低下傾向になります。これは主に、合金構造中の過剰な Si などの元素の固溶と高温での析出相の成長によるものです。低温時効では、原子拡散が遅く、低温での Si などの元素の溶解が最小限であるため、熱伝導率がピークに達するまでの時間は高温時効よりも大幅に長くなり、熱伝導率の向上は高温時効ほど顕著ではありません。
焼鈍処理：焼鈍温度と冷却方法の違いは、アルミニウム合金の熱伝導率に異なる影響を与えます。焼鈍温度が上昇するにつれて、熱伝導率は低下し、冷却方法の違いによって熱伝導率の低下度合いが異なります。これは、焼鈍温度が上昇し続けると、アルミニウム合金中の第2相がアルミニウムマトリックスに溶解し、合金元素の固溶度が増加し、格子歪みが激しくなり、自由電子の動きが妨げられ、熱伝導率が低下するためです。炉による徐冷法で得られる熱伝導率は、急冷法の熱伝導率よりも高くなります。これは、冷却速度が遅いほど、固溶原子の析出に有利になるためです。
したがって、より高い熱伝導率を達成するためには、一般的に、より低い焼鈍温度と炉冷却による冷却方法を選択する必要があります。
