初歩のヒートシンク設計 3つの熱抵抗を決める

ヒートシンク設計基本中の基本

ヒートシンクに関わる3つの熱抵抗

ヒートシンクの設計を考えるときに重要なのは温度そのものではなく，目標熱抵抗を明確にすることです．部品のジャンクション温度に上限が定められており，発熱量や周囲温度が与えられると，そこから許容される熱抵抗値が算出されます．この熱抵抗値を満たすようにヒートシンクを設計することが出発点です．

ヒートシンクに関わる3つの熱抵抗

ヒートシンクの性能は単一の要素で決まるのではなく，複数の熱抵抗の組み合わせによって決まります．主に次の3種類に分けられます．

1. ヒートシンク本体の熱抵抗$R_0$：強制空冷や水冷を導入することで低減できる
2. ベース面の拡がり熱抵抗$R_c$：熱源が小さいほど増加する傾向がある
3. 部品とヒートシンクの接触熱抵抗$R_{cf}$：接触面積や熱伝導材の性能に依存する

従来はヒートシンク本体の熱抵抗$R_0$を低減することが中心でしたが，近年は熱源の小型化により$R_c$や $R_{cf}$の影響が支配的になっています．そこでベーパーチャンバ，ヒートパイプ，液体金属グリースなどの高性能な熱伝導部材が使われるようになっています．

設計手順と考え方

自然空冷ヒートシンクを設計・選定する場合は，次の手順で進めることが一般的です．

1. 目標熱抵抗の算出：許容温度，発熱量，周囲温度から求める
2. 包絡体積の算出：性能を満たすために必要な全体の体積を算出する
3. 外形寸法の決定：搭載条件に基づき寸法を割り当てる
4. フィンパラメータ設計：フィンの高さ，厚み，枚数を調整する
5. 検証：部品を搭載した状態で温度分布や過負荷時の温度上昇を確認する

自然空冷ではヒートシンクの性能は形状に大きく依存するため，設計手順は比較的シンプルです．性能目標に対して必要な体積をグラフや実測データから求めれば，大きさやフィンの寸法をおおむね決定できます．この手法により，設計者は仕様に沿った効率的なヒートシンクを選定できます．

〈著：ZEPマガジン〉

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チャプタ・リスト

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．