ヒートシンク完全ガイド：原理・設計・材料・実装までの実務的ポイント

2025年12月17日 最終更新日時 : 2025年12月17日 エバープレイ編集部

はじめに

ヒートシンクは電子機器の熱管理における最も基本的かつ重要な要素の一つです。CPU、GPU、電力半導体、LED、電源装置など、発熱を伴うデバイスの信頼性と性能を確保するために不可欠であり、適切な設計と実装は機器寿命や動作保証温度に直結します。本コラムでは、ヒートシンクの熱物理、設計パラメータ、材料選択、製造法、取り付け／界面材、テスト手法からメンテナンスやトラブルシューティングまで、実務で役立つ知見を詳しく解説します。

ヒートシンクの基本原理

ヒートシンクの役割は、発熱源から熱を受け取り（伝導）、表面積を確保して周囲空気へ放熱（対流および放射）することです。主な熱移動モードは以下の通りです。

  • 熱伝導：デバイスからヒートシンクベースへ熱が伝わる。熱伝導率 k（W/mK）が重要。
  • 対流：ヒートシンク表面から空気へ熱が移動する。対流係数 h（W/m2K）と有効放熱面積 A に依存し、q = hAΔT で表される。
  • 放射：高温差がある場合に寄与。日常の電子機器では小さいが高温部や密閉空間では無視できない。

熱設計では、しばしば熱抵抗（Rθ, 単位：°C/W）で表現されます。基本式は Rθ = ΔT / P。例えばジャンクションから周囲空気への総合熱抵抗 Rθ_JA = (T_j - T_a) / P は機器の温度管理目標設定に使われます。

材料とその特性

ヒートシンク材料は熱伝導率、重量、コスト、加工性、耐食性などに基づいて選定します。代表的な材料は次のとおりです。

  • アルミニウム（A6063等）：熱伝導率約 160～205 W/mK。軽量で安価、押出し加工に適するため多くの汎用ヒートシンクはアルミ製。表面処理（アルマイト）で耐食性と外観を向上。
  • 銅：熱伝導率約 350～400 W/mK。高性能だが重く高価で加工が難しい。高発熱密度デバイスやベース材に用いられる。
  • 複合材（銅基アルミフィン、ベース銅＋アルミフィン等）：コストと重量のバランスを取る設計で用いられる。
  • 接合材料と界面材（TIM）：シリコーン系グリース、導熱シート、相変化材料など。熱抵抗を下げるために重要。

ヒートシンク設計の主要パラメータ

実務設計で検討すべき主要因子は以下です。

  • ベース厚：ベースは熱を均一に分配する役割。薄すぎると熱濃度が残り、厚すぎると重量や応答性が悪化。
  • フィンの高さ・ピッチ・厚さ：フィン高さを上げれば放熱面積は増えるが、空気抵抗が増える。フィンピッチは自然対流では広め（例：5～10 mm）、強制対流（ファンあり）では狭め（例：1～3 mm）に設定するのが一般的。
  • フィン形状：プレーンフィン、サーキュラーフィン、ペーストフィン（スキーヴィング）、ピンフィンなど。乱流を誘発する形状は伝熱性能を向上させるが圧力損失や製造コストが増す。
  • 空力特性：CFM（風量）、静圧、ファン配置による局所流速分布を考慮。厚いフィン群に低圧ファンを当てると効果薄。
  • 表面処理：アルマイトやニッケルめっきは放熱性能に若干影響するが、耐食性・電気絶縁性・見た目を改善。

製造方法とその特徴

主な製造法と特徴は次のとおりです。

  • 押出し（Extrusion）：アルミ押出しはコスト効率が良く長尺ヒートシンクに向く。複雑形状は難しい。
  • ダイカスト（Die casting）：複雑形状を一体で作れるが内部に気泡が入りやすく熱伝導で不利になる場合あり。
  • スキービング（Skiving）：薄いフィンをベースから切り出す方法で高いフィン比（高さ/厚さ）が得られ、伝熱効率が高い。
  • 溶接・接合（Bonded fins）：薄板を接合して高性能フィンを作れる。銅・アルミ複合にも有利。
  • スタンピング／曲げ：大量生産の低コスト手法。性能は限定的。

取り付け方法と熱界面材料（TIM）の選び方

ヒートシンクとデバイス間の熱抵抗を低く保つため、良好な機械的接触と適切な TIM が必須です。TIM の種類と特性：

  • サーマルグリス（シリコーン系など）：低い薄膜熱抵抗を実現し、CPUクーラー等で広く使用。一般的な導熱率は 1～10 W/mK（高性能品はそれ以上）。
  • 導熱パッド：塗布不要で組立性に優れるが熱伝導はグリスより劣ることが多い。
  • 相変化材料（PCM）：熱サイクルで固体→液体となり接触面を埋める。高信頼用途で用いられる。
  • はんだや熱伝導接着剤：非常に低い熱抵抗を実現するが、熱応力や再作業性に課題。

実務では、圧着（クランプ）、スプリングクリップ、スクリュー固定などで均一な面圧を確保し、TIM 層が薄くかつ均一になるようにします。

能動冷却と受動冷却の選択

放熱設計は主に受動（自然対流）か能動（ファン等で強制対流）で分かれます。選択基準：

  • 消費電力と発熱量：高発熱（数十W〜数百W）では能動冷却やヒートパイプ、液冷が必要。
  • 騒音・信頼性・消費電力制約：ファンを使わない受動冷却は信頼性・静寂性で優れるが大きな放熱面積が必要。
  • スペースとエアフロー：筐体内の空気経路設計が重要。ファンとヒートシンクの相互最適化が効果的。

高度な冷却技術：ヒートパイプとベーパーチェンバー

ヒートパイプ（Heat pipe）やベーパーチェンバーは、内部の相変化と毛細力により低い温度差で熱を長距離／広い面積へ拡散できます。高熱流束を扱う用途でよく使われ、ノートPCのCPU冷却や高出力LED、サーバー向け冷却に有効です。ベーパーチェンバーは平面に近い形で熱を均一化するため、熱ムラ低減に優れます。

熱設計の計算と解析手法

設計は概算計算→CFD（数値流体解析）→プロトタイプ試験の流れが一般的です。重要な計算式：

  • q = hAΔT（対流熱伝達）
  • Rθ = 1 / (hA)（単純モデル）
  • 全体熱抵抗 Rθ_JA = Rθ_JC + Rθ_CA + Rθ_A（個別要素の和として扱う）

CFD により局所空気流や温度分布を可視化し、フィン配置やファン選定の最適化に使います。解析では境界条件（放熱面の放射、筐体内の流入流速、温度）を実機に合わせて設定することが重要です。

評価・計測方法

実測は設計検証の要です。代表的な手法：

  • 熱抵抗測定：既知の消費電力で定常状態に達したときの T_j（またはT_c）と T_a を測り Rθ を算出。
  • 熱電対（T/C）やRTDの利用：接点温度の直接測定に用いる。取り付け方法で誤差が出やすい。
  • 赤外線サーモグラフィ：表面温度分布の可視化に有効。ただし放射率設定や反射の影響に注意。
  • 風洞試験：エアフロー環境を再現して性能比較。

メンテナンスと信頼性

ヒートシンクは環境汚染（埃の堆積）で性能低下します。特にファンを伴う能動冷却系では定期的な清掃が必要です。また、締結部の緩みや TIM の経年劣化（乾燥や熱サイクルで抵抗増）にも注意が必要です。長期信頼性試験（熱サイクル、温度湿度ストレス、振動試験）を行うことが望ましいです。

実務上のトレードオフと注意点

ヒートシンク設計は多くのトレードオフの連続です。いくつかの典型的なポイント：

  • 高伝導材料は性能向上と引き換えにコスト・重量増。
  • フィン密度を上げると面積増だが空気の透過性が低下して逆効果になる場合がある。
  • 筐体内のエアフロー設計を無視してヒートシンク単体で最適化しても実機で性能が出ないことが多い。
  • 電気的接続やEMI対策も考慮（例えばアルマイトは電気的絶縁となる）。
  • 熱応力や差膨張（CTE差）による基板・部品の破損を避けるため、取付け方法と材料選定に注意。

まとめ

ヒートシンクは単なる金属片ではなく、材料科学、流体力学、熱伝導、製造工学と密接に関わるエンジニアリング対象です。適切な材料選択、フィン設計、製造方法、TIM の選定、実際のエアフローを考慮した体系的な設計プロセスが、信頼性の高い電子機器開発には不可欠です。本稿で示した考え方と手法を基に、まずは目標となる熱抵抗を定め、概算→解析→試作→実測の反復で最適化を進めてください。

参考文献

以下は本稿で参照した代表的な資料です。詳細設計や規格参照に役立ちます。

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