半導体の16種類の放熱方法(1)

熱設計の重要性 電子機器:

電子機器の製造元は、機器の動作に対する最大許容温度を指定しています。この温度を超えると、期待される性能と寿命は保証されません。したがって、電子機器を冷却し、最大許容温度以下で動作させることが非常に重要です。高性能マイクロエレクトロニクス機器が市場に投入されると、機器の放熱量が増大し、機器を許容温度で動作させるためにはより効率的な冷却技術が必要になります。

電子デバイスが低温で動作することには多くの利点があります。温度が下がるとマイクロプロセッサのクロック周波数が上がり、性能が向上します。さらに、温度が低下すると、前述の温度に関連した故障の可能性が減少します。

電子機器の設計では、電子機器の性能と信頼性を向上させるだけでなく、ノイズの除去、エネルギー消費量の削減、機器コストの削減に加えて、良好な放熱性能も必要です。機器が何らかの形で合理的であれば、騒音、エネルギー消費、冷却ファンのコストが削減されます。特にリビングルームとベッドルームの家電製品では、低騒音が重要な指標となります。家庭用電化製品の場合、低コストは非常に重要です。大型の電気製品であっても小型の電気製品であっても、エネルギー消費量が低いことは非常に重要です。

半導体電子部品向けの放熱ソリューション:

電子機器の急速な発展の過程で、電子部品の総電力密度も増加していますが、そのサイズはますます小さくなり、熱流束密度は増加し続けるでしょう。この高温環境では、電子部品の性能指標に影響を与えることは必至です。そのため、電子部品の熱管理を強化する必要があります。現段階では電子部品の放熱問題をいかに解決するかが焦点となる。この点に関して、次の主な電子コンポーネントのさまざまな冷却方式を簡単に紹介し、分析します。

(1) 熱伝導率の高い材質を選ぶ

材料の特性は、熱放散を決定する重要な要素です。熱伝導率の高い材料の研究開発は、電子熱放散を解決するための基本的な方法です。

(2) フィンラジエター

フィンラジエーターは、熱を伝達する受動的熱交換デバイスです。ヒートシンクは通常、機器に取り付けることができる金属部品です。作動表面積を増やし、表面上の低温流体の流れを促進することで、周囲の流体に熱を放散し、機器の過熱を防ぎます。

(3) 界面隙間充填材

サーマルインターフェースマテリアルは、ラジエーターと加熱装置の間のコーティングに使用され、それらの間の接触熱抵抗を低減します。

すべての面に凹凸があるため、2 つの面が接触した場合、完全に接触することはできません。それらには常にいくつかの空隙が混在しており、空気の熱伝導率は非常に小さいため、比較的大きな接触熱抵抗が発生します。エアギャップはサーマルインターフェースマテリアルで埋めることができ、接触熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させることができます。

(4) ヒートパイプ

ヒートパイプ熱交換器は1964年にロスアラモス国立研究所で誕生しました。ノイズフリーの放熱技術として、ヒートパイプラジエーターは1980年代から電子機器の放熱に使用され始め、ここ2年でPCへの応用が明らかに加速しています。

ヒートパイプは受動的なデバイスです。動作原理は、飽和液体が高温側から熱を吸収して蒸発し、飽和気体が低温側に熱を放出して凝縮します。ほとんどの電子機器の動作温度範囲は25〜150℃であるため、水ヒートパイプが最も一般的に使用されます。高い熱伝導率、優れた等温線、熱流束密度の可変性、熱流方向の可逆性、長距離熱伝達、一定温度特性（制御可能なヒートパイプ）、サーマルダイオードおよびヒートスイッチの性能など、一連の利点があります。ヒートパイプで構成される熱交換器は、伝熱効率が高く、構造がコンパクトで流体抵抗損失が小さいという利点があります。

(5) ベーパーチャンバー

ベーパーチャンバーは、内壁に微細構造を備えた真空チャンバーで、通常は銅でできています。熱が熱源から蒸発ゾーンに伝達されると、キャビティ内の冷却液が低真空環境で加熱された後、蒸発し始めます。このとき、熱エネルギーが吸収されて体積が急激に膨張します。気相冷却媒体はキャビティ全体を急速に満たします。気相作動流体が比較的低温の領域に接触すると、結露が発生します。蒸発時に蓄積された熱を凝縮により放出することにより、凝縮した冷媒は微細構造毛細管を通って蒸発熱源に戻り、キャビティ内でこの動作が繰り返されます。

(6) ファンによる強制対流冷却

空冷による放熱は最も一般的で非常に簡単で、ファンを使用してラジエーターによって吸収された熱を奪います。価格は比較的安く、設置も簡単ですが、環境に大きく左右されます。例えば、温度が上昇すると放熱性能は大きく影響を受けます。