銅 vs アルミニウム製ヒートシンク材料の長所と短所比較

電子デバイスがますます小型化し、高性能化するにつれて、熱管理は重要なエンジニアリング上の課題として浮上してきました。熱制御の縁の下の力持ちであるヒートシンクは、コンポーネントから周囲環境へ熱を伝達することにより、デバイスの安定性と寿命を維持する上で重要な役割を果たしています。材料の選択は、ヒートシンクの効率を根本的に決定し、銅とアルミニウムが市場をリードしています。この分析では、エンジニアリング上の意思決定を導くために、それらの特性、トレードオフ、アプリケーション戦略、および新たな代替案を検証します。

熱伝達体として機能するヒートシンクには、ワット毎メートルケルビン（W/m·K）で測定される、優れた熱伝導率を持つ材料が必要です。アルミニウムと銅がこの分野を支配しており、それぞれが明確な利点を提供しています。

市販のヒートシンクの約80％を占めるアルミニウム合金（A6061（167 W/m·K）など）は、次のような有利な特性の組み合わせにより優位性を占めています。

• 重量効率： 2.7 g/cm³のアルミニウムは、銅の3分の1の重量であり、モバイルデバイスや航空宇宙用途に最適です。
• 製造の汎用性： 押出成形プロセスにより、複雑なフィン設計を低コストで実現でき、生産速度は毎分60メートルに達します。
• 耐食性： 自然酸化膜が保護を提供し、陽極酸化技術によって15〜25μmの厚さを実現します。
• 経済的実現可能性： アルミニウムの豊富さにより、材料コストは銅よりも体積単位あたり60〜70％低く抑えられます。

• 6061： 機械加工されたヒートシンクに最適（引張強度：124 MPa）
• 6063： 押出成形設計に最適（熱伝導率：201 W/m·K）
• 1050： ニッチな用途向けに最大の導電率（229 W/m·K）

市場の15％未満を占めていますが、銅の比類のない導電率（401 W/m·K）は、高性能シナリオに不可欠です。

• 熱的利点： 同等の設計のアルミニウムと比較して、熱抵抗を40〜50％削減します。
• 構造的完全性： 200℃を超える温度でも機械的安定性を維持します。

重要な制限事項には以下が含まれます。

• 重量ペナルティ： 8.9 g/cm³の密度は、ポータブルアプリケーションを複雑にします
• 酸化の脆弱性： 腐食保護のためにニッケルめっき（5〜10μm）が必要です
• コストプレミアム： 材料コストはアルミニウムの3〜4倍高くなります

革新的な銅とアルミニウムの組み合わせは、熱源での銅の導電率と、他の場所でのアルミニウムの軽量特性を活用しています。高度な接合技術には以下が含まれます。

• 爆発溶接
• 摩擦攪拌接合
• 過渡的液相接合

—界面熱抵抗を0.05 cm²·K/W未満にすることができます。

製造方法は、熱性能に大きな影響を与えます。

• フィン密度は最大40フィン/インチ
• ベースの厚さの変動は、"<0.05mm 表面粗さRaは、"<1.6μm
• 新素材 次世代ソリューションは、従来の金属の制限に対処します。

80％の炭素/ 20％のアルミニウムブレンドは、アルミニウムのような密度で450 W/m·Kの導電率を達成します

• 異方性グラファイト： 面内導電率は、方向性熱拡散のために1500 W/m·Kを超えています
• ベイパーチャンバー設計： 最適化された構成での有効熱伝導率> 5000 W/m·K
• 選択方法 最適な材料の選択には、次の評価が必要です。

θを計算します

1. JA コンポーネントTDPに基づいて要件 _{フォームファクター：} 利用可能なボリュームと空気の流れの制約を考慮します
2. 環境要因： 湿度、振動、EMI要件を考慮します
3. ライフサイクルコスト： 製造とメンテナンスを含む総所有コストを評価します
4. 結論 デバイスの電力密度が100W/cm²を超えて上昇するにつれて、熱管理の状況は進化し続けています。アルミニウムはほとんどのアプリケーションで実用的な選択肢のままですが、銅の優れた性能は、重要なシステムでのプレミアムを正当化します。新しい複合材料と高度な製造技術は、ヒートシンクの機能を再定義し、熱ソリューションが技術の進歩に対応できるようにすることを約束します。