ヒートシンク製造におけるコールド スプレー技術

電子機器は動作中に熱を発生し、性能や信頼性の低下につながります。熱電力消費量が高い IC コンポーネントは通常、ヒートシンクに依存して熱を伝導し、ジャンクション温度が最大許容限度を超えるのを防ぎます。シリコンベースの半導体チップにヒートシンクを取り付け、最終的にチップの熱を空気または液体を通じて放散することは、電子デバイスの一般的な冷却方法です。これらのラジエーターは通常、銅またはアルミニウムの材料、または銅とアルミニウムの材料の組み合わせを使用して個別に加工されます。

銅はアルミニウムよりも熱伝導率が高く、単位体積あたりの放熱能力がアルミニウムより優れています。重量とコストの影響を除けば、銅はヒートシンクに最適な材料です。アルミニウム素材は熱伝導率が低いため、アルミニウム製ラジエーターは熱を十分に早く放散することができず、より大きな表面積とより高いフィンが必要になります。多くのコンパクトなアプリケーション、特に高出力密度を追求するシステムでは、アルミニウム製ラジエーターは最良の選択ではありません。

ヒートシンクは、熱源チップと接触するベースと、その上にプレス加工、溶接、押し出し、歯切り、チッピングなどの製造方法により接続されたフィンから構成されています。ベースはチップに接触し、チップから熱を吸収してフィンに伝導します。フィンは可能な限り表面積を増やし、空気の熱交換効率を高め、最終的にはチップから熱を奪おうとします。高出力電子デバイスは多くの場合、チップ上で急速に熱を発生します。ヒートシンクがアルミベースの場合、ベースの熱伝達速度が十分でなくフィン表面に熱を素早く拡散させることができず、ヒートシンクの熱抵抗が増大し、冷却性能が不足する場合があります。
アルミニウムラジエーターベースの全体または一部の領域を、熱伝導率の高い銅材料に置き換えることで、熱拡散速度不足の問題を解決できます。この複合ヒートシンクのベースには銅が使用されており、チップの熱を素早く伝導しますが、フィンは依然としてアルミニウム製であり、迅速な熱拡散とコスト効率の両方を実現します。

コールド スプレー テクノロジーは、銅とアルミニウムを接続し、接合溶接やろう付けに関連する問題を解決するために使用できる、非常に革新的な表面コーティングおよび積層造形プロセスです。コールド スプレー プロセスでは、材料の融点よりもはるかに低い温度で粉末粒子を固体状態で基材の表面に堆積させることができるため、高温酸化、熱応力、マイクロ波など、高温によって引き起こされる一般的な問題を回避できます。相転移。コールドスプレーは、ミクロンサイズの粉末粒子がノズル内の超音速圧縮ガスによって加速され、高速の粉末粒子が基材に衝突し、塑性変形を引き起こして基材と結合する粉末ベースの加工技術です。 CS プロセスは生産時間が短く、大規模または局所的な蒸着構造を柔軟に選択できます。

よく知られているように、ヒートシンクの性能は通常、熱抵抗値に基づいて定量化されます。熱抵抗は、ラジエーターによって消費される電力の単位ごとに、周囲温度を上回るラジエーター上部の温度の尺度です。熱抵抗値が低いほど、同じ冷却環境下でのフィン頂部の温度が低くなり、ラジエーターの冷却性能が高くなります。コールドスプレー製造複合ラジエーターの製造コストはアルミニウム製ラジエーターよりもわずかに高くなりますが、重量とコストは銅製ラジエーターよりも低くなります。アルミニウムラジエーターに銅の層を追加すると、生産コストに直接影響しますが、ラジエーターの熱抵抗が 48% 減少するという利点があります。