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Thermal

ヒートシンク選択計算ツール

デバイスの接合部を最高温度以下に保つために必要なヒートシンクの熱抵抗 (θ SA) を計算します。これを使用して適切なヒートシンクを選択してください。

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公式

θSA=TJ(max)−TAPD−θJC−θCS\theta_{SA} = \frac{T_{J(max)} - T_A}{P_D} - \theta_{JC} - \theta_{CS}
θ_SA— 必要なヒートシンクの熱抵抗 (°C/W)
T_J(max)— 最大接合部温度 (°C)
T_A— 周囲温度 (°C)
P_D— 電力損失 (W)
θ_JC— 接合部とケース間の熱抵抗 (°C/W)
θ_CS— ケースからヒートシンクまでの熱抵抗 (°C/W)

仕組み

ヒートシンク選択計算機は、必要な熱抵抗を決定し、ヒートシンクのサイズを推奨します。これは、パワーエレクトロニクスの信頼性、LED熱管理、およびCPU/GPU冷却設計に不可欠です。熱技術者、PCB設計者、製品技術者はこれを利用して、コンポーネントが安全な温度制限内で動作することを確認します。JEDEC JESD51-14によると、選択プロセスには、（1）消費電力Pdを計算し、（2）Tj（max）、Ta（max）、および設計マージンから最大許容 θJA を求め、（3） θJC と θCS を減算して必要な θSA, （4） θSA 要件を満たす ヒートシンクを選択します。標準ヒートシンクの範囲は、 θSA = 20°C/W（小さなクリップオン、15×15×10mm）から θSA = 0.5°C/W（ファン付きの大きなフィン、100×100×50mm）までさまざまです。 θSA の 10% のディレーティングは、熱設計ガイドラインによる製造上のばらつきと経年劣化を考慮したものです。

計算例

TO-247パッケージの15Wを消費するMOSFETドライバには、ヒートシンクを選択してください。要件:Tj (最大) = 150°C、Ta (最大) = 55°C、ターゲットTj = Tj (最大) = Tj (最大)-25°C = 125°C (信頼性のマージン)。MOSFETのデータシートより: θJC = 0.4°C/W (TO-247AC)。必要な θJA: θJA(max) = (125°C-55°C) /15W = 4.67°C/Wを計算します。Bergquist Sil-Pad 2000サーマルパッド (θCS = 0.3°C/W): θSA(max) = 4.67 - 0.4 - 0.3 = 3.97°C/W。10% ディレーティングを適用: θSA(design) = 3.97 × 0.9 = 3.57°C/W。Avid 62700 (60mm 押し出し成形、 θSA = 3.2°C/W) を選択してください。強制送風による検証：ファンが2 m/sの空気流を供給する場合、 θSA は1.2°C/Wに低下し、同じTjで40Wの消費が可能になり、過負荷状態に役立ちます。

実践的なヒント

  • ✓オンラインヒートシンク選択ツール（Aavid、Wakefield-Vette）を使用（入力電力、Tj（最大）、Ta、パッケージタイプ）。ツールは θSA カーブに適合する互換製品を推奨します
  • ✓狭いスペースには、ヒートパイプまたはベーパーチャンバーを検討してください。高さ5mmで θSA < 0.5°C/Wを実現し、モバイルデバイスの薄型フォームファクターを実現
  • ✓サーマルパッドはサーマルグリースと比較して組み立てが簡単ですが、 θCS の2-3倍も高くなっています。重要な用途には、ボンドラインの厚さを制御したディスペンスサーマルグリースを使用してください

よくある間違い

  • ✗周囲温度の変化を無視 — 25°Cの実験室条件に合わせた設計は、50°Cの産業環境では失敗します。製品仕様の最悪の場合のTaは常に使用してください
  • ✗コンポーネント固有の熱抵抗を無視する — θJC はパッケージ間で10倍異なる（TO-220：1°C/W対SOIC-8：40°C/W）。デバイスのデータシートから検証
  • ✗ディレーティング係数が適用されない場合 — 公開 θSA は理想的な取り付けとエアフローを前提としています。MIL-HDBK-251に従って実際のマージンに対して10〜20％のディレーティングを適用してください

よくある質問

熱抵抗 θ（°C/W または K/W）は熱の流れにくさを表します：Tj = Ta + Pd × θJA。θ が小さいほど冷却性能は高くなります。接合部から周囲までの熱経路は、θJC（パッケージ、0.4～40°C/W）、θCS（界面、0.1～1°C/W）、θSA（ヒートシンク、0.5～20°C/W）で構成されます。これらは直列に加算されます：θJA = θJC + θCS + θSA。
公開されているθSAは、最適な取り付け圧力（50～100 psi）、クリーンなサーマルインターフェース、指定されたエアフロー、垂直方向を前提としています。実際の設置方法には、ネジが緩んでいる (+10% θ SA)、ほこりがたまる (+5-15%)、水平取り付け (自然対流の場合は +20~ 30%) などのバリエーションがあります。10% のディレーティングでマージンが最小限に抑えられます。IPC-9592B によると、過酷な環境では 20 ～ 30% を使用してください。
自然対流では必要なθSAを達成できない場合で、通常はデバイスあたり5～10Wを超えるときです。フィン付きヒートシンクでは、2～3 m/sの強制空冷によりθSAが3～5倍改善します。ファンの選定：エンクロージャー内の総損失5～10Wあたり1 CFM。電力密度が10W/cm²を超える場合、液冷は空冷の10倍の性能を発揮します。コストのトレードオフ：大きなヒートシンク（5～20 USD）か、ファン（3～10 USD）＋小さなヒートシンクか。
自然対流アルミニウム押出成形の経験則： θSA ≈ 50 / √(area_cm²). For θSA = 5°C/W：面積= (50/5)² = 100 cm² = 10×10 cmのフットプリント。フィンを追加すると、同じフットプリントで有効面積が2倍になります。強制空気により、同じ θSA. でヒートシンクを3〜5倍小さくすることができます。正確なサイジングには、メーカーの熱曲線またはCFDシミュレーションが必要です。

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