なぜ電気絶縁ヒートシンクはそれほど珍しいのですか？費用はかかりますか？

編集：私の最初の質問（なぜ断熱ヒートシンクがないのですか？）は誤った前提に基づいていたようで、実際には断熱ヒートシンクがあります-私はちょうどカーソル検索でそれらを見つけることができませんでした。その代わり、私はこれを変更して、代わりに彼らの希少性について尋ねています。

ヒートシンクは、ほとんどの場合、アルミニウム、銅、またはそれらの組み合わせでできているようです。意味あり; アルミニウムと銅は作業が簡単で、高い熱伝導率を備えています。しかし、ダイヤモンドは既知の物質の中で最も高い熱伝導率の1つを持っています。もちろん、ヒートシンクとして使用するのに適したタイプのダイヤモンドは、おそらく単一である必要があるため、控えめに言っても非常に高価であることは明らかです宝石品質の結晶ですが、たとえば、同様の熱伝導率を持つ立方晶窒化ホウ素を使用することはできませんか？

そして、はい、c-BNの大きな単結晶を製造することの製造上の困難は、おそらくダイヤモンドの大きな単結晶を製造することとほぼ同じでしょうが、デビアスグループがいないため、最終価格はそれほど高くないと思います窒化ホウ素のためにあなたの後に来ます。また、熱伝導率が良好な非金属化合物も確かにあり、それらのいくつかは製造に適していると考えられます。押し出しアルミニウムの価格帯に近づくことさえできるとは思いませんが、より高い性能が必要な場合があります。

したがって、要約すると、私の質問は、非金属製ヒートシンクを非常に希少にするのはコストだけですか、それとも最も難解なアプリケーション以外では望ましくない他の欠点がありますか？

他の答えがカバーしていないように見えることの1つは、ヒートシンクのヒートスプレッダー部分が厚い場合に最適に機能するのに対し、電気絶縁体の非常に薄い層（適度な電圧で）だけが必要なことです。そのため、熱伝導性と電気絶縁性を備えた単一の材料を使用するよりも、薄い電気絶縁バリアに続いて、厚く、安価で、簡単に作成できる金属ヒートシンクを使用する方が効率的です。存在するいくつかの材料（ダイヤモンドなど）は、押し出したり、ヒートシンクの形状に簡単に形成することはできません。焼結できるものもありますが、焼結は一般にバルク材料の熱伝導率に達することはできません。このすべての材料科学の工学的効果は、私たちがいつもしてきたことをやることになるということです。

別の要因は在庫ポリシーです：かさばる堅牢なヒートシンクと少数の（常に必要ではない）繊細な断熱パッドをストックすることで、2種類のかさばるヒートシンクをストックする場合よりも在庫の占有スペースと資本が少なくなります。絶縁体が不要な場合、絶縁体なしでコストとパフォーマンスの両方が向上します。

これはほとんど新しい問題ではありません。特定の年齢の人は、TO-220およびTO-3パッケージ用のマイカ絶縁体付きヒートシンクを覚えています。

（当時の）問題は、材料コストと入手可能性、および材料科学の両方でした。長年にわたり、さまざまな化合物の熱伝導率の理解に長い道のりを歩んできましたが、それはまだ比較的新しい技術です（熱伝導性パッドなどは、数十年前から存在していましたが、それ自体は実際にはヒートシンクではありません正しい）。

TO-220のデバイスのコレクター/ドレインにヒートスプレッダーがあり、通常は高電圧になっているため、一般的な配置ではこの手法を使用しました。

ソース。

サーマルペーストを使用することは珍しくありませんでしたを最大化するために。

統合された断熱ヒートシンクの相対的な希少性は、実際には説明されていません。それは本当に「必要か」ということになります。または、ヒートシンクと電気的に絶縁されたバリア材料という安価な方法を使用するだけでもいいのです（少なくとも今日はそうです）。

古い試行された真の方法は何十年もうまく機能していましたが、一部のアプリケーション（特に小さなデバイスのアプリケーション）では、このようなソリューションは適合しない場合があります。

がある 、かなり の数 供物 利用できるが、しかし、彼らは（ワット単位で）少し高価になりがち。他の材料に関する多くの研究もありますます。

もちろん、キラキラの要素には、これらを使用できます。

したがって、それは多くのことに帰着し、コストが大きな要因です。また、ヒートシンクの大規模な市場は、とにかくICのケースが電気的に絶縁されているCPUおよびGPU向けであることにも注意してください。

ポリマーヒートシンクについては、言及に値します。高分子ヒートシンクはそれほど珍しいことではありません。ポリマー製ヒートシンク、工業用、自動車用、消費財などに出くわすことがあります。これらは、ヒートシンクとして認識するのが難しいことがよくあります。これは、2番目の機械的な目的（エンクロージャー、ブラケット、ランプのリフレクター）があるためです。これらのヒートシンクは、常にカスタム射出成形部品です。

ポリマーは、金属に比べて熱伝導率が小さい。これは質問を促します：ポリマーはどのようにして許容可能なヒートシンクを作ることができますか？場合によっては、ヒートシンクの熱抵抗は、ヒートシンク自体の伝導ではなく、ヒートシンクから空気への移動によって支配されます。これは、自然対流で熱を空気に放出するときに発生する可能性があります。このような場合、熱伝導率が比較的高い特殊なポリマー製のヒートシンク（$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$ ）と同じ形状を有するヒートシンク。

E2はプラスチック（ソース）

この古い答えの追加議論。

ヒートシンクについてのことは、最終的に熱、伝導、放射を処理する方法は実際には2つしかありません。

したがって、最終的に、放射率が1にかなり近いと仮定すると（HOTを実行できる場合にのみ問題になり、放射に対する電力損失は絶対温度の4乗になります）、周囲の冷却媒体との熱接触が良好になります（空気、水、何でも）、あなたがそれから作るものは少しだけ重要です（そのインターフェースは、ヒートシンクのバルク熱伝導率ではなく、パフォーマンスにとって致命的です）。

ヒートシンクを設計する必要があることは明らかです。熱が合理的に効率的に伝わり、大量の金属が存在する部分の大部分について、他の味方と対立する可能性のある多くの電力束密度が存在する領域でデルタTを低く抑えるには、最も安いものが最適です。

ヒートスプレッダーまたは断熱ワッシャーの場合はもちろん異なります。定義によるヒートスプレッダーは、電力束密度が非常に高く、最小の熱抵抗が非常に良い場合に使用されるため、この役割での銅の通常の使用です。

電気絶縁体でもある優れた熱伝導体はそれほど一般的ではないため、絶縁体にはエキゾチックな材料が使用されています。したがって、窒化ホウ素、アルミナ、酸化ベリリウム（！）などはすべてここでサービスを参照し、私はそうではありませんダイヤモンドを使用している人にショックを受けました（おそらく奇妙なRFデバイスで）。

技術的な観点から、アイソレータパッドを内蔵したヒートシンクを製造することは確かに可能です。彼らがそれをしない理由は経済学です。

さまざまな機械的、電気的、および熱的な選択の間には、さまざまな組み合わせがあります。アイソレータとヒートシンクが1つの部品である場合、ベンダーはより多くの固有の部品番号を用意する必要があります。

アイソレータとヒートシンクを独自の製品に組み込むことにより、ユーザーはより多くの選択肢を得ることができます。

考慮すべき事項の一部を次に示します。

1）多くの場合、ユーザーはヒートシンクと高温部品の間にギャップパッドを使用して、機械的許容誤差のたるみを見つけます。これは、各ユーザーがパッドの厚さを変えたいことを意味します。

2）断熱パッドの素材は、粗い表面にどれだけ適合できるかによって異なります。多くの場合、素材の柔らかさと熱伝導性の間にはトレードオフがあります。

3）異なるユーザーは、電圧に関して異なる絶縁要件を持ちます。絶縁電圧、材料の厚さ、熱抵抗の間にはトレードオフがあります。

3）ヒートシンクと部品の間に絶縁体を追加すると、熱抵抗の点で不利になります。断熱層を使用しないことが可能であれば、その場合に最高の熱性能が得られます。

最良の妥協点は、切断または穴あけしないだけでなく、低コストであるのに十分な硬度を備えた高定格電圧[kV / mm]の非常に薄い大表面積層を作成することです。

熱伝導性絶縁体の特性には以下が含まれます。

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

電気絶縁体はすべて「誘電体」です。すべてのヒートシンクは優れた熱伝導体です。
しかし、固体では、両方を優れた特性にすることは高価です。可能性のある解決策を作るために圧力下で流体を変える
相変化材料。

CPUは、非常に平坦な特性のため、ヒートシンクのサーマルトップとしてセラミックガラスを使用する傾向があります。

線間電圧トライアックの場合、マイカは5kVパルス保護と熱伝導グリースによる熱伝導に最適な材料でした。

また、変圧器オイルなどの誘電性流体は、熱の流れを伴う優れた断熱材です。

熱伝導性がいしが使用する材料を比較するための性能指数。

熱伝導率[W / mK]、
厚さ[um]、ショア硬度[00]、
絶縁耐力[kV / mm]および
熱インピーダンス[˚C-cm²/ W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$ または熱伝導で除算する $\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$。

従来のソリューション; マイカ、3Mテープ、およびいくつかのポリマーテープがあります。

Aavid Thermalloyの最も経済的なソリューションは次のとおりです。

サーマルシルIII

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

強制空気熱除去の場合、カウントされるのはCFMではなく、しばしば報告されますが、平均[m / s]で冷却を制御するのは表面の乱気流です。

これらの両方のパラメーターの積は、最高の材料特性につながりますが、最も安くはありません。

実際には、良い解決策があります：アルミニウム。陽極酸化アルミニウム。陽極酸化により、表面が絶縁体である酸化アルミニウムに変わります。良いニュース：表面積を増やして、周囲の空気に熱を伝導しやすくします。悪いニュースは、熱を発生させるパワーデバイスに接触するための平らで滑らかな表面ではありません。解決策：サーマルコンパウンド（別名「グリース」）。重要な注意：アルミニウムを陽極酸化するにはいくつかのプロセスがあります。かわいいもののほとんどは、ソフトな「クラスI」またはやや硬い「クラスII」です。あなたは、クラスIIを使用することができる場合が冷却されるデバイスの相対的な動きはありませんし、それはしっかりとヒートシンクにクランプさと全くバリや傷がない、これはうまく動作します。" if " s＆ "が多すぎます「クラスIII」陽極酸化はあなたが望むものです。それは不均一な色になりがちで、黒は茶色がかったまたは紫がかった色合いを持っています。しかし、適度な電圧で絶縁体はありません。軍用および航空宇宙では、これを50年以上にわたって使用しています。今では見つけるのが難しく、他のソリューションよりもコストがかかりますが、仕事はうまくいきます。

「グリース」には、Dow、Shin-Etsu、Fuji-Poly、またはSaint-Gobainのシリコン（石油ベースではない）、酸化アルミニウム（酸化亜鉛ではない）を使用します。PCの「ゲーマー」が使用するオーバークロック用の銀と銅を使用したブティック製品は、高価で導電性があります。これはクラスIIIの陽極酸化では問題ありません。移動、落下、乾燥、粉末、フレークなどが現在の搬送物に移らない限り（使用しないでください）。大量の熱とグリースを本当に結合する必要がある場合、酸化ベリリウムは酸化アルミニウムよりも数倍優れています。それをアスベストのように扱ってください。舐めたり、食べたり、吸い込んだりしないでください。皮膚刺激物なので、手袋を着用し、「有毒な魔女狩り」の猛攻撃に備えてください。これらのグリースは、デバイスの下で0.0001インチから0.0005インチの厚さである必要があります（半透明の種類）。小さなプラスチックまたは金属のスキージで塗布します。量産する場合は、ステンシル（はんだペーストに使用されるものと同じタイプのステンシル材料〜0.005 "SS）とスキージを使用します。

実装領域に薄いセラミックコーティングが施されたヒートシンクを見たことがありますが、Cteの違いが問題であり、薄いセラミックが割れることがあります。

これが役に立てば幸いです。電子と正孔の間を40年以上さまよっていたからです。

全体として、フィールドでの「摩耗」を回避し、結果として高価な交換を避けることが、結晶ヒートシンクを回避する一般的なアプリケーションの主な理由だと思います。現場で金属製のヒートシンクが故障することは決してありません。しかし、一般的に言えば、フィールドでの金属製ヒートシンクの交換は、水晶製ヒートシンクに比べてはるかに安価であり、必要な特殊機器もはるかに少なくなります。

それは、最初は結晶ヒートシンクは一般に機械加工して成形するのに費用がかかり、熱的および機械的ストレスによりいくらかの完全な破損が発生します。特別なヒートシンクの工場ですべてが起こった場合、許容可能な合計コスト内に留まる可能性があります。しかし、最終用途の製造業者がヒートシンクを調整する必要があることなどは珍しくありません。

2回目のフィールドアプリケーションでは、多くのヒートシンクが熱的および機械的衝撃と振動を経験しますが、これは結晶ヒートシンクの100％の生存率を超える可能性があります。一方、古き良き金属製のヒートシンクは、かなりの酷使と屈曲が必要になる場合があります。いくつかは、より大きなアセンブリの外側シャーシへの機械的固定点としても二次的に機能します。

また、結晶ヒートシンクの場合、ヒートシンクではなくファスナーが故障点になる場合があります。より柔らかいファスナーは、ヒートシンクへの振動損傷を減衰させますが、代わりにそれらの同じ振動と屈曲によって徐々に透けて見えます。

そのため、結晶質のヒートシンクは、スマートサーマルシャットダウンとアラートを想定して、おそらく現場で時折修理アイテムになるでしょう。次に、フィールドで必要な特別なツールと、平均的な技術者が交換に対処しようとするときにどのような種類の破損率が適用されるかを考えます。ヒートシンクは、多くの軍団、政府、そして民間の顧客が、サーキットではなくても地元の技術者に対処することを期待するものだと思う。ただの仕事ですよね？