アルミ箔積層フィンヒートシンク

01/19 2026

アルミ箔積層フィンヒートシンク: 最新の熱設計のための柔軟なアーキテクチャ

ほとんどの設計レビューでは、ヒートシンクは切断、機械加工、押し出し、場合によっては接着などの固定ジオメトリとして扱われます。アルミホイルを積層したフィンヒートシンクは、その想定を打ち破ります。これは、単一の固体ではなく、層状のアーキテクチャです。数百枚の極薄アルミニウム箔が積み重ねられるかルーバー状に折り重ねられ、密集したフィンが形成され、ろう付け、拡散接合、または高信頼性接着剤で固定されます。

遠くから見ると、他のフィン付きブロックのように見えます。近くで見ると、それは金属の折り紙のように動作します。つまり、大きな表面積、調整可能な空気流の動作、そしてモノリシックのビレットから削り出すのではなく、ほぼ連続的に調整できる構造です。

以下では、このテクノロジーを汎用部品としてではなく、質量と引き換えに制御可能な微細形状を実現し、従来のヒートシンクが低速から中程度の気速で一致させるのが困難な性能を可能にするモジュール式熱プラットフォームとして見ていきます。

アーキテクチャ: 設計プリミティブとしての表面積

アルミ箔を積層したフィンのヒートシンクでは、主な設計変数はフィンの厚さや間隔だけではありません。これは、非常に薄いフォイル間の局所的な空気流の挙動と、その結果として生じる熱伝達係数です。一般的なフォイルの厚さは約 0.05 ～ 0.3 mm で、押し出し成形または機械加工されたシンクのフィンよりもはるかに薄いです。

この極めて薄いフィンの厚さにより、次のことが可能になります。

• より高いフィン密度 (単位幅あたりのフィンの数が多くなる)
• 同じ体積でもはるかに大きな接液表面積
• 適度な圧力降下での熱抵抗の低減

押し出し成形されたシンクのフィン ピッチが 2 ～ 4 mm である場合、フォイル スタックは、ルーバー パターン、オフセット フィン セグメント、またはテーパー形状を使用して圧力損失を制御しながら、簡単に 1 mm 未満にすることができます。

エンジニアは、単一のフィン プロファイルを選択してコンポーネント全体に固定するのではなく、ゾーンごとにフォイルの形状を変えることができます。ホット スポットではより高密度に、圧力降下が重要な場合にはよりオープンに、または空気流の特定の領域での乱流を強化するためにマイクロ ルーバーを使用します。

ヒートシンクは受動的なブロックではなく、冷却空気と意図的に相互作用する流れを形成する要素になります。

材質と質: アルミホイルの挙動が異なる理由

薄いフォイルの形式により、合金の選択と焼き戻しの役割がさらに大きくなります。スタックドフィンの設計では、単に「アルミニウム」を選択するわけではありません。熱伝導率、成形性、ろう付け温度での強度、ろう付け後の安定性の組み合わせを選択することになります。

フォイル フィンの一般的な合金/焼き戻しファミリー:

• 1xxx シリーズ (例: 1100-O): 非常に高い導電性、優れた成形性、比較的柔らかい
• 3xxx シリーズ (例: 3003-H14 または 3003-O): 導電性、強度、およびろう付け性の優れた妥協点
• 6xxx シリーズは、薄い厚さでの成形限界のため、極薄箔にはあまり一般的ではありません

室温での代表的な特性の比較:

* 8xxx シリーズは一部の特殊箔製品に含まれており、特定の成形と強度バランスが必要な場合に使用できます。

性格の選択はバランスをとる行為です。 O のような柔らかい焼戻しは、亀裂を生じることなく複雑なルーバー形状に成形するのが容易であり、ろう付け治具によく適合します。 H14 のようなより硬い焼き戻しは、組み立てや取り扱い中にフィンの真直さと剛性を維持するのに役立ちますが、過度の軟化を避けるためにろう付けまたは高温接合中には慎重に管理する必要があります。

箔は非常に薄いため、合金の追加や焼き戻しをわずかに変更しただけでも、成形限界、スプリングバック、および耐振動性が大幅に変化する可能性があります。言い換えれば、ここでは、重い押し出しブロックよりも冶金が重要になります。

接合方法: 信頼性の隠れたエンジン

スタックドフィンヒートシンクの良さは、その接合部の良さによって決まります。ベースプレートとフォイルの間、およびフォイルとフォイルの間（一部の設計では）の接合方法により、熱経路効率と長期的な機械的完全性の両方が決まります。

結合アプローチには次のようなものがあります。

• 雰囲気制御ろう付け (CAB): クラッド層を使用した 3xxx または 6xxx ベース上の 3xxx シリーズのフィンに共通です。優れた熱接触と優れた耐疲労性を備えた金属結合が得られます。
• 真空ろう付け: フラックスフリーの接合、よりきれいな表面、またはより高い完全性が必要な場合 (航空宇宙、高信頼性パワーエレクトロニクスなど) に好まれます。
• 拡散接合またはソリッドステートプロセス: 非常にきれいな界面または珍しいラミネート形状を必要とするニッチなハイエンドアプリケーションで使用されます。
• 高導電性接着剤: 低消費電力でコスト重視の設計に適していますが、熱界面抵抗が高く、経年劣化やガス放出に対する懸念が大きくなります。

流れの動作: 層流制約を設計ツールに変える

厚いフィンを備えた従来のシンクでは、通常、推進性能を高めるには、空気の速度を上げるか、ファンや送風機の形状を使用して強制乱流を利用する必要があります。フォイル スタックでは、代わりにマイクロ ジオメトリを操作して、フィン アレイ内部の流れ場を形成することができます。

オフセット ストリップ フィン、パンチング ルーバー、またはフォイルの千鳥状タブを使用することで、設計者は次のことが可能になります。

• 比較的低い体積速度で局所的な乱流を促進する
• 空気流路に沿って熱境界層を繰り返し破壊する
• 流れを再分配して、滞留する領域に到達します。

これは、通信基地局、航空電子機器、医療機器など、ファンの電力が制限されているアプリケーションや、ノイズによってエアフローが制限されているアプリケーションで特に役立ちます。ヒートシンクはパッシブ乱流発生器として機能します。と強引な冷却に頼るのではなく、指定されたエアフローを実現します。

さらに、積層フォイルフィンは、特定の流れ状況に合わせて方向を調整したり調整したりできます。

• 主に自然対流の場合、流れの障害を最小限に抑えた、より高くより開いたフィン パターンにより、浮力による流れが維持されます。
• 適度な強制対流の場合、細かいピッチのルーバー設計により、大きな圧力損失を生じることなく有効熱伝達係数が大幅に向上します。

実際の流れの条件にフィンフィールドを適応させる柔軟性は、フォイルベースのアーキテクチャの静かなスーパーパワーです。

用途: フォイルを積み重ねたフィンが維持できる場所

これらのヒートシンクは、スペース、重量、またはエアフローが制限されている場合や、熱的余裕が厳しい場合に優れています。代表的なアプリケーションには次のものがあります。

• パワー エレクトロニクス モジュール: EV インバーター、DC-DC コンバーター、および高密度産業用ドライブでは、フォイル スタックが、限られた垂直方向のクリアランスでホットスポットを含むベースプレートを管理します。ベースプレートは 6061-T6 または 6082 から機械加工または鋳造することができ、その上に 3003-O フォイル フィンがろう付けされており、適度なファン出力で低い接合対空気抵抗を実現します。

• RF および通信ハードウェア: 基地局無線機、マイクロ波増幅器、および屋外エンクロージャは、ファンの電力制限、粉塵への曝露、および厳しい重量上限に直面することがよくあります。薄いフォイルフィンは、調整されたプロファイルで大きな表面積を解放し、小型で静かなブロワーからの空気の流れを導きます。

• 航空電子工学および航空宇宙: 重量を重視した設計では、スタンドアロンの空冷シンクとして、また液冷コールド プレートに接着された空気側構造​​としてフォイル スタックを使用します。フォイル構造は、より強力な焼き戻しと慎重に設計された接合ラインを使用して、過酷な振動プロファイルに適合するように成形できます。

• LED 照明およびレーザー モジュール: コンパクトな高輝度光源は、低い熱抵抗を維持しながらスリムなハウジング内に収まるフォイル アレイの恩恵を受けます。これらは多くの場合、光モジュール統合用に最適化された特殊なアルミニウム合金と組み合わせられます。

• HVAC、燃料電池、およびバッテリー モジュール: フォイルを積み重ねたフィンは、特に双方向の熱流または多流体界面が存在する場合、「ヒートシンク」と「熱交換器」の間の境界を曖昧にします。このような場合、アレイは構造的インターフェースと熱的インターフェースの両方として機能し、場合によっては積層アセンブリ内の空気と液体の経路を組み合わせます。

これらの環境の多くでは、熱サイクル、湿気、振動に対する堅牢性が、そのままの熱性能と同じくらい重要です。ここでは、合金、焼き戻し、およびろう付けスケジュールを慎重に選択することで、スタックが早期に反ったり、亀裂が入ったり、疲労したりしないようにします。

設計上の考慮事項: 単純な熱抵抗を超えて

アルミ箔スタックドフィンヒートシンクを評価するということは、単一の「℃/W」という数値を超えて考えることを意味します。特徴的でより現実的な視点では、ヒートシンクを次のことを同時に行うシステムとして扱います。

• フィン密度を圧力降下や騒音と引き換えにします
• 合金と焼き戻しを使用して機械的減衰と耐衝撃性を調整
• 製造上の制約 (箔の取り扱い、成形の制限、ろう付けの歪み) を設計ルールに埋め込みます。
• 環境への曝露を予測: 腐食、結露、粒子汚れ

たとえば、フィン密度の高い設計は、きれいな研究室の空気では素晴らしい初期パフォーマンスを達成できますが、粉塵の多い産業環境ではすぐに性能が低下します。このような場合、よりオープンピッチで、耐食性合金または化成皮膜（ベースのクロム酸フリーの三価不動態化または硬質陽極酸化など）を備えたわずかに厚い箔は、製品の寿命にわたってより安定した性能を提供します。

同様に、厳しい熱サイクルにさらされる設計の場合、中程度の強度と高い延性を備えた合金と焼き戻しの組み合わせにより、ベースプレートとフィン間の膨張差に対応でき、ろう付け接合部で亀裂が発生するリスクが軽減されます。

このフレームワークでは、フォイルスタックドフィンシステムは単なる「優れたヒートシンク」ではありません。これらは調整可能な熱構造であり、気流、環境、信頼性の目標と合わせて設計する必要があります。

従来のアルミニウム ヒートシンクは、彫刻された石のようなもので、強く、馴染みがあり、静的です。アルミニウム フォイルを積層したフィン ヒートシンクは、薄い金属層から織られ、局所的な形状とプロセスによって形成され、特定の流れと制約に合わせて調整された加工ファブリックに近いものです。

その価値は、デザイナーが合金の選択、焼き戻し制御、フィンの微細形状、接合技術を後付けではなく積極的なデザインレバーとして使用し、この織物のような性質を受け入れるときに現れます。

このように見ると、積層フォイル ヒートシンクは、単に同じスペースにより多くのフィンを詰め込む方法ではありません。これは、アルミニウムを電子機器と空気の間の正確に調整されたインターフェースに変える、柔軟な熱アーキテクチャであり、理想的な実験室条件ではなく実際の動作世界に最適化されています。

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