January 17, 2026
半導体の性能が高くつく世界では 熱が究極の敵です 中央処理ユニット (CPU) が サイズを縮小しながら トランジスタ密度が増加するにつれて1平方ミリメートルあたりの熱エネルギーは急上昇しました熱圧縮を防止し,ハードウェアの長寿を確保するために,業界は長い間,銅の例外的な物理的特性に依存してきました.このガイドは,エンジニアリングの原則を探ります.デザインアーキテクチャ高性能CPU冷却のゴールドスタンダードとなる製造プロセスです
銅が高級熱吸収器市場を支配する主な理由は,その異常な熱伝導性である.純銅の熱伝導性は約400W/m·Kである.比較すると,最も一般的な代替品であるアルミニウムは,約235W/m·Kしか提供しません.
この違いは"ベースプレート"レベルでは極めて重要です.ベースプレートは,CPUの統合熱分散器 (IHS) と直接接触する表面です.銅 の 能力 に よっ て,シリコン 模具 から 熱 を 素早く 引き離し,より 広い 表面 に 拡散 する こと に よっ て",熱い 点"効果 が 軽減 さ れ ますこの急速な横向的な熱伝播は,作業負荷に応じてチップの特定の領域が他の領域よりもかなり熱くなる場合,現代のマルチコアプロセッサにとって不可欠です.
また,銅 は アルミニウム より 容積 的 な 熱 容量 が 高い.アルミニウム は 軽く,空気 に 熱 を 素早く 散布 する こと が でき ます が,銅 は 優良 な 熱 緩衝 器 と し て 機能 し ます.熱が大きく上昇する前に より多くの熱を吸収できるCPUのアクティビティが急激に急上昇するときにより安定した熱環境を提供します.
効率的な銅製のヒートシンクを設計するには 表面面積と気流抵抗と質量のバランスが必要です固い銅のブロックは,周囲の空気に熱を転送する表面面積がないため,ひどいヒートシンクになりますしたがって,設計では,冷却媒質,通常は空気または液体との接触面を最大限にする必要があります.
熱槽 の 基礎 は 底板 です.最大 の 効率 を 確保 する ため に は,表面 を 鏡 の よう に 加工 し なけれ ば なり ませ ん.銅の表面やCPUのIHSトラップ空気の微小な欠陥熱インターフェース材料 (TIM) がこれらの隙間を埋めながら,目標は可能な限り多くの金属対金属接触を持つことです.高級 の 銅 の 散熱 器 は,酸化 を 防止 する ため,通常,ニッケル に 塗ら れ て い ます銅酸化物は導電性が低く,時間の経過とともに性能を低下させることがあります.
銅の設計では,エンジニアは"スキーブ"または"ジッパー"のフィンを使用することができます. 銅は柔らかいので,アルミ鋳造よりも薄いフィンの構造を可能にします薄いフィニングは,より多くのフィニングが同じ容量に詰め込まれ,総表面面積を増やすことを意味します.しかし,フィニング密度が高くすぎると,静的圧力抵抗が生み,より大きな音が求められます.高速回転ファンが空気を押し通す設計者は,風扇の性能曲線に合うために,最適なピッチを計算しなければならない.
現代の銅製ヒートシンクの大半は,実際には熱管を使用するハイブリッドシステムである.これらは真空下で少量の作業液 (通常は水) を含む空っぽの銅管である.パイプの片端がCPUによって加熱されたとき液体は蒸発して冷たい端 (フィン) に移動し,そこで凝縮して潜伏熱を放出します.この相変化プロセスにより,熱は固体金属のみを通るよりもはるかに早く熱槽を通り抜けるこの銅管の内部にある"ウィック"構造は,しばしば溶融した銅粉末で作られ,毛細管工学の奇跡です.
精密な冷却溶液に 移行するには 複雑な製造技術が必要です
カスタムまたは低容量の企業級冷却機では,コンピュータ数値制御 (CNC) 機械加工が使用されます.このプロセスは,酸素のない銅の固体ブロックからヒートシンクを彫ります.構造の整合性や熱の安定性が最高です高級液体冷却ブロックのベースプレートにのみ使用されます.
スキービング は 鋭い 刃 が 固い 銅 の 基板 から 薄い 層 の 金属 を 剃る 独特 な プロセス で,その 底 に 固い 層 が 留まっ て い ます.底と羽根の間にはシームレスな移行ができますスキブ式ヒートシンクは,高密度冷却を必要とするコンパクトな環境に最適です.1U サーバーのようなものです.
冷鍛造 に は,室温 で 圧迫 さ れ て 鋳型 に 圧縮 さ れる 銅 が 含ま れ て い ます.この プロセス は 金属 の 粒状 構造 を 調整 し,鋳造と比較して熱伝導性をわずかに改善できる冷鍛造は,多方向の空気流に優れた複雑なピンフィンの幾何学を可能にしますが,ツールのコストは重要です.
大量 に 販売 さ れ て いる "塔" の 冷却 器 に は,薄い 銅 板 から ペンキ を 切断 し,熱 管 に "積み"付け られ ます.固い 熱 経路 を 確保 する ため に,この ペンキ は しばしば 管 に 再 流し 溶接 さ れ ます.溶接 合結 の 質 は 決定 的 な 要因 です熱シンクが熱をパイプからフィンに移動する能力を著しく阻害します.
性能上の利点にもかかわらず,銅はいくつかの技術的な課題を提示します. 最も明白なものは重量です.銅はアルミニウムより約3倍密度です.銅製のヒートシンクが"キロ以上重くなる基本盤のPCBに相当な機械的ストレスを及ぼし,ボードの歪みやCPUソケットの破裂を防ぐために堅固なマウントブレーケットとバックプレートが必要です.
銅 は 世界 で 取引 さ れ て いる 商品 で,価格 が 変動 し て い ます.通常,重量 に よる と アルミニウム より 4 か 5 倍 高い 価格 です.銅のベースと銅の熱パイプを持つアルミフィンの配列です. これは,二金属設計として知られる妥協です.熱密度が最も高い銅 (ベース) と重量とコスト効率が高いアルミ (フィン) が使用されます.
最後に酸化の問題があります. 前述したように,銅は空気中の酸素と水分と反応してパチナを形成します. これは金属を破壊しませんが,美学的に不快で,熱効率をわずかに低下させる高品質の製造には,電解のないニッケル塗装ステップが含まれ,それは滑らかで銀色の外観と環境劣化に対する長期的な保護を提供します.
未来を振り返ると 銅は熱管理の 中心的な部分であり続けていますが その応用は 進化しています広域熱管高級エアクーラーやGPUのシールドのベースに 銅製の蒸気室が組み込まれていて フィンスタック全体で 熱をさらに迅速に 分散できます
さらに,銅粉末による添加製造 (3Dプリンタ) は新興分野です.これまでに機械に不可能だった内部幾何学と"格子"構造の作成を可能にしますこれらの設計は 流体流量と表面積を最適化するために 生物学的システムを模倣し 空気冷却が達成できる限界を押し広げることができます
銅製のCPUヒートシンクは 単なる金属の部品ではなく 精密な工学部品で 金属工学,熱力学,機械設計の交差点にあります熱伝導性のトレードオフを理解することでシリコンベースのプロセッサが熱を生成し続ける限り コンピューターの性能は銅は熱管理産業の骨組みとして残る極度の性能と運用安定性の間のギャップを埋める.
