ヒートスプレッダはなぜ「純銅オンリー」ではないのか

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ヒートスプレッダ（Heat Spreader）は、コンピュータの中央演算処理装置（CPU）や一部の他の集積回路デバイス上に設置される冷却装置の一部です。

その主な役割は、CPUから発生する熱を均一に分散し、冷却装置（通常はヒートシンクやファン）に熱を伝えることです。

熱を効率よく伝えることが目的であるはずなのに、なぜ純粋な銅のみを使わないのでしょうか。今回はヒートスプレッダの疑問について紹介します。

CPUヒートスプレッダの材質

CPUヒートスプレッダの主要な材質は銅（Copper）とアルミニウム（Aluminum）の合金です。この合金は通常「copper core」または「copper base」アルミニウムヒートスプレッダと呼ばれます。

この合金には銅とアルミニウム以外にも微量の他の金属が含まれていることがあり、熱伝導性が高く、強度があり、耐腐食性があるため、熱を効率的に伝えつつCPUを保護するのに適しています。

単純に熱伝導率を高めるという意味では、銅のプレートをそのまま載せたほうが良いはずですが、純正のCPUに採用されているヒートスプレッダは銅の色をしていませんよね。

銅とアルミの合金であったり、銅にニッケルメッキでメッキ処理を加えたりしています。このように純銅をそのまま使用しない理由としては、下記があるようです。

純粋な銅は、鉱石から精錬する際に高価であり、加工にも高いコストがかかります。それに比べて、銅とアルミニウムの合金はコストが抑えられますが、十分な熱伝導性を維持できます。

純粋な銅は柔らかく、比較的脆い材料であり、容易に変形や損傷する可能性があります。これに対して、銅とアルミニウムなどの合金は強度があり、適切な剛性を提供するため、CPUの取り扱い中に破損しにくいのです。

銅は酸素や湿気にさらされると酸化しやすく、腐食が起こります。ヒートスプレッダはCPUを保護し、長寿命を提供する役割を果たすため、銅とアルミニウムなどの合金が腐食に対する耐性を持っています。

車の部品にもバッテリー周りに銅が使われていたりしますが、外気にさらされるため腐食対策でスズメッキなどが使われることがありますね。やはりむき出しの銅をそのまま使う、というのは色々とリスクがあるのかもしれません。

最後に、ちょっと変わったヒートスプレッダに関する話題をご紹介します。実はヒートスプレッダは熱伝導や熱拡散が目的であるとされる一方で、単に「CPUダイをガードしているだけ」という説もあるのです。

これは、殻割りなどによってヒートスプレッダを交換した際に、ヒートスプレッダの大小にかかわらず冷え方が変わらなかったという結果からきているそうです。

ただし、本当にヒートスプレッダの厚みや大きさが冷え方に影響しないのかについては、定量的な情報がありません。

私の個人的な意見としては、ヒートスプレッダは自身に熱をため込んで、ダイから放出された熱を「じんわりと広範囲に伝える」ものだと思っているので、「冷やしやすくなっている」ことは間違いないと考えています。

ちなみに、ヒートスプレッダは大きさ（広さ）よりも厚みのほうが冷却性能に寄与する（熱拡散能力が増す）という報告もあるので、意外と奥が深いパーツなのかもしれません。