電子機器の放熱・冷却技術と部材の開発

高性能半導体の高速化、デバイスの高密度実装に伴う熱問題対策を徹底解説

電子機器の放熱・冷却技術と部材の開発

~5G、高速化、小型化への対応~

価格 88,000円(税抜 80,000円) 出版社 技術情報協会
発刊日 2021年7月30日 体裁 A4判 676ページ
ISBNコード 978-4-86104-852-4 商品コード 2115

本書のポイント

  • ヒートシンクの設計と適用
  • ・次世代パワー素子におけるホットスポット問題解消
  • ・1本あたりの最大熱輸送量の増加
  • ・グラファイトと金属材の複合化とヒートスプレッダー応用
  • ・データセンタへ向けた銅短繊維製ヒートパイプ
  • TIM(Thermal Interface Material)材の開発と適用事例
  • ・厚み方向への大量の熱を輸送するための配向技術
  • ・TIMにおける高熱伝導率の発現と接触熱抵抗の低減
  • ・より少ないフィラー充填での高熱伝導率発現
  • ・多機能なTIMの開発
  • 放熱基板の開発
  • ・金属ベース基板の高熱伝導性、ヒートショック特性の向上
  • ・窒化ケイ素基板の高熱伝導化
  • 次世代冷却技術の展望
  • ・沸騰冷却技術の展望とその課題
  • ・電場印加による沸騰熱伝達
  • ・磁性流体を用いた循環熱輸送デバイスの開発
  • デバイスの放熱設計事例
  • ・熱設計・熱検証の進め方、シミュレーション技術
  • ・基板放熱を前提とした熱設計への対応、部品技術
  • ・液浸冷却を目指した水没プロセッサチップの設計と評価
  • ・モバイル機器における熱設計のポイント
  • ・GaN-HEMTデバイスへのダイアモンド放熱基板の適用
  • ・光送受信機の省電力・小型化技術
  • ・車載ECU・電子機器の高耐熱・放熱実装設計
  • ・xEV用パワーユニットと放熱対策
  • ・車載リチウムイオンバッテリシステムの温度管理、部材選定

執筆者

※敬称略

井手 拓哉
(株)ロータス・サーマル・ソリューション
安井 龍太
東京工業大学
高木 章三
(株)髙木製作所
鈴木 智之
(株)東芝
須谷 康一
(株)インキュベーション・アライアンス
宮﨑 研
(株)IDAJ
竹馬 克洋
(株)サーモグラフィティクス
桃瀬 一成
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東北大学 
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長岡技術科学大学
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(株)昭和丸筒
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(株)東レリサーチセンター
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KOA(株)
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(株)ADEKA
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国立情報学研究所
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福井大学
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三菱電機(株)
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三菱電機(株)
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デンカ(株)
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広島大学
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立命館大学
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(株)アカネ
佐野 勇司
東洋大学
津島 栄樹
(株)FJコンポジット
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東京都立産業技術高等専門学校
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桜木 俊一
静岡理工科大学
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東芝マテリアル(株)
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(株)GSユアサ インフラシステムズ
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山陽小野田市立山口東京理科大学
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日新技研(株)
藤井 泰久
(株)KRI
原 潤一郎
 
上村 光宏
東京大学
小野 直樹
芝浦工業大学
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富山県立大学
神谷 有弘
(株)デンソー
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富山大学
石橋 誠司
三菱電機(株)
西 剛伺
足利大学
山本 恵一
Consultancy Office Y’s
原 義勝
サーマルオフィス・はら
中條 博則
共創企画

目次

第1章 ヒートシンクの設計と小型、高熱伝導化◇

    第1節 ロータス型ポーラス金属を用いたヒートシンクの開発と展開
  • 1.ロータス型ポーラス金属とロータスヒートシンクの特徴
  • 2.ロータスヒートシンクの種類
  • 2.1 水冷型ロータスヒートシンクの放熱特性
  • 2.2 空冷型ロータスヒートシンクの放熱特性
  • 3.次世代半導体向けヒートシンク設計の設計指針
  • 第2節 水冷を中心としたIGBT、LEDに向けたヒートシンクの開発
  • 1.IGBT用水冷ヒートシンク
  • 1.1 標準化
  • 1.2 軽量化
  • 1.2.1 薄型タイプ
  • 1.2.2 アルミ化
  • 2.LED用水冷ヒートシンク
  • 2.1 標準品
  • 2.2 高性能品
  • 2.2.1 水路の微細化
  • 2.2.2 2積層タイプ
  • 第3節 グラフェンハイブリットヒートスプレッダの開発と熱対策部材への応用
  • 1.従来の熱対策部材
  • 1.1 アルミ
  • 1.2 銅
  • 1.3 グラファイト系放熱部材
  • 1.3.1 人工系グラファイトフィルム
  • 2.グラフェン放熱部材
  • 2.1 グラフェン放熱部材のコンセプト
  • 2.2 放熱部材への適用
  • 2.2.1 熱伝導の方向性の制御
  • 2.2.2 垂直方向への熱伝導
  • 2.2.3 面方向への熱伝導
  • 3.グラフェン放熱部材と金属・樹脂とのハイブリッド
  • 3.1 ハイブリッド化による高強度化
  • 3.1.1 金属とのハイブリッド
  • 3.1.2 金属ハイブリッドの応用
  • 3.1.3 樹脂フィルムとのハイブリッド
  • 3.1.4 ベーパーチャンバーとの放熱性能比較
  • 第4節 高熱伝導性を有するヒートスプレッダー及び絶縁基板の開発
  • 1.高熱伝導グラファイトの特徴や構造
  • 1.1 従来のグラファイト
  • 1.2 高熱伝導グラファイト
  • 2.高熱伝導グラファイトの複合化技術
  • 2.1 従来の複合化技術
  • 2.2 グラファイトの表面構造の制御
  • 2.3 異種材料との複合化
  • 2.4 グラファイトによる伝熱方向のコントロール
  • 2.5 熱伝導と応力緩和
  • 3.ヒートスプレッダー及び絶縁基板の開発ついて
  • 3.1 ヒートスプレッダーとして
  • 3.1.1 金属材の複合化
  • 3.1.2 金属材のコーティングによる複合化
  • 3.2 セラミックス系絶縁基板として
  • 3.2.2 セラミックス系のコーティングによる絶縁基板
  • 3.3 樹脂系絶縁基板
  • 3.4 回路形成・パターニング
  • 4.評価
  • 4.1 熱特性
  • 4.2 熱サイクル試験
  • 第5節 放射放熱を活用したセラミックヒートシンクの開発
  • 1.LED照明のネックは熱対策
  • 2.第三の放熱現象に着目
  • 3.Cu平板と比較実験
  • 4.製品ラインアップを絞る
  • 5.TSVと組み合わせて放熱

第2章 ヒートパイプの設計と小型、熱輸送効率向上

    第1節 ループヒートパイプの高度な設計方法
  • 1.LHPの概要
  • 2.LHPシステムの設計方法
  • 2.1 動作原理
  • 2.2 動作特性
  • 2.3 設計方法
  • 2.3.1 要求と設計パラメータ
  • 2.3.2 ウィック特性
  • 2.3.3 作動流体の選定
  • 2.3.4 封入量とCC容積の設計
  • 2.3.5 輸送管径の影響
  • 2.3.6 LHP設計モデル
  • 3.蒸発器設計
  • 3.1 蒸発器内流動
  • 3.2 蒸発器形状設計方針
  • 3.3 細孔径分布の影響
  • 第2節 JEST型ループヒートパイプの開発と電子機器への適用
  • 1.JEST型ループヒートパイプの作動原理と基本動作
  • 1.1 JEST型ループヒートパイプの構成
  • 1.2 作動原理と特長
  • 2. JEST型ループヒートパイプの基本的な熱輸送特性
  • 2.1 基礎実験装置と実験手順
  • 2.2 実験結果及び考察
  • 2.2.1 定常時特性
  • 2.2.2 受熱部熱伝達率比較
  • 3.電子機器への適用
  • 3.1 2Uサーバーへの適用
  • 3.1.1 小型化構成
  • 3.1.2 小型化構成での性能評価
  • 3.2 ワークステーションへの適用
  • 3.2.1 受熱部の垂直化
  • 3.2.2 垂直型受熱部構成での性能評価
  • 第3節 超薄型ベイパーチャンバーの開発とその応用
  • 1.超薄型ベイパーチャンバーの開発
  • 1.1 超薄型ベイパーチャンバー開発の背景
  • 1.2 ベイパーチャンバーの動作原理
  • 1.2.1 ベイパーチャンバーの基本構造
  • 1.2.2 ベイパーチャンバーの熱輸送サイクル
  • 1.3 ベイパーチャンバーの特性要因
  • 1.4 ベイパーチャンバーの薄型化設計
  • 2.超薄型ベイパーチャンバーの応用
  • 2.1 ベイパーチャンバーの搭載効果
  • 2.2 薄さと放熱性を両立する搭載方法
  • 第4節 宇宙機の排熱システムの現状とその開発
  • 1.ループヒートパイプ
  • 1.1 概要
  • 1.2 開発の歴史と現状
  • 1.3 開発要素
  • 2.自励振動ヒートパイプ
  • 2.1 宇宙応用
  • 3.流体ループによる制御技術の現状
  • 3.1 単相流体ループ
  • 3.2 気液二相流体ループ
  • 第5節 データセンタへ向けた銅短繊維製ヒートパイプの開発と適用
  • 1.複合焼結ヒートパイプの内部構造
  • 2.実験方法
  • 2.1 実験用ヒートパイプの作製
  • 2.2 ヒートパイプ測定条件
  • 3.測定結果
  • 3.1 最大熱輸送量
  • 3.2 熱抵抗
  • 4.銅短繊維ヒートパイプの課題

第3章 各種TIM材の開発と応用◇

    第1節 積層技術を活かした黒鉛積層型熱伝導シートの開発
  • 1.黒鉛積層型熱伝導シート
  • 1.1 黒鉛シート材料の主な特徴
  • 1.2 黒鉛積層型熱伝導シートの構造
  • 1.3 黒鉛積層型熱伝導シートの性能
  • 1.3.1 基本性能
  • 1.3.2 放熱特性
  • 2.熱特性評価
  • 2.1 接触熱抵抗
  • 2.2 厚みと熱抵抗
  • 2.3 圧縮荷重と変形量の関係
  • 2.4 圧縮荷重と熱抵抗
  • 2.5 熱抵抗測定方法
  • 2.6 熱伝導率
  • 3.信頼性試験
  • 3.1 熱衝撃試験
  • 3.2 オイルブリ-ド試験
  • 3.3 難燃性試験
  • 4.熱対策部品への活用について
  • 4.1 TIMとして
  • 4.2 ヒートシンクとして
  • 第2節 形状異方性フィラーを配向制御した高熱伝導放熱シートの開発
  • 1.TIMの必要特性と放熱シートの特徴
  • 1.1 TIMの命題
  • 1.2 各製品の特徴
  • 2.高熱伝導率化処方と背反事象
  • 3.h-BN垂直配向放熱シート
  • 3.1 狙いとするフィラー充填構造と用いた伝熱フィラー
  • 3.2 放熱シートへの適用効果
  • 3.3 定常法による熱伝導率の算出
  • 3.4 熱伝導率と接触熱抵抗の圧力依存性
  • 4.導電フィラー垂直配向放熱シート
  • 4.1 グラファイトフィラーを用いた放熱シートの熱特性
  • 4.2 炭素繊維を用いた放熱シートの熱特性
  • 第3節 シリコーン材料のTIMへの応用
  • 1.シリコーンとは
  • 1.1 シリコーンの化学構造
  • 1.2 シリコーンの特長
  • 2.熱伝導性フィラーとは
  • 2.1 アルミナ(Al2O3)
  • 2.2 窒化アルミニウム(AlN)
  • 2.3 窒化ホウ素(h-BN)
  • 3.シリコーン系TIMとは
  • 3.1 シリコーン系TIMの特徴
  • 3.2 配合技術
  • 3.2.1 フィラー充てん量と熱伝導率
  • 3.2.2 熱伝導率と熱抵抗
  • 3.2.3 フィラー表面改質技術
  • 4.各種TIMの種類と特色
  • 4.1 グリースタイプ
  • 4.2 液状硬化型タイプ
  • 4.3 低硬度ゲルタイプ
  • 4.4 高硬度ゴムタイプ
  • 5. 高機能タイプ
  • 5.1 高耐熱TIM
  • 5.2 低比重TIM
  • 5.3 低誘電TIM
  • 5.4 電磁波吸収TIM
  • 第4節 パワーデバイス向け高耐熱高放熱接着シートの開発と適用
  • 1.高耐熱樹脂の特徴
  • 2.シートの高放熱化
  • 3.金属基板への放熱シートの適用
  • 第5節 ナノファイバーの放熱シートへの応用
  • 1.エレクトロスピニング法を利用したアルミナナノファイバーの作製
  • 2.アルミナナノファイバーを熱伝導フィラーとした放熱シートの作製と熱伝導特性
  • 第6節 超柔軟放熱シートの開発と特性
  • 1.熱設計の現状とTIMの役割
  • 1.1 TIMの役割
  • 1.2 筐体内での熱対策
  • 2.超柔軟TIMシート
  • 2.1 TIMによる空気層の除去
  • 2.2 TIMの段差追従性
  • 3.シリコーン系TIMの長期信頼性
  • 第7節 次世代自動車産業を見据えたサーマルマネージメント部材の展開
  • 1.車両の電子化とパッケージング
  • 1.1 地球環境保全への意識
  • 1.2 車両の電子化
  • 2.サーマルマネジメントの重要性
  • 2.1 パワーモジュールとサーマルマネジメント
  • 2.2 サーマルマネジメントのキーワード
  • 2.3 サーマルマネジメントによる自動車設計への貢献
  • 3.サーマルマネジメント材料
  • 3.1 素子接合用焼結銅ペースト
  • 3.2 高耐熱コーティング材
  • 3.3 パワーモジュールパッケージングの今後の展開
  • 第8節 放熱材料の設計と信頼性評価
  • 1.放熱材料の性能
  • 2.シリコーン系放熱材料の分類
  • 3.当社シリコーン系放熱材料の紹介および信頼性評価
  • 3.1 放熱グリースについて
  • 3.2 放熱シートについて

第4章 高放熱・高熱熱伝導な基板の開発◇

    第1節 車載向け金属ベース基板の高放熱化と開発動向
  • 1.EV(電気自動車)用パワーモジュールに適用される基板
  • 1.1 基板種類と分類
  • 1.2 金属ベース系基板について
  • 1.3 金属ベース基板における高機能化(熱伝導性向上)
  • 1.4 金属ベース基板におけるヒートサイクル特性
  • 第2節 鱗片状グラファイト/銅複合材料中のグラファイトの配向性制御による放熱性向上
  • 1.複合材料の作製と配向性制御
  • 2.グラフファイトの配向性評価
  • 3.グラファイトの配向性が熱伝導性に与える影響
  • 4.圧延による配向性制御と熱伝導性に与える影響
  • 5.熱伝導率予測とその妥当性
  • 6.熱膨張率の評価
  • 第3節 天然黒鉛と高熱伝導金属を組み合わせた複合材の開発        
  • 1.鱗片状天然黒鉛の薄層化
  • 2.焼結
  • 3.経年劣化
  • 4.複合材のヒートシンク
  • 第4節 拡散接合 (S-DBC) による放熱性に優れたセラミックス絶縁基板の開発
  • 1.セラミックスと銅の接合
  • 2.次世代自動車用セラミックス
  • 3.SiNへの銅の接合方法 (AMB法の問題点)
  • 4.SiNへの銅の拡散接合法 (S-DBC法)
  • 5.拡散接合法 (S-DBC法)の物性
  • 第5節 排熱発電用熱電変換モジュール向け絶縁回路基板の開発
  • 1.緒言
  • 1.1 熱電変換モジュール
  • 1.2 熱電発電と耐久性
  • 1.3 絶縁回路基板
  • 2.実験方法
  • 2.1 シミュレーションによる絶縁回路基板の回路厚さの検討
  • 2.2 熱電変換モジュールの作製
  • 2.3 熱電変換モジュールの評価
  • 3.結果考察
  • 3.1 シミュレーションによる応力分布の計算結果
  • 3.2 熱電発電特性評価結果
  • 3.3 熱サイクル試験結果
  • 3.4 耐久試験後の断面観察
  • 第6節 高熱伝導窒化ケイ素基板開発の狙いどころ
  • 1.緒言
  • 2.窒化ケイ素の特徴と諸特性
  • 3.高熱伝導化の狙いどころ
  • 3.1 窒化ケイ素原料粉
  • 3.2 焼結助剤
  • 3.3 熱処理プロセス
  • 4.窒化ケイ素基板の適用事例と課題
  • 4.1 多様化する実装形態への適用
  • 4.2 次世代半導体素子実装への適用および課題

第5章 高効率な冷却技術の開発◇

    第1節 気泡微細化沸騰に向けた表面制御
  • 1.緒言~Society5.0時代における冷却技術の重要性
  • 2.Society5.0向け冷却技術の切り札~沸騰冷却とその課題
  • 3.次世代沸騰冷却技術~気泡微細化沸騰について
  • 4.気泡微細化沸騰に表面性状が及ぼす影響
  • 5.結言および今後の展望
  • 第2節 磁性流体を用いた循環熱輸送デバイスの開発と応用可能性
  • 1.磁性流体を用いた循環熱輸送デバイス
  • 1.1 背景
  • 1.2 磁性流体
  • 1.3 デバイスの構成
  • 1.4 駆動原理
  • 1.5 駆動性能の進化
  • 1.6 熱輸送性能
  • 1.7 想定される応用例
  • 2.今後の応用開発
  • 2.1 永久磁石磁気回路の小型化と高性能化
  • 2.2 磁性流体駆動式冷却デバイスのまとめ
  • 2.3 受託研究プロジェクト
  • 第3節 電場を用いたパワーデバイス素子の放熱技術
  • 1.沸騰熱伝達
  • 1.1 沸騰曲線
  • 1.2 飽和沸騰とサブクール沸騰
  • 1.3 サブクール遷移沸騰の特異性
  • 1.4 沸騰の電子デバイス冷却応用の問題点
  • 2.パワーデバイス素子の沸騰冷却
  • 2.1 既存の沸騰利用技術
  • 2.1.1 沸騰サイフォン
  • 2.1.2 強制対流サブクール沸騰
  • 2.1.3 沸騰フィン
  • 3.電場を利用した沸騰熱伝達促進
  • 3.1 自然対流飽和沸騰熱伝達の促進
  • 3.1.1 有機溶媒のプール沸騰熱伝達促進
  • 3.1.2 水のプール沸騰熱伝達促進
  • 3.2 強制対流飽和沸騰熱伝達の促進
  • 3.2.1 有機溶媒の強制対流沸騰熱伝達促進
  • 3.2.2 水の強制対流沸騰熱伝達促進

第6章 電子機器設計に向けた熱シミュレーション技術

    第1節 エレクトロニクスにおける熱の流れの考え方と対策
  • 1.伝熱の考え方
  • 1.1 熱伝導の考え方
  • 1.1.1 熱伝導の法則
  • 1.1.2 熱伝導率
  • 1.1.3 熱伝導の基本的計算法
  • 2.熱通過の考え方
  • 2.1 熱伝達率
  • 2.2 平板の熱通過
  • 2.3 熱対策の意味
  • 2.4 熱伝達の考え方
  • 2.4.1 境界層
  • 2.4.2 平均熱伝達率
  • 2.4.3 伝熱工学で用いられる無次元数
  • 2.4.4 自然対流による熱伝達
  • 2.5 放射伝熱
  • 2.5.1 ステファン・ボルツマンの法則
  • 2.5.2 形態係数
  • 3.身の回りの伝熱現象
  • 4.LSIパッケージの熱設計の考え方
  • 4.1 熱設計の手法
  • 4.1.1 熱抵抗
  • 4.1.2 問題の分割と設計のながれ
  • 4.2 フィンの特性
  • 4.3 矩形フィン
  • 4.3.1 自然空冷
  • 4.3.2 強制空冷
  • 第2節 小型軸流ファンの流れと騒音のシミュレーション
  • 1.供試ファン
  • 2.数値解析
  • 2.2 LESについて
  • 2.2.1 LESの概要
  • 2.2,2 DSM(Dynamic Smagorinsky Model)
  • 2.2.3 クランクニコルソンスキーム
  • 2.2.4 Fractional Step法
  • 2.2.5 オーバーセット法
  • 2.3 解析モデル
  • 2.4 解析用格子(メッシュ)
  • 2,5 解析用計算機と解析条件
  • 3.数値解析結果と考察
  • 3.1 ファンP-Q特性における実験値との比較
  • 3.2 ファン翼面上圧力分布
  • 3.3 ファン翼面上圧力変動分布
  • 3.4 限界流線
  • 3.5 渦構造
  • 3.5.1 速度勾配テンソルの第二不変量
  • 3.5.2 翼面圧力分布と渦構造
  • 3.6 翼間における流線
  • 3.7 子午面における流線
  • 3.8 吐出部における絶対流速分布
  • 3.9 ファン騒音予測のシミュレーション
  • 3.9.1 Lighthill-Curleの式
  • 3.9.2 騒音予測シミュレーションの解析条件
  • 3.9.3 騒音予測シミュレーション結果と考察
  • 第3節 半導体パッケージの3次元熱モデルとその課題
  • 1.コンピュータやモータモジュールの主要素子とモデル化における課題
  • 1.1 コンピュータの主要素子と3次元熱モデルの必要性
  • 1.2 モータモジュールにおける回路の主要素子と3次元熱モデルの必要性
  • 1.3 3次元熱モデルを構成する際の技術的留意点
  • 1.4 3次元熱モデルを構成する際の実装上の課題
  • 2.マイクロプロセッサパッケージのモデル化に関する課題と3次元熱モデルの構築
  • 2.1 マイクロプロセッサパッケージの構造
  • 2.2 マイクロプロセッサの伝熱経路
  • 2.3 マイクロプロセッサの温度予測における課題
  • 2.4 マイクロプロセッサパッケージの多ブロック熱モデルとその課題
  • 2.5 回路表現を用いたマイクロプロセッサのコンパクト熱モデル
  • 3.表面実装型パワー半導体パッケージのモデル化に関する課題と3次元熱モデルの構築
  • 3.1 表面実装型パワー半導体パッケージの構造
  • 3.2 表面実装型パワー半導体の伝熱構造と熱パラメータの変動
  • 3.3 プリント基板実装時の表面実装型パワー半導体のパッケージ熱抵抗の変動
  • 3.4 DPAKパッケージの多ブロック熱モデルにおける課題とその解決策
  • 3.5 回路表現を用いたDPAKパッケージのコンパクト熱モデル
  • 第4節 電子機器における熱設計・熱検証の進め方
    ~Excel簡易計算・PICLS・熱回路網法・CFD の活用連携 ~
  • 1.電子機器の熱設計とは
  • 2.熱検証ツールを活用連携した熱設計のフロー
  • 3.熱流束と目標熱抵抗で事前検証
  • 4.熱設計・熱検証の進め方
  • 4.1 【手順1】筐体の放熱能力・内部空気温度を概算し、温度の低減策を検討する(Excel)
  • 4.2 【手順2】熱的に危ない 基板 を見つける(Excel)
  • 4.3 【手順3】熱的に危ない 部品 を見つける(Excel、PICLS)
  • 4.4 【手順4】熱設計の方針を決める  熱設計へ
  • 4.5 【手順5】基板の危ない部品に対する対策検討・検証(PICLS)
  • 4.5.1 PICLSとは
  • 4.5.2 PICLSを活用する
  • 4.6 【手順6】熱設計  熱検証 を進める(熱回路網法、PICLS、CFD)
  • 4.6.1 熱回路網法を活用する
  • 4.6.2 PICLS、CFDを活用する
  • 4.7 【手順7】全体の熱設計の具体化・熱検証を進める(CFD)
  • 4.7.1 CFDを活用する
  • 4.7.2 設計者向けCFDツールを活用する
  • 4.8 【手順8】実機評価(実験)
  • 4.9 【手順9】品質判定する  相関確認・まとめ
  • 5.熱検証ツールの使い分け
  • 第5節 実務からみた伝熱解析、モデル化のポイント
  • 1.なぜ伝熱解析を外注化するのか
  • 2.伝熱解析を外注化する際に気をつけるポイント
  • 2.1 何が知りたいのか目的を共有する
  • 2.2 高コストな伝熱解析と低コストな伝熱解析の違い
  • 2.3 どこの温度が知りたいのか、それをどう活用するのか
  • 3.多種多様な製品の理解とモデル化のポイント
  • 3.1 伝熱解析モデル作成の考え方
  • 3.2 実験と整合する高精度な伝熱解析モデルを作成するためには
  • 第6節 温度推測式を用いた電子機器の冷却性能診断技術の開発
  • 1.冷却性能低下の原因と特定する上での課題
  • 2.冷却性能診断法
  • 3.実験による実効性検証
  • 第7節 熱設計のフロントローディングとサプライチェーン
    ~ 熱設計支援シミュレーションツールSimcenter Flotherm による発熱部品の冷却解析 ~
  • 1.Simcenter Flothermとは
  • 1.1 歴史と実績
  • 1.2 電子機器専用である理由
  • 1.2.1 モデルの定義のしやすさ
  • 1.2.2 機器動作状態の再現しやすさ
  • 1.2.3 設計案の検討しやすさ
  • 1.2.4 実測データの反映しやすさ
  • 1.3 サプライチェーン
  • 1.4 社外メーカとの連携
  • 1.5 社内でのデータ共有
  • 2.Flothermの機能紹介
  • 2.1 モデリング
  • 2.1.1 基板のモデル化「EDA Bridge」
  • 2.1.2 半導体パッケージのモデル化「Simcenter Flotherm PACK」
  • 2.1.3 筐体・3次元形状のモデル化「Simcenter MCAD Bridge」
  • 2.2 設計フェーズに応じたモデリング
  • 3 シミュレーション実行~結果処理
  • 3.1 リアルタイムメッシュ生成
  • 3.2 シミュレーション実行
  • 3.3 パラメトリックスタディ / 設計パラメータの最適化
  • 3.4 結果処理
  • 4 シミュレーションを効率よく進めるための便利機能
  • 4.1 ジュール発熱機能
  • 4.2 過渡熱測定装置「Simcenter T3STER」キャリブレーション機能
  • 4.3 低次元化モデルの出力機能
  • 4.4 自動化 (FloSCRIPT)
  • 4.5 ライセンスフリー シミュレーション結果ビューア
  • 第8節 FlowDesignerを用いた熱設計・熱対策における逆解析技術
  • 1.FlowDesignerにおけるノンパラメトリック逆解析の原理
  • 2.逆解析に基づく自動最適化
  • 3.熱設計問題への適用例
  • 4.FlowDesignerにおけるその他の逆解析機能
  • 4.1 非定常逆解析機能
  • 4.2 音響逆解析機能
  • 第9節 ペルチェ素子を用いた電子機器の熱設計に向けた熱回路モデルと温度特性の推定
  • 1.熱回路網モデルの構築
  • 1.1 ペルチェ素子の温度特性
  • 1.2 ペルチェ素子評価ユニットの熱回路モデル
  • 1.3 熱回路モデルと測定結果の比較
  • 2.データ同化によるパラメータ推定技術
  • 2.1 粒子フィルタ
  • 2.2 測定データによる熱回路モデルの精度向上
  • 第10節 車載用アナログパワーICの熱Sim技術
  • 1.車載用アナログパワーICの3Dでの熱シミュレーション1
  • 2.ICチップの温度の確認
  • 3.車載用アナログパワーICの3Dでの熱シミュレーション2 
  • 3.1 ICチップ内温度分布の確認
  • 3.2 サーマルシャットダウンの過渡熱シミュレーションの事例

第7章 熱伝導、温度測定とそのノウハウ◇

    第1節 定常・非定常法による熱伝導測定
  • 1.熱伝導率測定法の分類
  • 1.1 温度の与え方の時間変化
  • 1.2 加熱方式
  • 1.3 温度の検出方式
  • 1.4 各種の測定方法
  • 2.定常法
  • 2.1 保護熱版法
  • 2.2 熱流計法と平板比較法
  • 3.非定常法
  • 3.1 非定常法の時間と厚みの概念
  • 3.2 フラッシュ法
  • 3.3 スポット周期加熱放射測温法
  • 3.3.1 厚み方向の測定(周波数変化法)
  • 3.3.2 グラファイトシートの熱拡散率測定
  • 3.3.3 サーマルインターフェースマテリアルの厚み方向・面内方向の熱拡散率測定と熱拡散率マッピング
  • 第2節 定常法による厚さ方向の熱伝導率測定方法
  • 1.測定原理および測定装置
  • 1.1 測定原理
  • 2.実験による測定精度の検証
  • 2.1 単一材料からなる試験片の場合
  • 2.2 複合材料からなる試験片の場合
  • 2.3 各種測定手法の適用範囲
  • 3.結 論
  • 第3節 温度波を用いた熱拡散率・熱伝導率測定法の開発と材料評価事例
  • 1.温度波法の原理
  • 1.1 温度波
  • 1.2 熱拡散長とkd(規格化された熱的な厚さ)
  • 2.アイフェイズ装置群
  • 2.1 アイフェイズ・モバイル
  • 2.2 位相解析型 M3型  
  • 2.3 振幅型 M10型  
  • 3.測定評価事例
  • 3.1 高分子系薄膜
  • 3.2 セラミックス
  • 3.3 金属・純金属 
  • 3.4 炭素系材料・グラファイト・ダイヤモンド
  • 3.5 繊維・球体・粉体 
  • 3.6 液体・放熱グリース・銀ペースト
  • 3.7 発泡体
  • 3.8 温度依存性
  • 3.9 多層系
  • 3.10 面方向への展開
  • 4.標準化のこと
  • 第4節 超音波サーモメトリを用いた内部・界面温度計測
  • 1.超音波サーモメトリ
  • 1.1 原理
  • 1.2 温度分布同定手法
  • 2.実施例
  • 2.1 片面加熱材の内部温度モニタリング
  • 2.2 摩擦界面の温度モニタリング
  • 2.3 異材界面の熱流束モニタリング
  • 3.非接触超音波法の活用
  • 第5節 半導体デバイス設計における材料の性状を考慮した熱特性評価
  • 1.熱伝導に関係する数値指標
  • 2.測定手法
  • 2.1 フラッシュ法(熱拡散率測定)
  • 2.2 交流加熱法(熱拡散率測定)
  • 2.3 定常法(熱伝導率測定)
  • 2.4 3ω 法(熱伝導率測定)
  • 2.5 過渡熱測定(熱抵抗測定)
  • 2.6 DSC法(比熱容量測定)
  • 3.測定事例
  • 3.1 熱物性値の温度依存性
  • 3.2 薄膜の熱伝導率
  • 3.3 異方性
  • 3.4 接合層の熱伝導率
  • 3.5 液状・半固体の熱伝導率
  • 3.6 半導体パッケージの熱抵抗

第8章 プリント基板の放熱技術

    第1節 高密度LED実装に向けたプリント基板の放熱技術について
  • 1.新放熱技術開発の狙い
  • 1.1 製品差別化ポイントと優位性
  • 1.1.1 新放熱構造
  • 1.1.2 放熱に優れた金属
  • 2.LED照明について
  • 2.1 LED電源駆動方式について
  • 2.1.1 DC駆動タイプ
  • 2.1.2 AC駆動タイプ
  • 2.2 電気回路接続イメージ
  • 2.2.1 DC駆動回路
  • 2.2.2 AC駆動回路
  • 3. 放熱温度実験データ
  • 3.1 放熱温度測定(実測)
  • 3.1.1 放熱構造モデル
  • (1)標準モデル
  • (2)新放熱構造モデル
  • 3.1.2 LED放熱温度データ
  • 3.2 放熱時の熱抵抗(計算)
  • 3.2.1 放熱器を考慮した熱抵抗
  • 4.照明器具への応用
  • 4.1 放熱器の熱抵抗
  • 4.2 高性能放熱器について
  • 4.2.1 放熱器断面図
  • 4.2.2 放熱器 放熱特性図
  • 5.LED投光器への応用
  • 5.1 製品化モデル
  • 5.2 投光器諸元
  • 第2節 第2節 基板放熱を前提とした熱設計への対応、部品技術
  • 1.大気放熱型熱設計から基板放熱型熱設計へ
  • 1.1 基板実装形態による放熱割合の変化
  • 1.2 部品の温度管理位置
  • 1.3 チップ抵抗器の新しい熱的仕様
  • 1.4 大気放熱型熱設計と基板放熱型熱設計
  • 1.5 基板放熱型熱設計のためのインフラ
  • 2.基板放熱型部品に適した熱設計手法
  • 2.1 単体熱抵抗
  • 2.2 目標熱抵抗
  • 2.3 対策が必要な部品と不要な部品の切り分け方
  • 2.4 基板放熱の限界
  • 3.基板放熱型部品の温度測定
  • 3.1 熱電対による測定誤差
  • 3.2 温度測定誤差の定量化手法
  • 3.3 Rthtcの理論値
  • 3.4 Rthoutの値
  • 3.5 放熱完了距離
  • 3.6 温度測定が必要な部品
  • 3.7 IRTによる温度測定
  • 3.8 IRTの視力検査

第9章 5G・情報通信機器の放熱・冷却技術◇

    第1節 水没コンピュータに関する研究
  • 1.パリレン膜コーティング
  • 1.1 コーティング
  • 1.2 水没テストボードの試作
  • 1.2.1 条件
  • 1.2.2 耐久性の評価結果
  • 1.3 水没サーバ
  • 1.3.1 耐久性の評価結果
  • 1.3.2 温度評価結果
  • 2. シミュレーション評価
  • 2.1 典型的なCMPの構成
  • 2.2 チップ動作周波数
  • 2.3 並列計算ベンチマークの性能
  • 3. 関連研究
  • 3.1 革新的な冷却技術
  • 3.2 Dynamic Thermal Management (DTM)
  • 3.3 温度シミュレーションの精度
  • 第2節データセンターにおける空調技術の現状と課題、今後の展望
  • 1.現状把握のための測定
  • 1.1 現状把握のための測定
  • 1.2 測定方法の改善
  • 2.測定対象の分類
  • 2.1 測定対象
  • 2.2 調査結果の分類
  • 3.測定結果解析と対策 不具合項目の原因と対策
  • 3.1サーバーラック内逆流と対策
  • 3.2 給気風量不均一と対策
  • 3.3 空調風量不足と対策
  • 4.課題解決のための空調システム開発
  • 4.1 壁吹き出し空調方式IDC-SFLOW開発(2011年)
  • 4.2 壁吹き出しパッケージ空調機開発(2013年)
  • 4.3 屋外機対策噴霧冷却システム開発(2013年) 
  • 4.4 IDC向けコントローラ開発(2013年)
  • 5.今後の展望 その他の次世代システムの取り組み
  • 第3節 液浸冷却システムの仕組みと運用構築、その課題について
  • 1.液浸冷却装置とは
  • 2.液浸冷却装置の仕組み
  • 3.冷媒について
  • 4.液浸用サーバについて
  • 5.サーバを液浸化するメリット
  • 6.液浸化することの施設構築時メリット
  • 7.サーバルーム新築時に得られる効果
  • 第4節 GaN-HEMTデバイスへのダイヤモンド放熱基板の適用と熱解析
  • 1.GaN-on-ダイヤモンド構造
  • 1.1 GaN高周波デバイスにおける放熱課題
  • 1.2 作製素子構造と評価手法
  • 2 定常伝熱解析
  • 2.1 基板厚依存性と実効伝熱面積
  • 2.2 GaN-on-ダイヤモンドのマルチフィンガーHEMT
  • 第5節 光送受信機の省電力・小型化技術
  • 1.光送受信機の機能と構成
  • 2.光送受信機の省電力化・小型化技術動向
  • 3.基幹系向け光送受信機
  • 3.1 主要諸元と機能
  • 3.2 送信技術
  • 3.2.1 変調制御技術
  • 3.2.2 200Gbps変調技術
  • 3.3 受信技術
  • 3.4 低消費電力化技術
  • 3.5 高密度実装技術
  • 3.5.1 実装技術
  • 3.5.2 放熱技術
  • 4.将来に向けて
  • 第6節 モバイル機器の熱設計の特徴
  • 1.モバイル機器の熱設計の特徴
  • 1.1 モバイル機器の熱問題
  • 1.2 モバイル機器の構造
  • 1.3 一般的な熱対策手法
  • 1.4 協調設計の必要性 
  • 1.5 ユースケースの多様性と検証項目
  • 2.電気/機構/ソフトウェアの設計領域をまたぐ協調設計
  • 2.1 発熱の仕組み
  • 2.2 温度上昇の特徴
  • 2.3 ソフトウェア動作を含めた温度予測の必要性
  • 3.システムレベル解析手法
  • 3.1 シミュレーション手法の特徴
  • 3.2 シミュレーションモデル構成
  • 3.3 ソフトウェアによる温度制御のシミュレーション結果
  • 4.今後の課題
  •   ◇第10章 センサ設計における熱マネジメント技術◇
    第1節 赤外線イメージセンサの性能向上に向けた熱設計
  • 1.赤外線イメージング
  • 2.熱型赤外線検出器の構造と動作
  • 3.熱型赤外線検出器の熱設計
  • 4.熱型赤外線検出器の熱設計の例
  • 5.パッケージ内気体の影響
  • 6.低熱コンダクタンス化の推移
  • 7.今後の予測
  • 第2節 小型素子に有効なぺルチェ素子を用いた電子冷却装置の冷却効率の解析と向上
  • 1.ペルチェ素子の熱電冷却動作
  • 1.1 熱電冷却の動作原理
  • 1.2 ペルチェ素子と電子冷却装置
  • 1.2.1 市販されているペルチェ素子
  • 1.2.2 電子冷却装置
  • 2.ペルチェ素子の冷却効率を向上させる駆動方法
  • 2.1 ペルチェ素子の駆動法
  • 2.2 直流駆動による冷却効率の向上
  • 3.冷却効率の向上効果の確認実験
  • 3.1 冷却効率の測定に用いた駆動回路
  • 3.2 実験装置
  • 3.3 ゼーベック係数の測定
  • 3.4 ペルチェ素子の抵抗値の測定
  • 4.冷却効率の解析
  • 4.1 ペルチェ素子の熱等価回路
  • 4.2 装置各部の温度解析
  • 4.3 熱抵抗の測定
  • 4.3.1 放熱器の熱抵抗の測
  • 4.3.2 放熱器以外の熱抵抗の測定
  • 4.4 成績係数COPの解析
  • 5.実験結果
  • 5.1 ペルチェ素子の駆動電流
  • 5.2 ペルチェ素子の自己発熱の測定結果
  • 5.3 成績係数COPの測定結果
  • 第11章 パワー系電子機器の放熱・冷却技術

    第1節 相変化を利用した高性能熱輸送デバイスの開発とパワーデバイス等電子機器冷却への応用
  • 1.並列細管型熱輸送デバイスについて
  • 1.1 並列細管型熱輸送デバイスの特徴
  • 1.2 基本構造
  • 1.3 封入作動流体
  • 2.熱輸送特性評価実験装置
  • 3.並列細管熱輸送デバイスの熱輸送特性
  • 3.1 形状・寸法と熱輸送特性の関係
  • 3.2 設置角度と熱輸送特性の関係
  • 3.3 作動流体の封入率と熱輸送特性の関係
  • 3.4 作動流体の種類と熱輸送特性の関係
  • 3.5 内部流動様式と熱輸送特性の関係
  • 4.並列細管熱輸送デバイスの電子機器冷却への応用
  • 第2節 水冷方式を用いたパワーエレクトロニクス素子の冷却基板、フィンの高効率化
  • 1.冷却水流路構造と冷却性能
  • 1.1 実験装置
  • 1.2 実験手法
  • 1.3 実験結果と考察
  • 1.3.1 基板形状の違いと冷却性能
  • 1.3.2 基板内部で発生する消費動力
  • 1.3.3 基板の平均熱伝達係数
  • 2.冷却基板フィン構造の最適化
  • 2.1 実験装置と実験手法
  • 2.2 実験結果と考察
  • 2.2.1 各基板寸法における冷却性能
  • 2.2.2 基板内部での消費動力
  • 2.3 CFDによる伝熱性能解析
  • 3.最適流路幅の研究
  • 3.1 チャネル流れの熱伝達機構に関する研究
  • 3.1.1 実験装置および計測システム
  • 3.1.2 伝熱性能の評価方法
  • 3.1.3 実験結果および考察
  • 3.2 最適流路幅についてのまとめ
  • 第3節 スイッチング電源における開発トレンドと放熱対策への取り組み
  • 1.小型化・長寿命化を実現するための回路技術
  • 1.1 スイッチング電源の開発トレンド
  • 1.1.1 高周波化と効率
  • 1.1.2 共振型電源
  • 1.1.3 さらなる高効率へ
  • 2.小型化・長寿命化を実現するための放熱技術
  • 2.1 放熱技術の変遷
  • 2.1.1 リード部品の放熱
  • 2.1.2 表面実装部品の放熱
  • 第4節 金属溶解用高周波電源における放熱の課題とSiCモジュール搭載技術
  • 1.冷却機構
  • 2.SiCモジュール
  • 3.SiC定格確認
  • 4.温度上昇試験
  • 5.モジュール損失と熱抵抗
  • 6.ヒートシンク選定
  • 7.空冷式高周波電源
  • 8.強制空冷発振試験
  • 9.周波数特性試験
  • 10.SiCタイプ比較試験
  • 11.ファンレス試験
  • 第12章 EV用電池の放熱・冷却技術

    第1節 リチウムイオンバッテリシステムの温度管理・各種方式と必要な熱源・部材
  • 1.駆動電池の温度デバイス
  • 2.温度デバイスの詳細
  • 3.理想的な温度管理デバイス
  • 4.次世代電池
  • 第2節 薄型ヒートパイプと相変化材料を活用した電気自動車向け電池冷却システムの開発
  • 1.本研究の目的
  • 2.実験装置および実験方法
  • 3.実験結果および考察
  • 3.1 ヒーター実験
  • 3.2 外部短絡実験
  • 第13章 車載用電子機器の放熱設計

    第1節 車載ECU・電子機器の高耐熱・放熱実装設計
  • 1.車載電子製品への要求
  • 1.1 車両の使い方変化への対応(COVID-19以降の世界に向けて)
  • 1.2 車両の価値向上からの要求(環境対応)
  • 1.3 電子製品の信頼性確保
  • 1.4 電子製品の小型軽量化
  • 2.車載電子製品の特長
  • 2.1 民生電子製品と接続実装の比較
  • 2.2 アクチュエータ駆動回路の内蔵
  • 3.車載電子製品の小型化と長寿命の両立
  • 4.車載電子製品の実装・熱設計
  • 4.1 回路基板から外部筐体までの熱設計
  • 4.2 搭載環境状況に応じた熱設計と他条件とのバランス設計
  • 5.車載電子製品におけるパワーデバイスの実装・熱設計
  • 5.1 一般的なパワーデバイスの構造
  • 5.2 熱膨張係数を考慮した材料選定と熱伝導率のバランス
  • 6.電動車両におけるインバータのパワーデバイス実装・放熱技術
  • 6.1 小型軽量大容量インバータ実現のための放熱設計
  • 6.2 低熱抵抗を実現するパッケージ実装・熱設計
  • 7.将来に向けて
  • 7.1 機電一体製品の増加
  • 7.2 熱設計の見直し
  • 7.3 樹脂封止技術による接合部の長寿命化
  • 第2節 様々なxEV用パワーユニットと放熱対策 ~2モータシステムに対応した機電一体パワーユニットの開発と放熱対策~
  • 1.xEV用パワーユニット
  • 1.1 xEVの分類
  • 1.1.1 BEV
  • 1.1.2 HEV
  • 1.1.2.1 1モータHEV
  • 1.1.2.2 2モータHEV
  • 1.1.3 48V-ISG
  • 1.2  xEV用パワーユニット
  • 1.2.1 xEV用パワーユニットの機能
  • 1.2.2 xEV用パワーユニットの放熱対策
  • 2.xEV用パワーユニットの放熱対策
  • 2.1 2 モータHEV用パワーユニットの放熱対策
  • 2.1.1 2 モータHEV用パワーユニットの構成
  • 2.1.2 2 モータHEV用パワーユニットの適用技術
  • 2.1.2.1 新型パワーデバイスとモータ制御による低損失化
  • 2.1.2.2 独自回路方式による昇圧コンバータ
  • 2.1.2.3 新しい放熱構造と水密構造
  • 2.2 その他のパワーユニットの放熱対策
  • 2.2.1 1モータHEV用パワーユニット
  • 2.2.1.1 電池空冷排気を活用したパワーユニットの空冷
  • 2.2.1.2 パワーユニットの空冷を実現する長寿命パワーモジュール
  • 2.2.2 48V-ISG用パワーユニット
  • 第3節 EV・HEV用モータにおける冷却・放熱方式と技術動向
  • 1.EV・HEVの熱管理についての概要
  • 1.1 EV・HEVの熱管理に係る要素
  • 1.2 モータの熱管理
  • 1.2.2 モータの熱管理の指標と冷却方式
  • 2.モータ冷却の実際
  • 2.1 密閉型空冷方式
  • 2.2 密閉型水冷方式
  • 2.3 密閉型内部油冷方式
  • 2.4 密閉型内部油冷水冷併用方式
  • 3.マグネットワイヤ(コイルの絶縁部)耐熱性の冷却システムへの影響考察
  • 第4節 車載カメラの耐熱・放熱対策
  • 1.ADAS、自動運転本格化で市場規模が拡大する車載カメラ
  • 1.1 長い眠りから覚醒、現在に蘇りつつあるBEV
  • 1.2 運転支援機能「ADAS」普及を加速した「2010国連国際交通安全宣言」
  • 1.3 ADAS、自動運転実現に必須、多種類のセンサによる「Sensor Fusion」
  • 1.4 自動運転の国際定義と意味合い
  • 1.5 Level 5自動運転まで可能なハードウエアを搭載済のTesla
  • 2.ADAS普遍化、自動運転技術稼働により急拡大する車載カメラ市場
  • 2.1 車載カメラの製品分類と市場動向
  • 3.耐熱性が重要な車載カメラ用Lensの動向
  • 4.車載用に最適、リジッド基板で「耐熱」メタル基板の役割も兼ねる「銅インレイ基板」