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エレクトロニクスの熱対策
−熱問題解決法、熱対策から熱計画へ−

　CPU(中央集積回路)や周辺デバイスの高集積化や高性能化による発熱量の上昇と並んで、製品の小型化、薄型化が進んでおり、単位体積当たりの発熱量が増加し、熱対策が一層困難になってきています。
　 現在利用されている放熱技術には、ファンやヒートパイプ、ヒートシンク、熱交換器などがありますが、騒音の発生、動作に必要なエネルギー、設置空間の制約といった問題があり、静音で小型の放熱技術が求められています。こうした状況で、電子機器の熱問題を解決するためには、電源、回路、ソフトおよび熱解析をすべて連係したトータルな設計活動が必要となっています。
　 本書では電子機器の熱問題、放熱・冷却技術、放熱材料および各デバイスの熱対策について調査し、技術を系統立てて紹介しました。その根底に流れる思想は「熱対策」から出発して、熱のマネージメントを「熱計画」へ発展させようとするものです。

★ 熱問題について電気電子分野の多種多様な製品、素材、プロセスに言及、きわめて技術範囲の広い調査内容(引用文献、200報以上)
★ 内容がよくわかる記述、熱問題解決法を網羅
★ 本書を熱問題に関する辞書・便覧のように部分的に参照することが可能(どこから読み始めてもよい構成)
★ 技術の動向、および将来への発展の可能性が読み取れる内容
　
　　　　□体裁　A4版　339頁
　　　　□税込価格　71,400円　(本体68,000円、消費税3,400円)
　　　　□送料　弊社負担
　　　　□発行　2008年7月

章　目　次

第1章　電子機器の熱問題、放熱・冷却技術のニーズ
第2章　放熱・冷却技術
第3章　放熱材料
第4章　各デバイスの熱対策

詳　細　目　次

頁
第1章　電子機器の熱問題、放熱・冷却技術のニーズ 1
　1.1　電子機器の高発熱化現象 1
　　1.1.1　何ゆえ発熱するか？ 1
　　1.1.2　ノートパソコンの発熱例 2
　　　(1)　ノートPCの発熱量の推移 2
　　　(2)　ノートPCの熱対策 3
　　1.1.3　電子機器の熱設計の歴史 3
　　　(1)　NTT世代(真空管〜TR) 3
　　　(2)　KKD世代(TR〜IC) 3
　　　(3)　Kt＋KKD世代(IC〜LSI) 4
　　　(4)　簡易cad世代(LSI〜VLSI) 4
　　　(5)　本格CAD世代(BGA/CSP) 4
　　1.1.4　実装放熱技術の将来動向−(17)ウェイスティー 6
　　　(1)　製品分野別デバイスの消費電力・熱流束動向 7
　　　(2)　デバイスの消費電力の傾向について 8
　　　(3)　デバイスの熱流束の傾向について 9
　1.2　熱が電子機器に与える影響 9
　　1.2.1　電子機器の温度上昇による不具合 9
　　1.2.2　半導体レーザー装置の冷却 10
　　1.2.3　ノートブックPCの発熱問題 11
　　1.2.4　携帯電話における発熱事例と熱対策 11
　　1.2.5　プリント配線板の絶縁破壊に及ぼす温度の影響 12
　1.3　放熱の基本要素と放熱設計法 14
　　1.3.1　電子機器の放熱経路 15
　　1.3.2　伝熱の基礎式 16
　　1.3.3　低熱抵抗化策 16
　　1.3.4　標準熱設計プロセス 17
　　　(1)　熱的条件の把握 18
　　　(2)　要注意部品を見分ける 18
　　　(3)　部品の温度マージンを定量化する 18
　　　(4)　機器に実装した際の温度マージンを求める 19
　　　(5)　熱対策を検討する 20
　　　(6)　熱対策の検証と評価 21
　　　(7)　熱設計プロセスの効率化 21
　　1.3.5　自然空冷基板に対する最適設計−日本アイ・ビー・エム 21
　　　(1)　銅層のモデル化の考え方 22
　　　(2)　基板構造 22
　　　(3)　数値解析モデル 23
　　　(4)　検証実験による数値解析精度の検証 24
　　1.3.6　カーナビゲーションの高性能化・高密度化による熱対策の必要性と
　　　　　　 放熱技術−富士通テン(株)		 26
　　　(1)　最初に相関を検証した事例 27
　　　(2)　解析結果の誤差要因 27
　　　(3)　相対比較解析活用の効果 28
　　　(4)　ファン風量と内部温度変化の相関 28
　1.4　熱流体解析と可視化 29
　　1.4.1　熱設計とは 29
　　1.4.2　パラメータ解析 30
　　1.4.3　OA機器の熱対策設計技術−キヤノン 32
　　　(1)　モデル化 32
　　　(2)　解析 33
　　　(3)　対策系選択および検証 36
　　1.4.4　電子機器の熱設計におけるシミュレーション 36
　　　(1)　「熱対策」から「熱計画」へ　 37
　　　(2)　高密度実装と熱 37
　　　(3)　高密度実装とともに難しくなる熱解析 38
　　　(4)　これからのシミュレーション 40
　　1.4.5　市販の熱流体解析ソフトについて 42
　引用文献 43

第2章　放熱・冷却技術		 44
　2.1　ヒートパイプ 44
　　2.1.1　原理と構造 44
　　2.1.2　ウイック 45
　　2.1.3　作動液 46
　　2.1.4　マイクロヒートパイプ 47
　　2.1.5　熱輸送量と輸送限界 48
　　　(1)　ウイック限界 48
　　　(2)　ウイック式ヒートパイプの飛散限界 49
　　　(3)　ウイック式ヒートパイプの沸騰限界 49
　　　(4)　音速限界 49
　　2.1.6　ヒートパイプとサーモサイフォン 50
　　2.1.7　ヒートパイプの適用例−古河電気工業 50
　　　(1)　自冷ヒートパイプ放熱方式(放熱板、筐体等からの自然放冷) 50
　　　(2)　風冷ヒートパイプ放熱方式(ファンによる空冷) 51
　　　(3)　高性能ヒートパイプ放熱方式(高性能ヒートパイプ＋フィンによる空冷) 51
　2.2　ヒートシンク 52
　　2.2.1　MPUの放熱機構 54
　　2.2.2　ヒートシンクの製造法 54
　　　(1)　押出形材ヒートシンク−日本アルミ技術研究所 55
　　　(2)　薄肉ヒートシンクの開発−昭和電工 55
　　　(3)　鍛造ヒートシンク−(株)アルファ 56
　　　(4)　パソコン(DIY対象品)用ヒートシンク−
　　　　　 ティーエスヒートロニクス株式会社		 56
　　2.2.3　ヒートシンクの冷却機構 56
　　　(1)　ヒートシンク＋空冷ファンによる冷却−古河電気工業 56
　　　(2)　噴流冷却−日立製作所 59
　　　(3)　衝突噴流冷却−東京電機大学 60
　　　(4)　液体冷却(水冷) 60
　　　(5)　エッジ励起高出力マイクロチップレーザー用水冷ヒートシンク
　　　　　　 −ふくい産業支援センター		 62
　　　(6)　最薄シート状ヒートシンク「ペラフレックス」−古河電気工業 64
　　　(7)　ミスト冷却−エスペック株式会社 64
　　2.2.4　ファイバーラマン用ヒートシンク−古河電気工業 64
　　2.2.5　宇宙機搭載用マイクロチャンネル型ヒートシンク
　　 　 　　 −宇宙航空研究開発機構		 65
　2.3　冷却ファン/空冷 66
　　2.3.1　ファン冷却とは 66
　　2.3.2　ノートパソコンのファン冷却 67
　　2.3.3　実験および流体シミュレーション技術 69
　　2.3.4　軸流ファン形状の自動設計−日立製作所 70
　　2.3.5　空冷ファンにおける回転翼周りの流れの可視化−富山大学 71
　　2.3.6　ファン騒音の評価に関する標準化 72
　　2.3.7　IT機器冷却用ファンの騒音低減−オリエンタルモーター(株) 73
　　2.3.8　騒音対策の実例−ソニー 74
　　2.3.9　電子機器の廃熱を利用した自己冷却システムの開発
　　　　　　 −富山県立大学		 76
　　2.3.10　薄型自然空冷電子機器の筐体傾きによる煙突効果の確認
　　　　　 　 −富山県立大学		 76
　2.4　沸騰冷却 79
　　2.4.1　沸騰冷却器 79
　　2.4.2　沸騰冷却器の冷却性能−富山大学、デンソー 80
　　2.4.3　コンピュータチップ用小形沸騰冷却器−デンソー、富山大学 81
　　2.4.4　二相閉ループ型熱サイフォンによるCPUの冷却に関する研究
　　　　　　−琉球大学、九州大学		 83
　2.5　熱放射 84
　　2.5.1　熱放射(輻射)による伝熱量の計算 84
　　2.5.2　放熱用コーティング剤の特徴−オキツモ(株) 86
　　2.5.3　「クールテック」の放熱効果の実験 87
　　2.5.4　放熱材料「セラックα」の特徴−沖電気工業 88
　2.6　ペルチェ素子　 90
　　2.6.1　ペルチェ素子の原理 91
　　2.6.2　超小型ペルチェ素子の作製−セイコーインスツルメンツ 93
　　2.6.3　表面実装型素子への応用−シチズン時計 94
　　2.6.4　ペルチェ素子の応用例−エコ・トゥエンティーワン 95
　引用文献 97

第3章　放熱材料		 99
　3.1　放熱性封止材 99
　　3.1.1　半導体封止材の歴史 99
　　　(1)　ソフトエラー防止 99
　　　(2)　フィラー高充てんによる低熱膨張化 100
　　　(3)　耐はんだリフロー性の向上 101
　　　(4)　エリアアレイ端子型PKG用封止材 102
　　　(5)　新規難燃システムの開発 103
　　3.1.2　半導体封止樹脂の製造法および信頼性−日東電工、大阪工業大学 104
　　　(1)　耐湿信頼性 104
　　　(2)　低応力性 105
　　　(3)　耐はんだリフロー性 105
　　　(4)　成形性 106
　　3.1.3　エポキシ樹脂組成物における電子構造と分子配向性
　　　　　　 −京セラケミカル		 106
　　3.1.4　放熱性の優れた高次構造制御エポキシ樹脂の開発−日立製作所 111
　　　(1)　ビフェニル基を分子内に有するエポキシ樹脂モノマーを用いた
　　　　　 高熱伝導化		 113
　　　(2)　二つのメソゲンを有するエポキシ樹脂モノマーを用いた高熱伝導化 114
　　3.1.5　球状窒化アルミニウムフィラーの開発−
　　　　　　 産業技術総合研究所、東洋アルミニウム		 117
　　3.1.6　エポキシ樹脂用フィラー/球状シリカの技術動向−電気化学工業 119
　　3.1.7　未硬化スルーホール加工法を用いた高放熱コンポジット樹脂基板
　　　　　　 − 松下電器		 120
　　　(1)　放熱性 121
　　　(2)　穴品質 121
　　　(3)　信頼性 121
　　3.1.8　高放熱樹脂封止型パワーモジュール−三菱電機 122
　　3.1.9　エポキシ樹脂封止材の開発動向−松下電工 124
　　　(1)　半導体の高速化 125
　　　(2)　片面封止パッケージの反り低減技術 125
　　　(3)　成形性向上(ワイヤダメージ低減・狭間充てん性向上) 126
　　　(4)　新しい成形技術の開発 127
　　　(5)　将来に向けての封止材開発課題 128
　3.2　高熱伝導性樹脂 128
　　3.2.1　各種物質の熱伝導率と材料設計 129
　　3.2.2　複合材料の熱伝導性理論 130
　　3.2.3　超軟質熱可塑性エラストマーへのフィラーの添加−リケンテクノス(株) 131
　　3.2.4　シリコーン系熱伝導性材料−信越化学工業 132
　　3.2.5　放熱材料の使用部位と低熱抵抗化 134
　　3.2.6　放熱用シリコーングリース 135
　　3.2.7　金属部品を安価なプラスチックに代替−
　　　　　　大阪市立工業研究所、日本科学冶金		 136
　　3.2.8　フィラー添加による熱伝導率向上 137
　　3.2.9　高熱伝導窒化ケイ素セラミックス−産業技術総合研究所 139
　　3.2.10　高熱伝導率セラミックスを用いた熱制御デバイスにおける熱評価
　　　　　 　 −住友電気工業		 142
　　3.2.11　粉末冶金法により作製したCu合金
　　　　 　　−黒鉛系放熱材料の熱伝導率と放熱性能−住友電気工業		 145
　　　(1)　異方性Cu合金−黒鉛系複合材料の熱伝導率 145
　　　(2)　等方性Cu合金−黒鉛系複合材料の材料設計と作製 146
　　3.2.12　カーボンナノチューブの半導体放熱基板への応用−富士通研究所 146
　　3.2.13　樹脂基カーボンナノファイバー複合材料の熱伝導率
　　　　 　　−東京工業大学		 147
　3.3　放熱性塗料 150
　　3.3.1　放熱用コーティング剤オキツモ「クールテック」−オキツモ(株) 150
　　3.3.2　セラミック放熱素材の開発とアプリケーション−沖電気工業 151
　　3.3.3　放熱材セラックαの「まず貼る一番」 152
　　3.3.4　「まず貼る一番　X CooL」の構造と放熱メカニズム 153
　　3.3.5　セラックαによる放熱設計事例−沖電気工業 155
　3.4　放熱性筐体 158
　　3.4.1　伝熱の原理 158
　　3.4.2　放熱特性に優れた表面処理鋼板−神戸製鋼所 161
　　3.4.3　優れた吸放熱特性を有するクロメートフリー黒色鋼板−JFEスチール 164
　3.5　導電性接着剤 166
　　3.5.1　導電性接着剤概論 166
　　3.5.2　Pbフリー化ではんだ代替用途に脚光 167
　　3.5.3　はんだのPbフリー化の動向 168
　　3.5.4　導電性接着剤の構成と機能−田中貴金属工業 169
　　　(1)　導電性接着剤の種類 170
　　　(2)　導電性接着剤への要求特性 170
　　3.5.5　導電性接着剤の問題点 172
　　3.5.6　導電性接着剤の組成概要 174
　　　(1)　バインダ樹脂 174
　　　(2)　導電性フィラー 175
　　　(3)　潜在性硬化剤・触媒　 176
　　　(4)　添加剤 177
　　　(5)　溶剤 177
　　　(6)　硬化機構の概要 177
　　3.5.7　耐熱性導電性接着剤の技術動向−藤倉化成 178
　引用文献 179

第4章　各デバイスの熱対策		 181
　4.1　半導体パッケージ 181
　　4.1.1　ブロードバンドネットワーク時代の半導体パッケージ技術−ソニー 181
　　4.1.2　InGaP/GaAsコレクタトップHBTへの
　　　　　　裏面放熱エミッタ電極形成技術−日立製作所		 183
　　4.1.3　半導体パッケージの熱特性−日本テキサス・インスツルメンツ(株) 185
　　4.1.4　パワーデバイスの冷却技術−東芝 188
　　4.1.5　電気・熱連成シミュレーションを用いたパワー半導体チップの
　　　　　　温度分布評価−三菱電機		 191
　　4.1.6　パワーモジュール放熱用銅系材料の特性−同和鉱業(株) 194
　4.2　プリント配線板 195
　　4.2.1　プリント配線板設計概論−沖プリンテッドサーキット 195
　　4.2.2　プリント配線板における熱設計−オフィス　ジェーアイ 201
　　4.2.3　プリント配線板とパッケージの熱膨張−富士通 205
　　4.2.4　DirectFETTM−両面放熱の表面実装パッケージ
　　　　　　−インターナショナルレクティファイアージャパン		 206
　　4.2.5　リードフレームモジュールの放熱性−オムロン(株) 209
　　4.2.6　次元積層モジュールにおける熱設計−
　　　　　　超先端電子技術開発機構(ASET)		 212
　4.3　電源装置、インバータ、サーバ等の熱対策 216
　　4.3.1　パワーモジュール 216
　　　(1)　高熱伝導パワーモジュールの開発 −オムロン武雄(株)、
　　　　　　 インダストリアルオートメーションビジネスカンパニー		 216
　　　(2)　パワーモジュールの熱設計−富士電機 219
　　4.3.2　スイッチング電源 221
　　　(1)　電気回路設計との統合によるスイッチング電源の熱設計
　　　　　 −コーセル(株)、富山県立大学		 221
　　　(2)　シミュレーションを用いたスイッチング電源の熱設計−オムロン 222
　　　(3)　MOSFET BGAによるパワーマネジメント回路の小型化
　　　　　 −フェアチャイルドセミコンダクタージャパン(株)		 224
　　4.3.3　大容量通信用機器 226
　　　(1)　IPシステム用1U電源の放熱実装−オリジン電気 226
　　　(2)　高周波高出力GaN-HEMTにおける熱設計−沖電気工業 229
　　4.3.4　インバータ 232
　　　(1)　モジュール型素子のパッケージ構造と温度上昇−東芝 232
　　　(2)　ハイブリッド自動車への応用−東芝 235
　　4.3.5　車載用機器の熱解析、熱対策 237
　　　(1)　熱解析手法の開発−古河電気工業 237
　　　(2)　マイクロヒートパイプを利用した車載用ヒートシンク−古河電気工業 239
　　　(3)　ヒートパイプ技術の車両、自動車への応用−日立電線 240
　　4.3.6　大電力制御盤用小形冷却器−富山大学、(株)デンソー 241
　　4.3.7　水冷技術と空冷技術の葛藤 242
　　　(1)　水冷が手軽に導入できる時代に 242
　　　(2)　水冷で騒音を抑える 243
　　　(3)　熱設計の手間を省く 243
　　　(4)　より安く、より小型軽量に 243
　　　(5)　水冷モジュールをよりスリムに 243
　　　(6)　抜き差し可能モジュールやホット・スポット対策まで 243
　　4.3.8　サーバの冷却技術 244
　　　(1)　水冷式静音サーバの開発−NEC 244
　　　(2)　サーバの冷却技術とCFD−富士通 245
　4.4　家電 248
　　4.4.1　高熱にあえぐデジタル家電 248
　　　(1)　空冷ファンの売り上げが増大 248
　　　(2)　ノートパソコンに水冷式放熱機構を導入 248
　　　(3)　ゲーム機やPDPも水冷に？ 248
　　　(4)　「ツイン・ファン」も登場 248
　　　(5)　塗った場所から赤外線で逃がす 249
　　4.4.2　PDP関連の放熱設計 249
　　　(1)　PDP用アルミ放熱材の開発−昭和電工 249
　　　(2)　日立プラズマテレビWoooシリーズの放熱設計−日立製作所 251
　　4.4.3　液晶ディスプレイ関連の放熱設計 254
　　　(1)　高熱伝導性液晶用アルミニウム反射板−昭和電工 254
　　　(2)　FPD、液晶ディスプレイの熱対策−昭和電工 256
　　4.4.4　デジカメの構造物の材料に各種金属を選定
　　　　　　 −オリンパス光学工業		 258
　4.5　パソコン 259
　　4.5.1　パソコンにおける熱対策の重要性 259
　　　(1)　Pentium4が与えた衝撃 259
　　　(2)　Pentium4での解決策 260
　　　(3)　今後の発熱量の予想 261
　　　(4)　ノートパソコンの小型化、薄型化への変遷
　　　　　 −NECパーソナルプロダクツ(株)		 262
　　　(5)　静音化の要求 262
　　4.5.2　ノートパソコンに見る熱対策 262
　　　(1)　放熱部の冷却方式の変遷−富士通 262
　　　(2)　ノートパソコンの熱流体解析−NECパーソナルプロダクツ(株) 263
　　　(3)　ノートパソコンの放熱設計事例 264
　　4.5.3　ノートブックPC用高性能空冷放熱システム−日本アイ・ビー・エム 264
　　4.5.4　ヒートパイプによるノートブックPCの冷却−(株)フジクラ 273
　　4.5.5　水冷システム搭載パソコンおよびサーバ−日立製作所 279
　　4.5.6　液冷と暗号が変える2004年型パソコンの姿 287
　　　(1)　4G〜5GHz動作時代の到来 287
　　　(2)　デスクトップ用液冷装置が普及 288
　　　(3)　ノート向け液冷の課題はパソコンの厚みか 289
　　　(4)　CPUとOSを核にセキュア化 290
　　4.5.7　開けてわかったPS3のすべて 290
　　　(1)　換気扇のような冷却ファン 291
　　　(2)　ラジエータのような放熱フィン 292
　　　(3)　発売半年前に全面的に見直し 292
　　　(4)　直径3mmの極太プラグ 293
　4.6　モバイル機器 293
　　4.6.1　携帯電話における発熱事例・熱対策と今後の動向−(株)NTTドコモ 293
　　4.6.2　移動体通信用パワー半導体モジュールの放熱設計(その1)
　　　　　　 −日立製作所		 298
　　　(1)　パワー系素子搭載モジュールの構造 298
　　　(2)　解析領域 299
　　　(3)　定常解析における半導体モジュールの温度分布 300
　　4.6.3　移動体通信用パワー半導体モジュールの放熱設計(その2)
　　　　　　 −日立製作所		 301
　　　(1)　解析領域 301
　　　(2)　発熱領域間距離の最適化 302
　　　(3)　発熱領域間の中心間隔の影響 302
　4.7　二次電池 304
　　4.7.1　リチウムイオン電池概論 304
　　　(1)　リチウムイオン電池の反応 305
　　　(2)　リチウムイオン電池の熱測定 305
　　　(3)　電池の発熱の理論式 306
　　　(4)　電池の発熱挙動 306
　　4.7.2　電池の温度上昇の推定と実験値との比較−豊橋技術科学大学 307
　　4.7.3　ニッケル水素二次電池の充電時の発熱挙動−豊橋技術科学大学 315
　　4.7.4　小型機器向けに品揃えを競う充電用IC 317
　　4.7.5　リチウムイオン二次電池の発火事故について 318
　　　(1)　ソニーの電池不具合問題 318
　　　(2)　他の電池メーカーでの製品事故 321
　4.8　LED 322
　　4.8.1　LEDの実装方式および放熱における課題 322
　　　(1)　LEDの歴史 322
　　　(2)　LEDの基本特性 323
　　　(3)　LEDの素子形状とその実装方式 323
　　　(4)　接合と熱抵抗 325
　　4.8.2　白色LEDの特徴 326
　　4.8.3　白色LEDの用途開発 329
　　　(1)　照明機器・自動車用灯具 330
　　　(2)　カメラ付き携帯電話機 331
　　4.8.4　LEDバックライトの放熱技術−ソニー 332
　引用文献 337
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