最新熱設計手法と放熱対策技術

総論　電子機器の熱対策の現状と課題　　国峯尚樹

1　電子機器の進歩と熱問題の深刻化

　　1.1　熱設計の目的と環境
　　1.2　技術進歩と熱設計の変化
　　1.3　熱設計は「基板」が重要に

2　熱によって引き起こされる問題

　　2.1　電子機器の温度を制限する要因
　　　2.1.1　機能的障害
　　　2.1.2　寿命の低下
　　　2.1.3　安全性の阻害
　　2.2　温度上限の例

3　機器の放熱経路と熱対策

　　3.1　電子機器の放熱経路
　　3.2　通風筐体と密閉筐体の放熱経路の違い
　　　3.2.1　通風筐体
　　　3.2.2　密閉筐体

4　熱対策の分類

　　4.1　部品の温度を支配するパラメータ
　　4.2　熱対策ツリー

5　熱設計プロセス

　　5.1　熱設計と熱解析
　　5.2　熱設計の入出力とプロセス

第1編　新しい熱設計/熱対策手法

第1章　開発設計における熱設計手法とプロセス

1　製品設計に適した熱設計手法のポイント　　藤田哲也

　　1.1　電子機器の動向と熱問題の変遷
　　1.2　製品開発における熱設計の目的
　　1.3　製品設計に必要な熱設計環境
　　　1.3.1　目的の明確化
　　　1.3.2　目標の明確化
　　　1.3.3　必要スキルの明確化
　　　1.3.4　必要ルールの明確化
　　　1.3.5　標準設計順序の明確化
　　　1.3.6　必要情報とその入手方法の明確化
　　1.4　熱抵抗を指標とした製品の熱設計
　　　1.4.1　製品の変化と熱設計手法の変化
　　　1.4.2　熱抵抗による部品温度計算
　　　1.4.3　熱抵抗と伝熱三態
　　1.5　製品設計プロセスに適した熱設計
　　　1.5.1　熱設計とそのジレンマ
　　　1.5.2　製品設計プロセスに適した熱設計

2　開発現場の熱設計―熱の収支計算とファンの選定―　　鳳　康宏

　　2.1　はじめに
　　2.2　見積りに必要な情報
　　2.3　計算の進め方
　　2.4　基礎のおさらい
　　2.5　筐体表面からの放熱
　　2.6　換気
　　2.7　ファンの選定
　　2.8　煙突効果による自然空冷
　　2.9　まとめ

第2章　最近の放熱材料と熱対策手法

1　新しい熱伝導シートとその使い分け　　遠藤晃洋

　　1.1　はじめに
　　1.2　熱伝導シートの種類
　　1.3　熱伝導シートに求められる特性
　　1.4　放熱材料におけるシリコーンの優位性
　　1.5　シリコーン高硬度放熱ゴムシート
　　1.6　シリコーン低硬度放熱パッド
　　1.7　シリコーン放熱フェイズチェンジマテリアル
　　1.8　放熱両面粘着テープ
　　1.9　おわりに

2　グラファイトシートの効果的使用　　筒井一喜,西川泰司,稲田　卓

　　2.1　はじめに
　　2.2　グラファイトの特徴
　　2.3　高熱伝導性GSの作製と物性
　　2.4　グラファイト複合シート
　　2.5　高熱伝導性GSの特性
　　　2.5.1　各種材料との放熱特性の比較
　　　2.5.2　耐折れ強さと折り曲げ状態での放熱特性
　　　2.5.3　GSサイズの熱拡散効果への影響
　　2.6　GSのアプリケーションへの応用例
　　　2.6.1　スマートフォンにおけるヒートスポットの緩和
　　　2.6.2　液晶ディスプレイにおけるヒートスポットの緩和
　　　2.6.3　有機EL照明における面内温度の均一化
　　2.7　おわりに

3　非シリコーン系放熱グリース　　渡辺佳久

　　3.1　はじめに
　　3.2　熱伝導グリースの特徴
　　　3.2.1　グリースタイプTIMの特徴
　　　3.2.2　熱伝導グリースの課題
　　3.3　非シリコーン系熱伝導グリース
　　　3.3.1　組成
　　　3.3.2　非シリコーン系熱伝導グリースの特長
　　3.4　おわりに

4　高熱伝導樹脂LCP　　岡本　敏

　　4.1　はじめに
　　4.2　液晶ポリマー(LCP)の特徴
　　　4.2.1　LCPの薄肉成形性
　　　4.2.2　LCPの熱伝導性
　　　4.2.3　薄肉成形性と高熱伝導性の両立を可能にしたLCP(RB100)
　　　4.2.4　LCPの成形品の構造(スキンーコア構造の影響)
　　　4.2.5　LCPの機械強度
　　　4.2.6　LCPの絶縁性
　　　4.2.7　LCPの難燃性
　　4.3　液晶ポリマー(LCP)の高熱伝導組成物
　　4.4　LCP高熱伝導組成物の用途展開
　　4.5　まとめ

第3章　半導体デバイス・基板の放熱対策

1　マイクロプロセッサの熱設計　　西　剛伺

　　1.1　消費電力
　　　1.1.1　CMOS回路の消費電力
　　　1.1.2　TDP
　　1.2　温度仕様
　　　1.2.1　ジャンクション温度
　　　1.2.2　ノートブック型PC向けのマイクロプロセッサの温度仕様
　　1.3　ノートブック型PC向けのマイクロプロセッサの熱制御
　　　1.3.1　通常時の熱制御
　　　1.3.2　P-state制限による熱制御
　　　1.3.3　サーマルシャットダウン

2　半導体パッケージの熱対策　　松木隆一

　　2.1　熱対策の必要性とその背景
　　2.2　半導体パッケージの熱抵抗について
　　2.3　パッケージからの放熱経路
　　2.4　パッケージ別の放熱対策
　　　2.4.1　リードフレーム・パッケージ
　　　2.4.2　PBGA(Plastic Ball Grid Array)
　　　2.4.3　EBGA(Enhanced Ball Grid Array)
　　　2.4.4　エンベデットパッケージ
　　2.5　半導体パッケージの熱特性評価に関する課題

3　プリント配線板の放熱対策　　水科秀樹

　　3.1　はじめに
　　3.2　一般的なプリント配線板と熱の伝わり方
　　3.3　プリント配線板の構成要素からみた熱対策手法
　　3.4　プリント配線板における放熱対策基板と温度低減効果例
　　　3.4.1　高熱伝導材料基板とその温度低減例
　　　3.4.2　高熱伝導性ソルダーレジスト基板とその温度低減例
　　　3.4.3　厚銅基板(サーマルスループレート基板)とその温度低減例
　　3.5　最後に

4　高放熱金属ベース基板　　岡本　敏

　　4.1　はじめに(金属ベース基板について)
　　　4.1.1　放熱基板の重要性
　　　4.1.2　放熱基板の種類と特徴
　　　4.1.3　金属ベース基板の構成と絶縁層の役割
　　4.2　金属ベース基板の絶縁層への液晶ポリマー(LCP)の適用
　　　4.2.1　絶縁層マトリックスとしてのLCPの有用性
　　　4.2.2　可溶性LCP
　　4.3　可溶性LCPを用いた高放熱基板
　　　4.3.1　可溶性LCPを用いた放熱基板の特徴
　　　4.3.2　用途展開
　　4.4　まとめ

第4章　最新の冷却デバイス

1　最近のファンとその使用方法　　相沢吉彦

　　1.1　はじめに
　　1.2　装置の圧力損失特性(装置のシステムインピーダンス)
　　　1.2.1　必要換気風量の算定,装置圧力損失特性の推定
　　　1.2.2　直列配置と並列配置
　　1.3　最近のファン
　　　1.3.1　二重反転ファン
　　　1.3.2　回転速度制御ファン
　　　1.3.3　低消費電力ファン
　　　1.3.4　長寿命ファン
　　　1.3.5　防水ファン,防油ファン
　　　1.3.6　低振動ファン
　　　1.3.7　規格

2　新しいヒートパイプ　　島田　守

　　2.1 はじめに
　　2.2　ヒートパイプの原理
　　2.3　ヒートパイプの特徴
　　2.4　新しい薄型ヒートパイプ
　　2.5　ヒートパイプの応用事例

3　薄型軽量ヒートシンク「マジックヒートシンク」の開発　　熊谷政晴

　　3.1　はじめに
　　3.2　空冷シリーズ
　　3.3　LED等基板一体シリーズ
　　3.4　水冷シリーズ
　　3.5　水冷ジャケットの性能研究について

4　液冷システムについて　　橘　純一

　　4.1　はじめに
　　4.2　液冷システム全般について
　　4.3　液冷システムを構成する部材
　　4.4　液冷ヒートシンク
　　　4.4.1　ステンレス製ヒートシンク
　　　4.4.2　銅製ヒートシンク
　　　4.4.3　アルミニウム製ヒートシンク
　　4.5　熱交換器
　　4.6　ポンプ
　　4.7　配管・継手
　　4.8　冷却液
　　4.9　まとめ

5　ペルチェモジュール　　今泉久朗

　　5.1　はじめに
　　5.2　ペルチェモジュールの特徴と利点

第2編　製品に見る熱設計・熱対策事例

第1章 LED照明の放熱技術動向

1　 LED照明で必要な放熱設計　　安田丈夫

　　1.1　白色LEDの発達と照明への応用
　　1.2　発光効率とエネルギーバランス
　　1.3　LED光源の熱解析の例

2　LED電球の放熱特性分析(総合評価)　　今井康雄

　　2.1 はじめに
　　2.2 LED照明の劣化
　　2.3 LEDデバイスの総合解析
　　　2.3.1 故障・劣化要因の解析
　　　2.3.2 品質・信頼性評価
　　　2.3.3 総合解析システムの構築
　　2.4 総合解析に用いられる主な手法と事例
　　　2.4.1 特性評価
　　　2.4.2 故障解析
　　　2.4.3 良品(構造・プロセス診断)解析
　　　2.4.4 材料分析
　　　2.4.5　熱過渡解析
　　　2.4.6　LED照明の信頼性評価試験
　　　2.4.7　その他の不具合事例

3　LED照明の熱対策におけるシミュレーション技術の応用　　増田俊輔

　　3.1　はじめに
　　3.2　熱対策とは
　　　3.2.1　機械的ダメージ
　　　3.2.2　電気回路・素子の動作不良
　　　3.2.3　部材の劣化や部品の寿命
　　3.3　LEDの熱対策
　　3.4　熱対策方法の有効性
　　3.5　まとめ

4　LEDヘッドランプの熱設計　　菊池和重

　　4.1 はじめに
　　4.2　ヘッドランプ用白色LEDの基準点温度
　　4.3　LEDヘッドランプ用ヒートシンク
　　　4.3.1　ヒートシンクの基本形状
　　　4.3.2　ヒートシンクのベース面
　　　4.3.3　熱流体シミュレーション
　　　4.3.4　熱流体シミュレーションによるヒートシンクの設計
　　　4.3.5　フィン形状
　　4.4　ヒートシンクの材料
　　4.5　放熱効果を促進する方法
　　　4.5.1　アルマイト処理
　　　4.5.2　サーマルグリス
　　4.6　ヒートシンクの熱設計に関連するその他の検討事項
　　　4.6.1　発熱量について
　　　4.6.2　従来光源との組み合わせ
　　4.7　将来の放熱機器

5　LED放熱技術の開発動向　　安田丈夫

第2章　情報家電の熱設計

1　ノートブックPCの熱設計　　中村聡伸

　　1.1　はじめに
　　1.2　筐体カバーの表面温度のスペックの設定
　　　1.2.1　温度スペック
　　　1.2.2　テスト方法とテスト結果
　　　1.2.3　パーム・レストの温熱感分布図
　　1.3　ノートブックPCの熱設計　
　　　1.3.1　ヒートパイプによる熱設計
　　　1.3.2　冷却ファンによる熱設計
　　　1.3.3　断熱による熱設計
　　1.4　おわりに

2　初期型PS3の熱設計　　鳳　康宏

　　2.1 はじめに
　　2.2　熱的要求仕様
　　2.3　冷却ユニット概要
　　2.4　遠心式ファンにとって最適なヒートシンクとは
　　2.5　初期型PS3のヒートシンク
　　2.6　ヒートシンク設計の工夫
　　2.7　主要LSI以外の実装部品の冷却
　　2.8　外装表面の冷却
　　2.9　ファン回転数制御
　　2.10　まとめ

3　監視カメラの熱設計　　中野洋一

　　3.1　監視カメラの種類
　　3.2　監視カメラの構成
　　　3.2.1　ボックスカメラの構造
　　　3.2.2　ドームカメラの構造
　　3.3　設計条件の確認
　　3.4　放熱設計
　　　3.4.1　ボックスカメラの放熱経路
　　　3.4.2　ボックスカメラの放熱設計
　　　3.4.3　ドームカメラの放熱経路
　　3.5　熱設計の流れ

4　パワーデバイスの放熱技術動向　　岩淵栄樹

　　4.1　パワーデバイスの冷却方式
　　　4.1.1　インバータの冷却方式
　　　4.1.2　自然空冷方式の熱技術動向
　　　4.1.3　強制空冷方式の技術動向
　　4.2　パワーデバイスの熱設計手法
　　　4.2.1　熱抵抗モデル
　　　4.2.2　風速計算
　　　4.2.3　冷却フィンの熱抵抗計算
　　4.3　装置内部の放熱技術動向

第3章　EV・HEVの放熱技術動向

1　新型プリウスPCU用直冷式冷却器の開発　　小原英靖,森　昌吾,藤　敬司,柳本　茂,古川裕一

　　1.1 はじめに
　　1.2 目標
　　1.3 製品概要
　　1.4 従来構造との対比
　　1.5 技術課題とその対策
　　　1.5.1 熱応力の発生
　　　1.5.2 形状変動
　　1.6 まとめ
　　1.7　今後の期待

2　両面冷却PCU　　神谷有弘

　　2.1　自動車用制御システムの動向と放熱技術の重要性
　　2.2　EV・HEV車における電子製品への要求
　　2.3　PUCのインバータに使われる放熱設計の考え方
　　　2.3.1　放熱経路の低熱抵抗化の例
　　　2.3.2　放熱経路の拡張,拡大化の例
　　2.4　両面放熱方式における実装技術
　　　2.4.1　構造と実装技術における課題
　　　2.4.2　具体的な解決策(事例)
　　2.5　まとめ

3　ECU基板の熱設計事例　　篠田卓也

　　3.1　はじめに
　　3.2　ECUの概要
　　　3.2.1　小型化による放熱技術の必要性
　　　3.2.2　エンジンの高性能化による放熱技術の必要性
　　　3.2.3　ECUの内部構成
　　3.3　背景と放熱設計構築のポイント
　　3.4　放熱対策の整理
　　　3.4.1　回路部
　　　3.4.2　筐体部
　　3.5　熱シミュレーションの概要
　　　3.5.1　熱シミュレーション導入の課題
　　　3.5.2　ECUの製品設計が多岐分野にわたる
　　3.6　シミュレーションモデルの極意
　　　3.6.1　接触熱抵抗の存在
　　　3.6.2　入力物性値のコツ
　　　3.6.3　配線パターンのモデル化
　　　3.6.4　電子の電力測定
　　　3.6.5　素子のフィルタリング
　　　3.6.6　3D筐体モデル簡略化
　　3.7　最適化手法
　　　3.7.1　最適化技術の状況
　　　3.7.2　電子部品配置におけるレイアウト最適化適用事例
　　3.8　終わりに

4　HV・EV向けシリコーン放熱材料　　山田邦弘

　　4.1　はじめに
　　4.2　シリコーンの性質
　　4.3　シリコーン放熱材料の組成
　　4.4　シリコーン放熱材料の種類・用途
　　4.5　車載用各種放熱材料の特徴
　　　4.5.1　放熱グリース
　　　4.5.2　放熱シート
　　　4.5.3　放熱フェイズチェンジマテリアル
　　4.6　おわりに

5　車載用IGBTモジュールの放熱　　西浦　彰

　　5.1　車載IGBTの開発トレンド
　　5.2　IGBTの放熱
　　5.3　車載モジュールに必要な信頼性
　　5.4　パワーモジュールの冷却技術
　　5.5　まとめ

6　カーナビゲーション機器の熱解析・熱設計　　原　義勝

　　6.1　はじめに
　　6.2　製品設計へのCFD活用技術の開発と実用化
　　　6.2.1　熱流体解析技術の開発
　　　6.2.2　熱流体解析の実用化
　　6.3　更なる上流での熱設計
　　　6.3.1　『熱を考えた設計』への移行
　　　6.3.2　『熱設計プロセス改革』に向けた取り組み
　　6.4　おわりに

第3編　製品信頼性のキーとなる温度・熱抵抗の予測と計測

第1章　半導体パッケージの温度・熱抵抗測定

1　誤差の少ない熱電対の使い方　　安部可伸

　　1.1　熱電対による測定
　　1.2　半導体パッケージのはんだ付温度測定
　　1.3　ICジャンクション温度の計測
　　1.4　伝熱面や放熱面などの温度測定
　　1.5　データロガー

2　熱特性の評価方法と信頼性への適用　　中村隆治

　　2.1　はじめに
　　2.2　デバイスの熱特性評価方法
　　　2.2.1　熱抵抗測定方法
　　　2.2.2　熱電対を利用した方法
　　　2.2.3　VF法による飽和熱抵抗測定方法
　　　2.2.4　熱過渡解析による測定法
　　　2.2.5　その他の評価方法
　　2.3　熱解析の信頼性評価への適用
　　　2.3.1　部品の発熱に関する熱解析の適用
　　　2.3.2　LSI 実装の剥離評価への適用
　　　2.3.3　熱過渡解析の電子部品・デバイスへの展開
　　　2.3.4　新しい測定方法への取り組み
　　　2.3.5　実装基板の故障解析
　　　2.3.6　赤外線温度測定を用いた実装基板の劣化診断
　　2.4　今後の熱解析への期待

3　熱抵抗測定装置　　羅　亜非

　　3.1　熱測定に関する組織と規格
　　3.2　チップの接合温度を測定する基本原理(JEDEC JESD51-1)
　　3.3　パッケージ熱抵抗の測定(θjc)
　　3.4　過渡熱測定
　　3.5　構造関数で結果解析を行う
　　3.6　ダイボンド剤の劣化試験解析
　　　3.6.1　TIM材料評価
　　3.7　まとめ

4　赤外線サーモグラフィ装置　　佐藤　剛

　　4.1　はじめに
　　4.2　赤外線サーモグラフィ(放射温度計)の原理
　　4.3　放射温度計の種類と用途
　　4.4　サーモグラフィによる測定
　　　4.4.1　機種選定
　　　4.4.2　測定までの手順
　　4.5　赤外線サーモグラフィ(放射温度計)による測定の工夫と注意点
　　　4.5.1　放射率の設定
　　　4.5.2　測定角度
　　　4.5.3　雑音(周辺温度の影響)
　　　4.5.4　焦点合わせ
　　　4.5.5　装置内部の測定

第2章　熱流体解析ソフト利用の今後

1　電子機器・電子部品のモデリングのポイント　　梶田　欣

　　1.1　はじめに
　　1.2　解析の流れ
　　　1.2.1　モデル作成
　　　1.2.2　メッシュ生成
　　　1.2.3　計算
　　　1.2.4　結果の検討
　　1.3　メッシュ生成
　　　1.3.1　変化の大きい場所を細かくする
　　　1.3.2　層流の壁近傍は細かく、乱流の壁近傍は最適な大きさにする
　　　1.3.3　メッシュ形状
　　1.4　電子部品のモデリング
　　1.5　小型部品
　　1.6　基板のモデリング
　　1.7　ファン

2　熱解析と設計パラメータの最適化　　宮崎　研

　　2.1　　はじめに
　　2.2　設計パラメータ
　　2.3　目的関数
　　2.4　解析ソフトの機能要件
　　2.5　設計パラメータの最適化
　　2.6　パラメータ最適化を行うための解析ソフト
　　2.7　コスト関数
　　2.8　ヒートシンク形状の最適化事例
　　2.9　ファン設置に関する最適化事例
　　2.10　おわりに

3　製造プロセスにおける熱流体解析の活用　　大木　滋、垣野　学

　　3.1　はじめに
　　　3.1.1　背景
　　　3.1.2　製造プロセスシミュレーション
　　3.2　製造プロセスにおける各種熱流体解析の活用
　　　3.2.1　樹脂成形解析
　　　3.2.2　熱プロセス解析
　　　3.2.3　接合材の塗布解析
　　3.3　次世代ディスプレイにおける熱解析活用事例
　　　3.3.1　背景
　　　3.3.2　解析の目的
　　　3.3.3　現状の課題
　　　3.3.4　システムの特徴
　　　3.3.5　解析結果
　　3.4　おわりに

第3章　EXCELを活用した熱設計計算

1　熱回路網法とその応用　　国峯尚樹

　　1.1　熱回路網法とは
　　1.2　熱回路網法の基本原理
　　1.3 伝熱の基礎式と熱抵抗・熱コンダクタンス
　　1.4.　熱伝導マトリクスの組み立てと連立方程式の解法
　　1.5　筐体内の部品のジャンクション温度

2　EXCELを使った熱流体解析　　富村寿夫

　　2.1 はじめに
　　2.2 EXCEL解析の特徴
　　2.3 EXCEL解析のための基本事項
　　　2.3.1 ファンクションキー[F4]によるセルの参照の切換え
　　　2.3.2 ワークシート分析による解析プロセスの効率化
　　　2.3.3 セルの相対参照と絶対参照
　　　2.3.4 セルの循環参照による反復計算の実行
　　　2.3.5 ファンクションキー[F9]による反復計算の実行と反復プロセスの可視化
　　2.4 EXCEL解析の適用例
　　　2.4.1　定常2次元熱伝導
　　　2.4.2　非定常1次元熱伝導
　　　2.4.3　密閉空間内の定常2次元自然対流
　　　2.4.4　熱伝導,対流およびふく射が複合した定常1次元熱伝達
　　　2.4.5　その他の解析例