高密度時代の熱対策技術

ヒートパイプから液冷まで

高密度実装と基板放熱の重要性

1980年代初頭の電子機器は，半導体の集積度が低く，1チップ当たりの消費電力も数ワット程度でした． 当時のZ80などのCPUは自然空冷でも十分に冷却でき，基板全体の消費電力に占める割合も小さかったです． 発熱はディスクリート部品に分散しており，特定の素子を重点的に冷却する必要は少なかったです．

現在の電子機器は表面実装技術の進展により，小型部品を高密度に実装する方式が主流です． 部品の大部分は裏表両面に配置され，基板との熱的結合が強くなっています． その結果，発生した熱の90%以上が基板を経由して放熱されることが確認されています． 特にPBGAやQFNパッケージでは，底面から基板に流れる熱が支配的であり，放熱設計は基板構造に大きく依存します．

発熱集中と冷却デバイスの進化

集積度が高まるにつれて，SoCやパワーマネジメントICのように特定のデバイスに発熱が集中する傾向が強まっています． 現在では1チップで300Wから400Wを消費するケースもあり，基板放熱だけでは対応が困難です． このため，ヒートシンクやファンに加え，相変化デバイスやベイパ・チャンバ（Vapor Chamber）などの熱輸送デバイスが広く使われています． デバイス内部で液体が蒸発・凝縮を繰り返すことで効率的に熱を移動させる方式です． また，熱伝導率の高い液体金属グリースをTIM（熱インターフェース材料）として適用する事例も増えています．

冷却技術の代表例

1. ヒートパイプ：蒸発と凝縮による熱輸送で高効率に動作
2. ベイパ・チャンバ：面方向に均一に熱を拡散させる構造
3. 液体金属グリース：高熱伝導率により界面抵抗を低減
4. 液冷システム：ポンプ循環によって大電力デバイスを安定冷却

今後の設計上の留意点

電子機器の小型化と高速化に伴い，筐体内部の空気流路設計や基板多層化による熱拡散経路の確保がますます重要です．風速や騒音とのトレードオフを考慮したファン選定，I$^$2C制御による動的な冷却管理も導入されています．また，$V_{in}$や負荷条件の変動によって消費電力が変化するため，熱設計は定常条件だけでなく過渡的な動作を含めて評価する必要があります．

〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

• 1977年 早稲田大学理工学部 機械工学科卒
• 1977年 沖電気工業に入社．電子交換機やミニコン，パソコン，プリンタ，FDDなどの冷却方式開発や熱設計に従事．その後，電子機器用熱解析ソフトの開発，CAD／CAM／CAEおよび統合PDMの構築などを担務
• 2007年　サーマル・デザインラボを設立．上流熱設計と熱解析の両輪による「熱問題の撲滅」を目指し，製品の熱設計，熱対策支援，プロセス改革コンサルティング，研修などを手がける．

著書

1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. 高密度実装時代の熱設計教科書，トランジスタ技術2020年8月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［KIT］ミリ波5G対応アップ：ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．