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» 2010年07月01日 00時00分 UPDATE

局所冷却システムで電力コストを削減:ICパッケージに冷却器を組み込む (1/3)

電子機器を設計する上で、熱対策は常に大きな課題となる。これまで、その手法としては、ヒートシンクや冷却ファンなどを用いるのが一般的であった。しかし最近になって、従来のシステムとは異なる、TEC(熱伝冷却器)を用いた局所冷却システムに注目が集まっている。IC/電子部品のパッケージに組み込むなどした局所冷却システムを導入することにより、ダイ単体のレベルからデータセンターのレベルまで、広い範囲にわたって電力コストを削減できる可能性があるのだ。

[Paul Magill (米Nextreme Thermal Solutions社),EDN]

最大の課題は熱

 エレクトロニクス業界の技術者は、機器の設計を行っていく上でさまざまな課題に直面する。そうした課題の中でも、熱の問題が最も重要になってきていると筆者は考えている。技術者は、機器を設計する際には、まず、システムの中を流れる熱の様子と、その流れを支配する力について考察する必要があるだろう。

 これまで、熱の問題は機器設計者が個々に対処すべきものだった。また、機器設計者にとっては、熱の問題への対策は、設計プロセスの最後のほうで追加する性質のものでしかなかった。しかし、最近になって熱の問題が深刻化したことにより、このような取って付けたようなやり方では十分に対応できなくなっている。

 現在の機器設計における熱対策では、最終製品に近い状態になってから深刻な問題が発生することがないように、設計プロセスの初期の段階で、機器内部における熱の移動や、機器外部への熱の放出を行うための手法を検討しておかなければならない。一般的に、機器全体の動作温度範囲は、内部で用いる電子部品やモジュールのそれよりも狭いが、このような検討を初期に行っておくことは重要である。また、機器レベルで採用する熱対策の手法は、電子部品レベルで行う対策よりも高コストになる場合が多い。

受動的な冷却システム

 電子部品やモジュール、そしてこれらを組み合わせて実現された機器は、それぞれが備える機能が増加しているにもかかわらず、そのサイズは縮小し続けている。このような高密度化に伴って、電子部品/モジュール/機器は、従来と比べて狭いスペース内で多くの熱を発生するようになる。そして、それが著しい温度上昇につながり、電子部品/モジュール/機器それぞれのレベルで故障を引き起こす恐れがある。こうした電子機器で起きる熱の問題には、個々の機器の条件に応じた冷却手法が必要になる。

 冷却の手法は、大まかに受動的なものと能動的なものの2つに分けることが可能である。まず、受動的な冷却システムでは、ヒートシンク、熱界面材料、ヒートスプレッダなど、冷却用の部品を用いる。これらの部品は、機器の内部から熱を除去する上でそれぞれ異なる形で機能する。

 ヒートシンクとは、熱源に対して物理的または熱的に接触することにより、熱を吸収して放散する周辺環境(水や空気など)や物体のことである。この熱の放散は、熱を直接的または放射的に伝達することによって生じる。一般的に、ヒートシンクの性能を向上するには、使用する材料として熱伝導率の高いものを選択したり、部品の表面積を大きくしたりする。

 次に、熱界面材料とは、マイクロプロセッサとヒートシンクなどの間で熱の伝達効率を上げるもののことだ。マイクロプロセッサなどでは、そのパッケージ表面やヒートシンクなどの表面を通じて熱が伝達することになるが、それら表面の間のギャップを埋めるのに用いる。最もよく使用される熱界面材料は、ホワイトペースト、つまり熱グリースである。この熱グリースとしては、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、または窒化ホウ素などを含むシリコンオイルが一般的に用いられる。

 最後に、ヒートスプレッダとは、ほとんどの場合、熱伝導率の高い単なる金属プレートのことを指す。例えば、マイクロプロセッサのパッケージの上面を覆っている金属プレートなどである。熱伝導性に異方性を持つカーボン素材をベースとしたヒートスプレッダが使用される場合もある。ヒートスプレッダは、熱交換器として機能し、局所的に存在する熱を、2次的な大きな熱交換器に移動させることができる。

 これらの受動的な冷却システムにおいて、熱は温度の高いほうから低いほうに移動する。そして、熱が流れる速度は温度差に比例する。

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