1.1

熱対策から熱解析、そして熱設計へ

第 1 章 製品開発のキー技術となった「熱設計」〜部品の小型化と製品の多様化が熱設計を変えた〜

1.1

熱対策から熱解析、そして熱設計へ

1946 年に最初のコンピュータ「ENIAC」が作られたときにも熱問題が発生し、真空管の冷却に合計 18 kW の換気装置が設けられていたそうです。
以来、電子機器の熱問題は絶えることなく続いてきました。「熱問題は重要」といわれつつ、長きにわたって「事後処理」でした。試作して温度を測ってから対策を考えるという「熱対策型プロセス」がとられてきました。
時代が変わり、マーケットが求める高性能化、小型軽量化を低価格で迅速に実現させることが至上命題になりました。そこで「フロントローディング」の掛け声の下、熱流体シミュレーションを行って温度を予測し、図面にフィード

ENIAC コンピュータ
1第1章

製品開発のキー技術となった「熱設計」

バックする「熱解析主導プロセス」が浸透してきました。
しかし、最初の設計が不適切だと熱流体シミュレーションは、極めて非効率な反復を伴うことになります。熱設計とは温度を予測することではなく、所定の発熱条件下で温度条件を満足できる冷却機能を創り出すことです。これを効果的に行うのが「熱設計型プロセス」です。
熱は部品から基板、筐体、すべての実装階層を経て外気に放散されます。放熱経路のどこかにボトルネックがあると、たちまち熱源は高温になります。最初にトータルで放熱経路を考え、各設計者が熱設計方針に従って対策を盛り込むという体制づくりが欠かせません。
熱は今や製品差別化要因のひとつとなっています。本書では最も重要な「初期段階の熱設計」をより実製品に近い立場で解説していきます。

1.2

実装技術の進展と冷却技術の変遷

1.2.1 「発熱集中」が少ない時代の冷却方式
電子機器の実装方式は時代とともに変わってきました。変化を進める原動力となったのは、半導体の高集積化（高機能化）と部品の小型化です。
40 年前の電子機器を振り返ると、大きめの筐体に外形寸法の大きい半導体部品をたくさん実装していました。1980 年初頭の 8 ビット CPU（8080）は DIP 型パッケージ（Dual Inline Package：リード付の挿入型部品）に収められ、集積度も低く、消費電力は 1.2 W 以下でヒートシンクも付けませんでした。出始めた頃のパソコンは「自然空冷」が当たり前でした。16 ビットの CPU（8086）
では消費電力が 1.7 W になり、「熱い部品」とされましたが、それでも自然空冷で問題ありませんでした。後に出た CMOS 版では 0.05 W と劇的な省電力化が図られています。
この時代の熱設計は「空気温度管理」で充分でした。特定部品への発熱集中度が低いので、機器内部の空気温度（部品周囲温度）を押さえておけば信頼性は保証できたのです。熱設計ターゲットは空気温度だったので、電力密度（W2

1.2

メモリー

200

電力密度［W/cm2］実装技術の進展と冷却技術の変遷

100
806040100W/cm2その他

Wi Fi

CPU

20108642

ストレージ

11985

1990

1995

200020052010

液晶ディスプレイ2015

年

図 1.1 CPU の電力密度の推移（出典：引用文献 1）

図 1.2

ノートパソコンの CPU が占める消費電力の割合

CPU の消費電力は PC の全消費電力の 40 ％を超える（ワット）/L（リットル））を目安に冷却方法を変えました。例えば 5 W/L までは密閉自然空冷、それを超えたら通風口をあける、さらに 10 W/L を超えたらファンを付けるといった具合でした。自然空冷機器、強制空冷機器、密閉機器といったおおまかな冷却方式しかなかったわけです（図 1.3 ①〜③）。
しかし、半導体の急激な進歩に支えられ、処理が CPU や GPU に集中するようになりました。半導体の微細化・高集積化は、そのまま高速化、小型化、省電力化、低コスト化につながるため、「ムーアの法則」に導かれて発展してきました。図 1.1 に示すように、チップあたりの電力密度は急激に増大し、すでに空冷限界に達しています。
機器全体の消費電力の半分近くが 1 つの部品に集中する状態（図 1.2）が生じると、CPU という「ホットスポット」をいかに冷却するかが喫緊の課題になりました。

1.2.2

発熱集中が冷却方式を多様化した

CPU やパワーデバイスなど、特定の部品に発熱が集中するようになると、個別の熱対策が必要になります。まずは熱い部品にはヒートシンクを付けて冷やします（図 1.3 ⑤）。通風型機器であれば、ヒートシンクを設けて内部空気に放熱しても問題ありませんが、密閉機器では内部空気の温度が上がってしまい3

第1章

製品開発のキー技術となった「熱設計」
機器電力密度増大対応（小型化と高性能化）

局所集中無し全体冷却方式（空気温度管理）

通風自然空冷自然換気

ヒートシンク⑤HS

ヒートシンク＋ファン⑥

HS 高発熱体
局所ファンレス

ゲル
HS

熱交換⑨⑧

HS

⑦ダクト
HS

TIM

RHE
⑪

冷媒熱輸送

液冷・沸騰冷却

図 1.3

HS

⑩HS

熱源集中対応遠隔冷却方式（部品温度制御）

通風強制空冷強制換気

HS
集中発熱量増（冷却能力増）③高発熱体

筺体放熱④HS

個別冷却方式（部品温度管理）②密閉高発熱体

集中発熱あり（局所対策）

密閉自然空冷①

ヒートパイプ

機器冷却方式の変遷ます。そこで、図 1.3 ④のように、発熱体を筐体に接触させ筐体表面にヒートシンクを設けることで、直接外気に放熱させます。
発熱量が大きい部品はヒートシンクが大型化するので、ファン（扇風機）を併用します（図 1.3 ⑥）。換気用ファン（換気扇）と CPU 冷却用ファン（扇風機）の 2 つを使用する方式が、パソコンを中心に普及しました。この方法では2 つのファンを使用するので、騒音の増加やコストアップを招きます。また
CPU を冷やして熱くなった空気が一度機器内にまき散らされるため、CPU 周辺の部品が高温にさらされて故障するなどの不具合もありました。そこでダクトを使って風速を上げることで扇風機を削除する方式（図 1.3 ⑨）が普及しました。この空気を吸い出す（PULL 型と呼ばれる）方式では、CPU が最下流になり、温まった空気をまき散らす問題も解決されます。
しかし、この方式ではファンが最下流となり、高温空気にさらされて寿命が短くなる、機器内部が負圧となり埃の侵入が多くなるという欠点があります。
これを避けるため、ファンを吸気側に設けて（PUSH 型と呼ばれる）押し込む方式も採用されるようになりました。
4

1.3

部品の小型化がもたらしたインパクト

ノートパソコンで小型化、薄型化が進むと、CPU にヒートシンクを付けるスペースがなくなってきます。そこで、発熱部と放熱部を分けてその間をヒートパイプで熱輸送することにより配置の自由度を高めたのが、RHE（RemoteHeat Exchanger）と呼ばれる冷却方式です（図 1.3 ⑪）。この方式では熱源の物理的な位置はファンより風上側ですが、熱はファンの下流に運ばれて冷却されるので、高温空気がまき散らされることもファンが高温にさらされることもなくなります。
一方、モバイル機器や通信・電力設備など屋外で使用される機器が増え、防水・保護構造が求められるようになりました。発熱量が大きい密閉機器を冷却するには、図 1.3 ④で筐体外側に防水ファンを設置する方法や、図 1.3 ⑦のように熱交換器を設けて内気循環ファンと外部冷却ファンで冷やす方法などがとられます。さらに発熱量が大きい場合には、液冷方式により外部に設置した冷却器（または冷凍機）まで液体で熱を輸送します。冷媒を相変化（蒸発・沸騰）させることで熱輸送能力はさらに向上します。
このように、機器の大きさと性能に関わる「電力密度」とデバイスの高集積化に関わる「熱源集中」の 2 つの軸で冷却方式が開発され、多様化が進んできました。

1.3

部品の小型化がもたらしたインパクト

ここ数十年であらゆる部品が小型化し、表面実装化が進むとともにプリント基板の微細化、多層化も進みました。部品が小型化すると部品の表面積が減少し、表面からの放熱は減ります。一方、多ピン化やリードレス化で部品から基板への伝熱パスが増強され、さらに基板の残銅率が増えることにより基板への放熱が増加します。この結果、部品の熱の大半（80 ％以上）が基板を経由して逃げるようになってきました。
こうしたトレンドは、熱設計に下記のインパクトを与えました。
1）「基板の熱設計」が重要になった部品の熱は、上から逃げるルート（表面から空気へ）と下から逃げるルート
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