第1⼩委員会（熱制御WG）の説明

富⼭県⽴⼤学畠⼭友⾏

メンバー
主査：畠⼭友⾏（富⼭県⽴⼤学）

幹事：中川慎⼆
⽊下貴博（富⼭県⽴⼤学）（富⼭県⽴⼤学）委員：中村元（防衛⼤学校）
結城和久 （⼭⼝東京理科⼤学）
海野徳幸 （⼭⼝東京理科⼤学）
⻄剛伺（⾜利⼤学）
洪定杓（⿅児島⼤学）
福江⾼志 （⾦沢⼯業⼤学）
⽊伏理沙⼦（富⼭県⽴⼤学）

1
using a theoreticalformula or Unno
experimental
formula and soyama2, Kazuhisa
Yuki1, Noriyuki,
on. The predictionof thermal contact resistance, however,32[2]mura , Masaru
Ishizuka For the prediction of thermal contact
is difficult.

富⼭県⽴⼤学
畠⼭友⾏
resistance, Tachibana’s equation
and Tachibana andSanokawa’s equation are proposed. For explanation ofity, Yamaguchi,756-0884, Japanthese equations,
unit cell model is shown in Fig. 1. As
研究テーマ
ersity, Toyama
939-0398,Japan
shown Fig.1, unit cell model is modeled as iteration
Kumamoto,
860-8555,
Japansurface.
structurein contact

・接触熱抵抗予測式の構築

A

Furthermore, Tachibana’s equation is expressed as Τ eq. (1),1and Sanokawa’s equation is shown in eq. (2).
Τ2Τ2 , λ2

Fig. Model for thermal contact resistanceFig. 1 Concept of unit cell model

橘・佐野川の式(1)(2)

δ11.5X

11X

δ2aSOLID-2(1)

r s︓接触熱抵抗 [K/W]z 1, z 2︓表⾯粗さ [m]k 1, k 2︓固体の熱伝導率 [W/m·K]
h 0︓付加コンダクタンス [kcal/(m 2·h℃)]
λ︓空隙を満たしている物質の熱伝導率[W/m·K]
p︓押しつけ圧⼒ [MPa]H︓やわらかい⽅の固体の固さ

解析時間の短縮化
!!
!#

Ref:
(1) 橘 藤雄、⽇本機械学会誌，Vol.55，No.397、pp.8-13，1952
ts(2) 佐野川 好⺟，⽇本機械学会論⽂集，Vol.33，No.251，pp.1131-1137，
1967

!"
!$!%
!&!'16 mm

PC

φ 40!

8

※接触圧⼒ 1 MPa以上

In these equations, r and r show the calculated thermal
resistance by Tachibana’s equation and Sanokawa’s equation
定常法を⽤いた実測によるデータベースの構築
respectively.
δ1 and δ2 show gap (height of real contact part)in each solid. λ1 and λ2 mean thermal conductivityof solid 1
500 mmmmmm
and 2, λf is thermal conductivity of 250fluidin250gap.
a and A
indicate real contact area and unit cell area. TestIn
Sanokawa’s
sectionequation, 1/h0 means the effect of thermal contraction
Weight 1∼6 kg
weight λ2 ). These equations
resistance, and is 2.310-5 (1/Balance
λ1 +1/are constructed for a condition under high contact pressure.
ShuntContact Fig.
pressure
in electronics, however,is lower than theresister
PCRoughness
Power supply
Data logger
Cooling system
supportedmeasurement
condition of the equations. Then, prediction
Fig. Experiment
for measurement
equation of thermal contact resistancein electronics
isof thermal contact resistancediscussed based on Tachibana and Sanokawa’s equations.
In this paper, the effect of the structural assumption of unit
cell model on predicted thermal contact resistance isX

1.5X

(2)

.

X11X

シ ン ボ ル マ ー ク＋ 漢 字 ＋ 公 立 大 学 法 人

Unit cell model

T1 ,λ1

シン ボ ルマー ク 英 語 ＋漢 字＋公 立 大 学 法 人

A. Calaulation condition
Figure 2 shows a analysis object of thermal and stractural
analysis and a demensions of the model. In this calculation,
2D analysis is performed. For a reduction of a computationload, analysis using half models are performed. Model 1 is ahalf of normal unit cell model. Model 2 is half model which
・熱回路網法の⾼精度化に関する研究
having 2 unit cell model in full model, and Model 3 is a halfmodel having 4 pillars in full model. Furthermore, Model 4
is half model having ten pillars in full model. These models
have same area of the real contact partsin full model,!!
ΔT=RQ
however has different number of real contact point.
TheQ
models have same gap, and the height is 6.4 µm. In unitcell
ΔT ：温度差 [K]!
：熱抵抗model, the height is defined as 4 times of arithmetic average[K/W][W]
roughness, and the roughness is assumed as ΔT0.8 µm Iin：熱流
theseCircuit
board
Thermal networkmodels.Fig.The
value
is assumed Fig.
roughnessof slightly roughz

SOLID-1

II. THERMAL AND STRUCTURAL ANALYSIS!*

Fig. CFD simulation!)!!(Fig. Thermal network model

熱回路網の組み⽅の指針を⽰す

熱WG: ⽊伏理沙⼦（富⼭県⽴⼤学)
研究テーマ
・パワー半導体⽤TIM（接合材）の熱抵抗評価

Ref:(1) 木伏理沙子, J. HTSJ, Vol. 59, No. 246, 2020

定常法を⽤いた実測による熱抵抗評価

フーリエの法則𝜕𝑇
𝑞 = −𝜆𝜕𝑥q ：熱流束 [W/m2]
λ ：熱伝導率[W/(m·K)]
T ：温度 [K]x ： 位置 [m]Fig. Model for thermal contact resistance (1)

不均⼀材料に適した定常法により、パワー半導体をターゲットにした⾼熱流束・⾼温条件での評価を実施
4

熱WG: ⽊伏理沙⼦（富⼭県⽴⼤学)
研究テーマ
1.・パワー半導体デバイスにおけるBackground and Objective
⾼性能熱設計⼿法の開発
Actual Heat Generation
and Thermal Design of Electronics

Ref:(2) R. kibushi, Transaction of The Japan Institute of Electronics Packaging, Vol. 6 No. 1, pp. 51-56, 2013

Thermal Design of Electrical equipment
Temperature

Permissive temperature: Tmax
Thermal margin
Junction temp.

Fig. Macro scale hot spot (CFD simulation)
Semiconductor package

μm - nm scale Hot spot

Si SiCMOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Eﬀect Transistor)

Fig. Micro/nano scale hot spot in power device
Fig. Micro/nano scale hot spot (Electro-Thermal analysis) (2)ナノ/マイクロサイズおよびマクロ的なホットスポットを考慮した熱設計⼿法の開発
5はんだ付け⼯程のCFDシミュレーション
富⼭県⽴⼤学中川慎⼆• 熱流体数値シミュレーション（CFD）を活⽤し，溶融はんだ・周囲気体の熱流動現象を予測する。
• はんだの動きに伴う微⼩部品の移動を予測する。

背景と⽅法• 鉛フリーはんだ使⽤に伴う温度条件の悪化• 部品の微細化や実装の⾼密度化など→ 効果的・効率的な不具合対策が必要→ シミュレーション技術の活⽤（予測・原因調査）• 汎⽤熱流体解析ソフトウェア• オープンソースソフトウェア OpenFOAM• 取り扱う物理現象• 溶融ハンダおよび空気の流動，熱移動• 搭載部品の移動• 温度による物性値変化（バルク）• (予定) 溶融ハンダの溶融・固化（模擬・モデル化）

⽬標← CFD結果例：
かたよって初期配置
された部品のセルフア
ライメント過程

⼩型表⾯実装部品を対象とし，「はんだペースト塗布量・状態」や「マウント状態」が，リフロー⼯程での部品移動・位置に与える影響を予測できる技術の開発。
はんだペースト→溶融はんだ→固体はんだ の変化を再現する技術の開発。
はんだ結合部の性状を表現するための技術の開発。
計算モデル・設定・コードの共有。

次期RC用説明資料

富山県立大学 木下貴博

半導体パッケージの非弾性熱応力シミュレーション
構成部品を含んだパッケージ全体構造のモデル化→ 構成部品を含むPKG全体をモデル化することにより、変形挙動・応力状態の評価を高精度化

定常・非定常熱伝導シミュレーション

・温度分布・プロファイル

定 常： リフロー工程・使用環境 etc
非定常： チップ発熱・ホットスポット etc

弾性・非弾性
熱応力シミュレーション
変形状態・応力状態・疲労寿命の検討※弾性：～1,200万自由度 非弾性：～800万自由度

シリコン貫通電極（TSV）構造を有する
半導体パッケージ全体の熱応力シミュレーション

Si
シリコンチップの貫通穴周りの応力状態（最大主応力）

Cu

直径5ミクロン

銅製貫通電極（TSV）の応力状態（相当応力）27.5 mmパッケージの反り※変形倍率： ×100

©Copyright 2021 Materials & Mechanics Laboratories Toyama Prefectural University.

サーモグラフィによる温度計測技術の⾼度化（防衛⼤ 中村）
RC294研究分科会 2023.10.31

線カメラの応答遅れ
サーモグラフィの応答補償

沸騰熱伝達の高時空間分解計測

体，高速温度変化の測定では残像が生じる

非冷却型サーモグラフィの残像

ョッパー段ボール）

クロボロメータの時定数は 10 ms 程度であるため，は残像が生じる

熱電対などの接触式センサを用いた
6
高精度計測についても研究しています
防衛大学校 システム工学群
機械工学科 熱工学講座
防衛大学校 システム工学群 機械工学科 熱工学講座

研究予定：福江（⾦沢⼯業⼤学）• 空冷ファンの⾼密度実装環境下の流れ分析と通⾵設計指針の提案
Opening area

hob

Test
fanxob

流⼊側に偏りがある場合のファン性能低下

⼩型ファン内部の流れ場解析と性能低下の原因の可視化• 脈動流冷却デバイスの機器実装

複数リブの解析モデル

リブピッチを変更した場合の脈動流誘起の様⼦

マイクロチャンネルを用いた冷却デバイスの基礎研究
洪 定杓（鹿児島大）
パワー半導体素子の冷却モジュールやマイクロチャンネル熱交換器の設計では、流体輸送装置や運転コスト検討のため圧力損失(管摩擦係数)と伝熱量(熱伝達率)の正確な予測が必要となる。
マイクロチャンネルを用いた冷却デバイスの設計のための基礎研究として、まず単一のマイクロチャンネルガス流の管摩擦係数と熱伝達率の正確な測定と共にそれらに及ぼす因子を解明することが目的である。
0-5E-05 0Slow flow (Maout = 0.12)
0.005

0.01x(m) 0.015

0.02

T (K)
390
380
370
360
350
340
330
320
310
300
290

5E-05y(m)

y(m)

5E-05

0-5E-05 0

High speed flow (Maout = 0.72)
0.005

0.01x(m)

0.015

0.02

T (K)
310
305
300
295
290
285
280
275
270
265
260

一定な熱流束をもつマイクロチャンネルの温度分布 (h=100µm, L=20mm, q! w=1 W/cm2 )ストレートマイクロチャンネル(Maout ~ 1.2)の冷却: 除熱 熱流束 1～3 W/cm2
Microchannel

Vacuum chamber
DC power
Thermocouples

Flow

Pressure transducers
IR probe

テストセクションの概略図
MICROSCALEHEAT TRANSFER LAB

・温度回復係数、管摩擦係数、熱伝達率の測定
・マイクロチャンネルガス流の流動・熱伝達特性の予測
・マイクロチャンネルの冷却性能を数値計算との比較・評価

マイクロチャンネルを用いた冷却デバイスの提案
鹿児島大学
KAGOSHIMA UNIVERSITY

1D CAEによるマルチドメイン解析
機器の小型化・省エネ化に向けた電気－熱連成解析を実施．
目的に合わせたモデルの作成からシステムレベルの検証まで実施．
←コンピュータシステムの電力－熱連成モデル例

消費電力モデル&𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 = 𝑎𝐶!"#$ 𝑉%%𝑓"' + 𝐼!(#) 𝑉%%

熱回路網↑ 理想スイッチによるインバータ回路モデル例
実施：足利大学西研究室

熱インピーダンス測定に関する研究
コンピュータ機器やパワーエレクトロニクス機器の伝熱経路を実測結果から熱インピーダンス分布として表現し，放熱経路のボトルネックの可視化，最適化を行う．

熱インピーダンス分布
実施：足利大学西研究室

ロータス⾦属で発現する呼吸現象を⽤いた
空冷技術および沸騰浸漬冷却
⼭陽⼩野⽥市⽴ ⼭⼝東京理科⼤学
結城 和久

ロータス銅型ポーラス⾦属

Fig.ロータス型ポーラス⾦属イメージ

Fig. ロータス型ポーラス⾦属

特徴
・⼀⽅向性の気孔・気孔率を制御可・機械加⼯を利⽤しない

⾼い量産性

・⾼い熱伝導性3

ロータス波状フィンを⽤いた新しい空冷技術
原理

流れ⽅向
流れ⽅向

ポーラス
呼吸効果イメージ

流れ⽅向

Fig.

・伝熱⾯積の拡⼤効果
・流路間圧⼒差による通過流発⽣・複合効果による熱輸送促進

Fig.ロータスフィン上⾯

有効気孔径:0.53mm
気孔⾯積率:0.19● 通常フィンと⽐較して1.4倍向上の伝熱促進● 更に80%の軽量化が可能
横⽥, 結城, ほか, 熱⼯学コンファレンス2021（⽇本機械学会）

2

ロータス体を⽤いた沸騰浸漬型・⾃⼰冷却技術
à 蒸気排出グルーブを併⽤することで蒸気排出に伴う⾃発液供給を助⻑
⼀⽅向の液供給・蒸気排出（⼆つのブリージングモードが可能）à ⾼透過性能のロータス銅が最適
・ ⽑細管⼒不要 à 従来の常識・技術と逆⾏
Coolant

Vapor

Lotus copper

GrooveVapor

Lotus copper

Coolant

GrooveFig. Liquid-vapor separation by lotus on grooved surface● ⽔の場合︓600W/cm2の冷却を実証（パワエレ等への応⽤）● FC-72の場合︓100W/cm2の冷却実証（スパコン、データセンタ等への応⽤）
2

気泡微細化沸騰技術を使った次世代⾼発熱密度電⼦機器の省エネ冷却
東京理科⼤学海野德幸沸騰冷却の通常限界を超える気泡微細化沸騰技術
MEB セーフティマージンが確保できる！
熱流束 (W/cm2)

限界熱流束CHF

Burnout

沸騰冷却
常⽤域

沸騰開始点

伝熱⾯過熱度 (K)・気泡微細化沸騰(MicrobubbleEmission Boiling)は
⽔温を⾼サブクール
環境にコントロールすることで発現・ポンプ動⼒を⼤幅に低減できるプール
沸騰時に1000 W/cm2超の冷却が可能

コンパクト沸騰冷却デバイス〜リキッドチャンバー〜
容積 100 mL
以下

⽬標⾼さ1U(＝約 44 mm)
・ベイパーチャンバー
以下
よりも液封⼊量が多く、ウイック不要（⽑細管限界に律速されない）
・液体と電⼦機器が直接触れないので絶縁性フッ素系冷媒を使わなくても良い

次世代超⾼集積3次元積層チップ
ターゲット熱流束〜数百W/cm2 超・純⽔使⽤時、減圧下MEBにより300 W/cm2超の冷却が可能

沸騰熱伝達制御のための要素技術
沸騰冷却の実⽤可能範囲の拡⼤に向けて• 沸騰伝熱⾯の新規加⼯⼿法• 狭隘空間、圧⼒や⽔位、溶存ガスの影響• ぬれ性などの表⾯性状が沸騰伝熱に与える影響• 様々な表⾯におけるライデンフロスト現象に関する研究を⾏っています。