熱設計 熱伝導 放熱 書籍
 
No.1606
 
 
 

★ 電子部品、プリント基板、筐体の特性を知り、効率の良い放熱経路を確保する!
★ ヒートスプレッダ-、TIMなどの放熱部材を徹底的に使いこなし、最適な熱設計をする!

 失敗しない熱設計の進め方と
放熱部材の選定・活用技術、測定・評価

発 刊:2011年4月    体 裁:B5判 388頁(上製本)    定  価:80,000(税抜)
※書籍絶版 オンデマンド版 30,000円(税抜)   (上製本ではありません)

■ 本書のポイント 

<< 伝熱の基礎・放熱経路の考え方 >>  
  ○ 各放熱経路の熱抵抗: 対流/換気/放射/伝導の熱抵抗の考え方
  ○ 電子部品の「機能的障害」、「寿命の低下」と熱設計の関係
  ○ 対流、換気、放射、伝導、、、「電子機器の熱抵抗の考え方
  ○ ヒートシンク・放熱プレートの大きさと熱抵抗

<< 失敗しない熱設計の考え方とプロセス >>
  ○ 電子機器用熱流体解析ソフトの上手な使い方
  ○ 筐体、多層プリント板の解析ポイントとテクニック
  ○ モデル作成、メッシュ作成ミスの原因と解決方法
  ○ 開発プロセスでの熱設計のありがちな問題点と対応策
  ○ 失敗しない基板上の部品レイアウト・配線パターンレイアウト

<< 各種TIMの特徴と選択のポイント・効果的な使い方 >>
  ○ 放熱シート、グリース、接着剤、フェーズチェンジ材の最適な選択
  ○ 高温時でも、長期間にわたる接着耐久性や耐熱性を保持するためには?
     熱抵抗の経時変化の考え方
  ○ 熱伝導性粘着シートの特性と効果的な使い方
  ○ 導電性接着剤の実装技術と接着剤の放熱性評価
  ○ ヒートパイプの熱輸送特性と信頼性・安全性
  ○ ジャンクションボックス、LEDライト、バッテリーの冷却技術

<< LED照明の低熱抵抗パッケージと放熱設計の最適化 >>
  ○ 照明用LEDの放熱経路の低熱抵抗化
  ○ LED照明における熱抵抗の測定・評価
  ○ LEDの放熱の考え方と放熱性基板の信頼性

<< パワーモジュールの放熱設計・絶縁設計 >>
  ○ パワーモジュールの耐熱性・熱ストレス耐性要求
  ○ パワーモジュールの放熱を阻害する要因と対策
  ○ 高熱伝導性封止樹脂における技術的課題

<< HEV・ECUに求められる放熱材料と信頼性評価 >>
  ○ インバータに使われる実装技術と放熱経路の低熱抵抗化
  ○ SiC高耐熱モジュールの高耐熱実装の寿命予測と信頼性評価
  ○ ECUの高耐熱ICパッケージと基板の放熱性向上技術
  ○ ECUの熱シミュレーションと放熱設計構築のポイント

<< 熱伝導率・熱拡散の測定・評価と不確かさの考え方 >>
  ○ 放熱材料の熱伝導率・熱拡散率の不確かさ評価の例
  ○ 複合材料熱伝導率の予測と界面熱抵抗の予測
  ○ 薄板・薄膜の各種測定法と評価のポイント
  ○ 油, シリコーングリース,フェースチェンジシートの接触熱抵
  ○ シリコーンゴムシート(高硬度,低硬度)の接触熱抵抗

■ 執筆者(敬称略)

(株)サーマルデザインラボ
ルネサス エレクトロニクス(株)
キーナスデザイン(株)
電気化学工業(株)
三菱電機(株)
材料技術研究所
コスモ石油ルブリカンツ(株)
古河電気工業(株)
古河電気工業(株)
古河電気工業(株)
(株)フィリップス エレクトロニクス ジャパン
電気化学工業(株)
(株)テクノローグ
三菱電機(株)
国峯 尚樹
伊東 誠
橘 純一
山縣 利貴
藤野 純司
渡辺 聡志
渡辺 佳久
宮原 利雄
加納 義久
橋本 信行
神山 博幸
宮川 健志
金森 周一
吉田 博
京セラケミカル(株)
富士電機システムズ(株)
(株)デンソー
(株)デンソー
日産自動車(株)
(独)産業技術総合研究所
(独)物質・材料研究機構
京都電子工業(株)
アルバック理工(株) 
熊本大学
富山県立大学
富山県立大学
広島国際大学
内田 健
西浦 彰
神谷 有弘
篠田 卓也
山際 正憲
阿子島めぐみ
徐 一斌
手嶋 康介
池内 賢朗
富村 寿夫
石塚 勝
畠山友行
大串 哲朗

■ 目  次

§ 第1章 伝熱の基礎と電子機器の放熱経路の考え方 §

□ 1節 熱の伝わり方・熱の逃がし方・熱の冷まし方          
            〜伝熱の基礎と電子機器の放熱経路の考え方〜 

1.1電子機器の熱設計を取り巻く課題
 1.1.1 高密度実装技術の進展と熱 
 1.1.2 重要性を増す「熱設計」
1.2 熱設計の目的
 (1)部品の機能的障害 
 (2)部品寿命の低下 
 (3)機械的障害 
 (4)化学変化の促進による障害 
 (5)人に対する障害
1.3 熱設計の目標
2 伝熱の基礎用語と単位
  2-1 熱とは(熱量・熱流量・熱流束) 
  2-2 熱のオームの法則と抵抗の合成
3.熱伝導
3-1熱伝導のメカニズム  
3-2 熱伝導の計算
 3-3 接触熱伝導     
3-4 等価熱伝導率
4 対流
 4-1 対流による熱移動
 4-2 自然対流熱伝達率の計算
 4-3 強制対流熱伝達率の計算
5 放射(輻射)
 5-1 放射のメカニズ
 5-2 電子機器に適用する場合の簡略化
6 換気による熱輸送量
7. 熱設計に使用する計算式と図表
 7-1 機器内部温度計算式
 7-2 ヒートシンクや放熱プレートの大きさと熱抵抗
8.電子機器の放熱経路
9. 電子機器の低熱抵抗化  
 9・1 各放熱経路の熱抵抗
 (1)対流熱抵抗 
 (2)換気の熱抵抗 
 (3)放射熱抵抗 
 (4)伝導熱抵抗
 9・2 熱抵抗熱対策の分類

 
§ 第2章 失敗しない熱設計の考え方とプロセス  §

□ 第1節 失敗しない熱設計と放熱材料の使い方
 
1.1 電子機器の放熱ルートと放熱材料
1.2 放熱材料の役割と種類
1.3 ヒートスプレッダー
 (1) グラファイトシート 
 (2) 高熱伝導樹脂
1.4 TIM(Thermal Interface Material)
 (1)TIMの種類と選定 
 (2) サーマルグリース 
 (3) 熱伝導性シート

□ 第2節 電子機器用熱流体解析ソフトの上手な使い方

1.解析モデル検討
 (1)効率的な使い方  
 (2)解析目的の明確化 
 (3)放熱経路の明確化
 (4)必要な物性値  
 (5)モデル化すべき部品
2.解析条件設定    
 2-1.解析領域の取り方
  (1)筐体を解析領域にする場合  
  (2)筐体外も解析領域にする場合
  (3)1/2モデルの場合
 2-2.境界条件の設定 
  2-2-1.筐体を解析領域にする場合
   (1)解析領域境界面における熱伝達率
    @解析領域境界面における放射 
    A装置内の強制空冷による熱伝達率
  2-2-2.筐体外も解析領域にする場合 
  2-2-3.モデルの場合
 2-3.日射の設定 
 2-4.層流と乱流の見極め 
 2-5.雰囲気温度
3.解析モデル作成
  3-1.多層プリント板
   (1)面内方向の等価熱伝導率 
   (2)厚さ方向の等価熱伝導率
   (3)注意事項
3-2.FAN
 (1)FAN形状 
 (2)FANの停止 
 (3)FANのP-Q特性
4.メッシュ生成  
 4-1.メッシュ生成の基本
  (1)流れの変化の大きい箇所 
  (2)渦の表現 
  (3)メッシュの細かさ
 3-4-2.壁面近傍メッシュ
  (1)層流の場合    
  (2)乱流の場合
 4-3.アスペクト比  
 4-4.メッシュの統一
5.計算実行 
 5-1.解の収束性改善
  (1)モデル作成ミス 
  (2)メッシュ作成ミス 
  (3)アスペクト比
  (4)解析領域と境界条件 
  (5)緩和係数・加速係数
  (6)扱っているモデルの問題
6.解析結果の評価 
 6-1.最初に行うこと  
 6-2.解析結果の検討
  (1)流速ベクトル図表示 
  (2)温度コンター図表示 
  (3)熱流束ベクトル図表示

□ 第3節 開発プロセスにどうやって熱設計を組み込むべきか?

1 開発プロセスでの熱設計のありがちな現状
 1.1 熱設計と熱対策   
 1.2 熱の問題
 1.3 発生するタイミング  
 1.4 熱問題の担当者
2 開発プロセスでの理想的な熱設計    
 2.1 開発の初期から
3 熱設計が後手に回ったときの問題点
 3.1 熱の問題が発生するタイミング 
 3.2 開発の後半で問題が発生するときの課題
4 開発プロセスの概要(各フェーズでの取り組み方)
 4.1 製品企画段階      
 4.2 製品企画段階でできる具体的なこと
 4.3 製品企画のチェックポイント
 4.4 開発段階
  4.4.1 電気エンジニアの役割     
  4.4.2 機械エンジニアの役割
  4.4.3 開発段階での基板設計    
  4.4.4 基板上の部品レイアウト
  4.4.5 配線パターンレイアウト 
  4.4.6 基板設計の手順 
  4.4.7 試作評価
 4.5 製造移管
5 熱設計が重視されるための土壌
 5.1 現状を理解する
 5.2 情報を蓄える
  5.3 情報を発信する


 
§ 第3章 各種放熱部材の特性と選択のポイント・効果的な使い方  §


□ 第1節 各種サーマルインターフェイスマテリアルの特徴と材料選択ポイント

1.TIMの構成と材料設計ポイント  
2.高熱伝導性無機フィラー
3.TIMの熱伝導性測定装置  
4.各種TIMの特徴と材料選択ポイント
 4.1 放熱シート
 4.2 放熱スペーサー(パッドタイプ)
 4.3 放熱スペーサー(フェーズチェンジタイプ
 4.4 放熱スペーサー(二層品フェーズチェンジタイプ)
 4.5 放熱グリース・放熱コンパンド
 4.6 熱伝導性粘着シート(エレサーマル)


□ 第2節導電性接着剤の実装技術と接着剤の放熱性評価

1.導電性接着剤とは 
2.導電性接着剤のはんだに対するデメリット
3.導電性接着剤の放熱性    
4.ダイボンド部の初期品質
5.ダイボンド部の熱伝導率   
6.ダイボンド部の温度サイクル性
7.導電性接着剤の最新の動向

 
□ 第3節 熱伝導性シートの構成と選択指針

1.熱伝導シートの構成
 1-1 ポリマー 
 1-2 熱伝導付与材料 
  1-3 そのほかの配合材料 
2.シリコーン 低揮発分による接点障害
3.熱抵抗の概念とシート選定の目安


□ 第4節 熱伝導性グリースの特徴

1.1.グリースタイプTIMの特徴
1.2.熱伝導グリースの課題
 1.2.1. 熱抵抗の経時変化の考え方
 1.2.2.非シリコーン系熱伝導グリースのニーズ
2.非シリコーン系熱伝導グリース
  2.1組成  
   2.1.1.分散媒  
   2.1.2.充填剤
 2.2非シリコーン系熱伝導グリースの特長
  2.2.1.高熱伝導&薄膜塗布性  
  2.2.2.安全性・環境性能
  2.2.3.リペア性 


□ 第5節 アクリルゴムを主体とした熱伝導性粘着シートの特性と効果的な使い方

1.熱伝導性粘着シート 
2.電磁波吸収シート第

□ 第6節 ヒートパイプ・ヒートシンクの熱設計と選び方および応用事例

1 ヒートパイプの概要
 1.1 ヒートパイプの構造と作動原理  
 1.2 ヒートパイプの特徴
 1.3 ヒートパイプの材質・材料    
 1.4 ヒートパイプの熱輸送特性
 1.5 ヒートパイプの信頼性・安全性
2 放熱設計でのヒートパイプの導入検討
3 ヒートパイプの活用方法
 3.1 サーバへの活用事例 3.2 大型液晶テレビへの活用事例
 3.3 産業機器・インフラ機器への活用事例
  (1) エレベータ・プラント用冷却器 
  (2) 鉄道車両向け冷却器
  (3) 変電設備への活用事例     
  (4) 熱交換器としての活用事例
3.4 自動車への活用事例
  (1) ジャンクションボックスの冷却
  (2) LEDライトの冷却
  (3) バッテリーの冷却


 
§ 第4章 放熱設計の最適化と放熱部材の使い方 §
□ 第1節 照明用LEDの低熱抵抗パッケージ技術と放熱設計の最適化

1.LEDのパッケージの種類と性能の変遷
2.LEDの性能向上のポイント
3.LEDのパッケージ・実装技術
4.LEDパッケージと熱抵抗 
5.熱設計におけるシミュレーションの活用
6.放熱設計の最適化


□ 第2節 LEDの放熱の考え方と金属ベース基板の構造

1.LEDの放熱の重要性 
2.放熱性基板 
3.金属ベース基板の構造
4.絶縁層の高放熱材料設計 
5.金属ベース基板の信頼性


□ 第3節 LED照明機器の熱設計

1.LED照明機器の熱設計にあたって
 1.1 LEDは発光部の発熱割合が大きい
 1.2 LEDは半導体であり熱に弱い  
 1.3 LEDは放熱能力が不足している
2.LED照明機器の放熱経路     
  2.1 等価熱回路網と熱抵抗
3.LED照明機器の放熱能力限界   
4.放熱経路の低熱抵抗化策
5.プリント基板の熱伝導性能向上
  5.1 基板の種類と特性
 5.2 ヒートスプレッダ (面方向に熱を拡散する部品)としての基板利用
 5.3 サーマルインタフェース  (厚み方向の熱伝導)としての基板利用
6.接触熱抵抗とその低減
 6.1 各種TIMの特徴と使い分け 
  6.2 TIMの選定
7.ヒートシンク設計       
  7.1 ヒートシンク設計の流れ
  7.2 ヒートシンクの目標熱抵抗
  7.3 ヒートシンクの包絡体積、表面積の算定
  7.4 最適フィン枚数の設定


□ 第4節 LED照明における熱抵抗の測定・評価

1.熱抵抗と接合温度       
2.接合温度の推定法
 2.1 ΔVF法による接合温度の推定
 2.2 VF直接測定による接合温度の推定 
3.熱抵抗の評価と応用
 3.1 Heating Curve とその解析
 3.2 過渡熱抵抗のLED実装不良検出への応用


□ 第5節 パワーモジュールにおける放熱設計・絶縁設計

1.パワーモジュールへの要求特性
 1.1 高耐圧要求
 1.2 大電流要求
 1.3 放熱性要求
  1.4 耐熱性・熱ストレス耐性要求
2.パワーモジュールにおける放熱設計・絶縁設計
 2.1 樹脂封止型パワーモジュール
 2.2 樹脂絶縁層による絶縁構造
 2.3 樹脂封止型パワーモジュールの低熱抵抗化
 2.4 樹脂絶縁層による絶縁設計
 2.5 チップ下はんだ層の熱ストレス耐性


□ 第6節 パワーデバイス用封止樹脂

1.高放熱性封止樹脂
 1.1 樹脂の高熱伝導化と熱抵抗
 1.2 高熱伝導性封止樹脂の設計
 1.3 フィラーの高充填化
 1.4 高熱伝導性封止樹脂における技術的課題
 1.5 製品への適用
2.高耐熱性封止樹脂
 2.1 高ガラス転移温度樹脂 
 2.2 マレイミド樹脂の導入 
 2.3 高温環境での信頼性


□ 第7節 パワーモジュールの放熱性向上技術

1.パワーモジュールに必要な放熱性能の改善
2.システムとして必要な放熱性能
3.放熱の経路
4.放熱を阻害する要因と対策 
5.空冷と水冷の選択 
6.放熱性能の向上
 @はんだ層の薄層化       
 A絶縁基板の素材と薄板化
 B放熱ベースの素材と薄板化 
 C横方向への熱伝導の利用
7.両面冷却モジュール
8.直接冷却モジュール
9.耐久性(長期信頼性)
10.高耐熱モジュール


□ 第8節 HEV車に求められる放熱技術と放熱材料の要求性能

1.車載エレクトロニクスの概要   
2.車載エレクトロニクスの導入分野
 2.1 環境対応
 2.2 安全対策
 2.3 快適・利便
3.車載エレクトロニクス製品の基本構成とその放熱、耐熱実装技術
 3.1 センサに求められる熱設計
 3.2 アクチュエータ制御製品の放熱設計事例
 3.3 ECUの事例と実装技術
  3.3.1 高耐熱ICパッケージ
  3.3.2 高放熱構造(パワーIC実装)
  3.3.3 基板の放熱性向上
4.HEV車向け製品の実装放熱技術
  1.4 高熱伝導性封止樹脂における技術的課題
  1.5 製品への適用
2.高耐熱性封止樹脂
  2.1 高ガラス転移温度樹脂 
  2.2 マレイミド樹脂の導入 
  2.3 高温環境での信頼性


□ 第9節 熱シミュレーションと統計分析を活用したECU放熱技術開発

1. ECUの概要  
 1.1 小型化による放熱技術の必要性
 1.2 エンジンの高性能化による放熱技術の必要性
 1.3  ECUの内部構成
2.背景と放熱設計構築のポイント
3. 放熱対策の整理 
 3.1 回路部  
   3.1.1 素子  
   3.1.2 プリント基板  
   3.1.3 コネクタ
 3.2 筐体部  
   3.2.1 搭載条件  
   3.2.2 ブラケット  
   3.2.3 筐体
   (1)金属筐体の選択
   (2) 筐体表面積を増やす
   (3)放射率を上げる
   (4)筐体のサイズを上げること
   3.2.4 放熱材 3.2.5 その他
4. 熱シミュレーションの概要      
  4.1 熱シミュレーション導入の課題
 4.2 ECUの製品設計が多岐分野にわたる
5. シミュレーションモデルの極意
 5.1 接触部分の熱抵抗 
  5.1.1 接触熱抵抗の存在
  5.1.2接触熱抵抗を少なくするには
  5.1.3 シミュレーションにおける接触熱抵抗値
   (1)素子と基板
   (2)基板と筐体
   (3)上下筐体
   (4)ECU取付け面
 5.2 入力物性値のコツ        
 5.3 配線パターンのモデル化
 5.4 電子の電力測定         
 5.5 素子モデルの使い分け
    (1) 簡易モデル
    (2) 詳細モデル
    (3) 2ブロックモデル
 5.6 素子のフィルタリング      
 5.7 3D筐体モデル簡略化
6. 熱シミュレーションと統計分析による最適設計 
 6.1 最適設計
 6.2  特性要因
 6.3 要因の絞込み
 6.4 シミュレーションによる多元配置実験 
 6.5 直交表実験による寄与率算出
 6.6 熱シミュレーションと実験の整合性確認
7. 最適化手法            
 7.1 最適化技術の状況
 7.2 電子部品配置におけるレイアウト最適化適用事例


□ 第10節 車載パワーモジュールの技術動向と高耐熱実装の実現に向けた信頼性評価

1.車載パワーモジュール
  1.1 近年の開発動向 
  1.2 今後の設計課題
2.SiC高耐熱モジュールの課題
  2.1 高温化への期待と技術課題
  2.2 はんだ代替技術とその問題点
  2.3 高信頼性・高耐熱実装コンセプト
3.高耐熱実装構造の信頼性評価
  3.1 応力緩和の評価 
  3.2 実装部の寿命予測
  3.3 高耐熱薄膜接合層の強度評価

 
§ 第5章 放熱材料の熱伝導率・熱拡散率の評価・測定法 §


□ 第1節 放熱材料の熱伝導率・熱拡散率の評価方法と不確かさの考え方

1. 放熱材料の特性を表す熱物性値 
2. 熱伝導率・熱拡散率の測定方法
3. 熱伝導率・熱拡散率の測定結果の信頼性
 3. 1. 測定結果の信頼性の検討
 3. 2. 不確かさ評価の例
3. 3. より確かな測定結果を得るための検討事項
 3.3.1 インヒレントな熱拡散率
 3.3.2 SIトレーサブルな熱拡散率
 3.3.3 標準物質による測定装置の校正


□ 第2節 複合材料熱伝導率の予測

1.複合材料熱伝導率の予測   
2. 解析法 
  (1) 積層型複合材料  
  (2) 楕円状粒子を含む分散型複合材料
  2.1.2 有限要素法
 2.2 界面熱抵抗の予測
  2.2.1 界面熱抵抗予測のフォノンモデル
  2.2.2 界面構造の熱抵抗に与える影響


□ 第3節 ホットディスク法による熱物性測定の理論と測定機器の原理

1 定常、非定常について熱伝導方程式
2 ホットディスク法の測定原理
2.1 面加熱法の測定原理 
  2.1.1 熱伝導率の求め方
2.2 ホットディスク法への応用
 2.2.1 ホットディスクセンサの構造 
 2.2.2 ブリッジシステム 
 2.2.3 データ処理
3 ホットディスク法熱物性測定装置
 3.1 装置構成        
 3.2 装置仕様とラインナップ
4 オプションソフトおよびその他の測定技術
 4.1 うす膜測定ソフト
 4.2 異方性熱物性試料測定ソフト
 4.3 高熱伝導率薄板状試料測定ソフト(スラブ測定)
 4.4 その他の測定アプリケーション

□ 第4節 薄板・薄膜の熱伝導率・熱拡散率の測定・評価

2. 薄板の熱拡散率評価
  2-1.周期加熱法の基礎
 2-2 温度波熱分析法に基づいた厚さ方向の熱拡散率評価
  2-2-1 装置の概要
  2-2-2 計測範囲と評価例
2-3 光交流法に基づいた面内方向の熱拡散率評価
  2-3-1 装置の概要
  2-3-2 計測範囲と評価例
3. 薄膜の熱伝導率評価
 3-2 光交流法に基づいた厚さ方向の熱伝導率評価
  3-2-1 装置の概要  
  3-2-2 理論  
  3-2-3 測定例と適用条件
 3-3 光交流法に基づいた面内方向の熱伝導率評価
  3-3-1 理論      
  3-3-2 測定例と適用条件


□ 第5節 異方性熱伝導材料の有効熱伝導率測定

1 評価方法,測定装置および方法
 1. 1 評価方法  
 1. 2 測定装置および方法  
 1. 3 基板用素材
2 数値解析  
 2. 1 測定結果  
   2. 1. 1 厚さ方向の熱伝導率
   2. 1. 2 水平円盤周りの自然対流熱伝達率
   2. 2. 3 面内方向の熱伝達率

□ 第6節 接触熱抵抗の測定法と測定例

1.実験装置 
2.熱抵抗計測原理 
3.接触熱抵抗計測手法  
4.計測例

□ 第7節 各種フィラー材の接触熱抵抗低減効果

1 接触熱抵抗の定義と測定法
 1.1 接触熱抵抗の定義 
 1.2 装置構成と測定原理 
 1.3 測定精度の検証
2 油(MR-200),H2O, シリコーングリース,フェースチェンジシートの接触熱抵
 2.1フィラー材料の仕様        
 2.2 測定結果と考察
3.シリコーンゴムシート(高硬度,低硬度)の接触熱抵抗
 3.1シリコーンゴムシートの仕様   
 3.2 測定結果と考察
4 アルミ箔の場合の接触熱抵抗
 4.1 アルミ箔の仕様          
 4.2 測定結果と考察

 

熱 伝導 放熱