―現代のテクノロジーに不可欠な「冷却」―

近年の半導体は、飛躍的に高性能化が進み、それに伴って発熱量も増大しています。
温度上昇が半導体の性能に影響するため、半導体部品が生み出す熱をいかに効率よく逃がすかが、重要なテーマとなっています。
特にデータセンターや電気自動車（EV）、高性能PCの分野では、冷却技術が製品の寿命や処理能力を左右します。

半導体に冷却が必要な理由

半導体は、電流が流れる際の電気抵抗により発熱します。超高速なスイッチのON/OFFの繰り返しや、パワー半導体のように大電流が流れ続けることによる内部抵抗によって、熱が発生してしまいます。

半導体は、その名のとおり、電気を通す「導体」であり、また「絶縁体」でもあります。 これを切り替えて使える仕組みが半導体の強みでもある一方、どうしても抵抗を生み出し、発熱する原因となっています。
また、半導体の小型化によって、限られたスペースで熱が溜まりやすくなったり、上昇しやすくなったりします。
車載半導体の場合は、エンジン熱や駆動時の発熱により、高温環境に置かれることがあります。
このように、半導体の熱を制御できなければ、深刻な問題が発生してしまいます。

◎性能低下

半導体は温度が上がりすぎると、処理速度が落ちてしまいます。
特に高性能プロセッサでは、一定温度を超えると、強制的に動作速度（クロック周波数）を下げる「サーマルスロットリング」が発生し、性能が低下します。また、パワー半導体などは、外部制御によって電流を遮断または制限される場合があります。

◎寿命短縮

半導体は熱に弱く、高温状態が続くと電気がうまく流れなくなり、故障率が増大します。
また、材料劣化による、故障リスクも高まります。

◎熱暴走

半導体内部の温度が急激に上昇すると、熱暴走を引き起こすリスクがあります。
熱暴走は、半導体の破損やシステムダウンに至る可能性があります。

半導体の冷却方式

現代の半導体は、微細化・小型化が求められ、小さな面積に熱が集中するため、より効率的に冷やす技術が要となっています。

主な冷却方式には、
・空冷（ヒートシンク＋ファン）
・水冷（液体冷却）
・熱電冷却（ペルチェ素子）
・相変化冷却（ヒートパイプ・ベイパーチャンバー）

がありますが、発熱量増加に伴い、従来の空冷方式では冷却が間に合わなくなってきているという課題も出てきています。

近年、水冷式冷却システムやペルチェ素子、ベイパーチャンバーといった方式が注目されています。
さらに、半導体チップ内部または背面に、毛細血管のような微細な流路を彫り、そこに冷却液を流して直接冷やす「マイクロ流体冷却」や半導体ごと特殊な液体に漬けてしまう「液浸冷却」が、次世代の冷却技術として期待されています。
信頼性の確保のため、液体漏れや流路での詰まりなどの課題解決に向けて、研究が進んでいるようです。

精密な温度制御：ペルチェ素子冷却

ペルチェ素子は、異なる性質を持つ2種類の半導体（N型・P型）が交互に組み合わさり、金属板（電極）に挟み込まれています。
これに直流電流を流すと、片面が吸熱（冷却）し、反対側が発熱（放熱）する「ペルチェ効果」を利用した電子部品です。

ペルチェ素子は一般的に、以下のサイクルで熱を排出します。
①吸熱：電気を流すと片面が冷えて、熱を吸い取る。
②移動：吸い取った熱を反対面（放熱面）へ運ぶ。
③放熱：放熱面からヒートシンクやファンで熱を放出する。

静音で小型化しやすく、温度を一定に保つ機能が優れています。
小型冷蔵庫、ネッククーラー、ハンディファンなどの民生品から、精密な温度管理が必要な医療機器、光学機器、電子機器、車載機器など多くの用途で活用されています。

【ペルチェ素子の課題】
弱点のひとつは放熱側の「熱の滞留」です。
上手く放熱できなければ、冷却効率の低下や破損につながる可能性があります。
そのため、放熱不足にならない設計が重要となるでしょう。

>>参考：ペルチェ素子を使った水冷式の冷却に必要なこと

>>参考：ペルチェ素子とヒートシンクの相互作用

薄くて高い熱伝導性：ベイパーチャンバー

薄い金属板で構成され、内部が中空構造となっており、液体（作動液）が封入されています。

ベイパーチャンバーは一般的に、以下のサイクルで熱を排出します。
①蒸発：液体が熱源の熱を吸収し、蒸気になる。
②拡散：蒸気がチャンバー内に広がり、温度の低い部分に移動。
③凝縮：蒸気が冷やされて液化し、毛細管現象で再び熱源側へ戻る。

ヒートパイプが棒状のパイプで熱を運ぶのに対し、ベイパーチャンバーは面で熱を均一に分散させることができるため、冷却効率が高いことが特徴です。
わずか0.3mm〜1mm程度の厚さでも作れるため、スマートフォンのように「高性能」かつ「薄い」ことが求められるデジタル機器に最適です。

【ベイパーチャンバーの課題】
構造のわずかな誤差でも性能に大きな影響が出るなど、製造の複雑さが課題です。
正確な設計が必要となり、研究開発に時間とコストがかかる可能性があります。

効率的に熱を運ぶ：水冷式冷却

水は空気に比べ、比熱・熱伝導率とも高いため、水冷式は高発熱なシステムに採用されています。

水冷式冷却は一般的に、以下のサイクルで熱を排出します。
①水冷ブロック：熱源に密着し、熱を水に伝える。
②ポンプ：温まった水を循環させる。
③ラジエーター：フィンに風を当て、水が持っている熱を外気に放出する。

水冷式冷却は、ハイエンドPCやサーバー、電気自動車のバッテリー、パワー半導体から、最近ではウェアラブルエアコンにも活用されています。
また、ペルチェ素子と組み合わせた、より効率的な冷却システムも実用化されています。

【水冷式冷却の課題】
水冷式冷却で一番の課題は「液漏れ」です。
ポンプ・チューブの劣化などによって液漏れリスクがあるほか、水冷ブロックの軽量化における金属と樹脂の接合部の液漏れも課題となっています。

>>参考：水冷式ヒートシンクを使った熱対策

>>参考：水冷式CPUクーラーの現在地

>>参考：CPUクーラーは水冷が良いのか？

冷却技術に「唯一の正解」はありません。
半導体が進化し続ける限り、それらを支える冷却技術もまた、より高度なものへと進化し続けています。

水冷式冷却の液漏れに対応する接合技術

「金属と樹脂の直接接合ラボ」を運営する睦月電機では、金属と樹脂をピタッと接合する技術で、水冷ソリューションを提案しています。
当社が開発した、金属と樹脂の直接接合技術「ALTIMアルティム®」は、液漏れしない水冷ブロックやヒートシンクを実現。
「レーザー照射による金属粗面化＋加熱圧着」によって、金属と樹脂を複合化した信頼性の高い水冷ブロックやヒートシンクを製作することが可能です。

採用事例もありますので、ぜひご相談ください。

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