■熱抵抗とは熱の流れにくさ
簡単に言えば、熱抵抗とは、熱の流れにくさである。
イメージとしては、熱の通り道の渋滞に近い。
■水道管で考えるとわかりやすい
例えば、太い水道管なら、水は流れやすい。
しかし、
● 細い
● 曲がっている
● 詰まっていると、水は流れにくくなる。
熱も同じだ。
つまり熱抵抗とは、熱がどれだけ通りにくいかを表している。
■熱は流れやすい場所へ流れる
熱は、高温から低温へ移動する。
しかしその途中に、流れにくい場所があると、熱が滞留する。
すると、
● 温度上昇
● ホットスポット
● 性能低下
● 劣化 などが起きる。
つまり熱問題とは、熱抵抗との戦いでもある。
■AI半導体は「熱抵抗地獄」へ向かっている
AI時代では、
● 高密度化
● 積層化
● 小型化が急速に進んでいる。
すると、熱の逃げ道が細くなる。
つまり、熱抵抗が増えやすくなる。
これが、3D半導体などで問題になっている。
■熱は出せるのに、熱を逃がせない
ここが重要だ。
例えばAIチップは、演算性能はどんどん上がっている。
しかし同時に、熱を逃がせない問題が大きくなっている。
つまり未来では、どれだけ計算できるかより、
どれだけ熱抵抗を減らせるかが重要になる。
■熱抵抗は材料だけで決まらない
ここで、非常に重要な話がある。
多くの人は、熱伝導率が高い材料を使えば良いと思いがちだ。
しかし実際には、それだけでは足りない。
なぜなら、途中で詰まるからだ。
■一番弱い場所で全体が止まる
例えば、
CPU
↓
TIM
↓
ヒートシンク
↓
空気 という熱経路があったとする。
この時、どこか1か所でも、熱抵抗が大きい場所があると、全体性能が悪化する。
つまり熱対策とは、一番悪い場所を減らす戦いでもある。
■実は接触が巨大熱抵抗になる
ここで重要なのが、接触である。
例えば、
● 浮き
● 段差
● 圧力不足
● 空気層など。
これだけで、熱抵抗が急増することがある。
つまり、材料は良いのに冷えないという現象が起きる。
■空気は巨大な熱抵抗
特に怖いのが、空気層である。
空気は、熱を非常に伝えにくい。
つまり、わずかな隙間だけでも、熱性能が大きく悪化する。
未来産業では、
● 微細化
● 積層化
● 薄膜化が進むため、数十μmレベルの隙間でも問題になる。
■小型化すると熱抵抗が急増する
ここで未来産業の難しさがある。
例えば、
● 半導体
● ロボット
● ARグラス
● EVでは、小型化が進む。
すると、
● 熱の通り道が細くなる
● 接触面積が減る
● 熱密度が増える
つまり、熱抵抗問題が急激に悪化する。
■熱抵抗は見えない
さらに難しいのは、熱抵抗は見えないことだ。
例えば、
● わずかな浮き
● 微細段差
● 圧力ムラだけでも、熱性能が変わる。
しかし、それは目視ではわからないことも多い。
つまり熱抵抗問題とは、見えない渋滞でもある。
■AI時代は熱抵抗との戦いになる
AI時代では、
● 演算密度増加
● 高出力化
● 小型化
● 積層化が進む。
すると、熱抵抗が大きなボトルネックになる。
つまり未来では、どれだけ高性能か」だけではなく、
どれだけ熱抵抗を減らせるかが重要になる。
■研究者視点 ： 熱の通り道設計が重要になる
現在研究されているのは、
● 高熱伝導材料
● TIM
● 放熱構造
● 微細接触
● 熱拡散
● 液冷など。
つまり熱設計とは、熱抵抗をどう減らすかという設計でもある。
■現場視点 ： 理論性能より接触で負ける
現場では、
● 浮き
● 空気層
● 圧力ムラ
● 微細ズレ
● 材料変形などによって、熱抵抗が大きく変わる。
つまり、理論上高性能でも、実際には冷えないことが起きる。
■熱問題は工程で決まる
例えば、
● 貼り合わせ精度
● 圧力条件
● 表面状態
● 加工精度
● 自動化安定性などでも、熱抵抗は変わる。
つまり熱対策とは、材料性能だけではなく、
工程成立で決まる。
■OTIS視点で重要なこと
OTIS視点では、熱問題で重要なのは、
● 微細加工
● 高精度貼り合わせ
● 接触安定性
● 薄膜加工
● 異種材料接触
● 公差管理
● 量産安定性など。
つまりOTISは、熱抵抗を増やさない工程へ向き合っている。
■OTISでできること
OTISでは、
● 微細加工
● 高精度打ち抜き
● 高精度ラミネート
● 熱対策材料加工
● 異形状積層
● 自動化供給対応などを通じて、
熱が流れる状態を量産で成立させることへ、貢献できる可能性がある。
■OTISの専門外
一方でOTISは、
● 半導体設計
● CFD専業解析
● GPU設計
● 冷却装置設計 を専門とする会社ではない。
しかし、熱問題を量産工程で成立させるという領域では、重要な役割を担える可能性がある。
■まとめ
熱問題の本質は、熱抵抗との戦いである
熱は、自然に流れようとする。
しかし途中に、熱が流れにくい場所があると、熱が滞留する。
これが、熱抵抗である。
そして未来産業では、
● 小型化
● 高密度化
● 積層化によって、熱抵抗問題がますます重要になっていく。
つまり未来では、どれだけ熱を出すかだけではなく、
どれだけ熱抵抗を減らせるかが、極めて重要になっていく。
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません
