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「製品の機能と性能を左右するようになった熱設計の重要性は、今後さらに高まる」。サーマルデザインラボ代表取締役の国峯尚樹氏はこう強調する。「日経クロステック ラーニング」で「最新機器に学ぶ熱対策の実践」の講師を務める同氏に、熱設計の現状と傾向、熱設計の基本的な考え方を聞いた。(聞き手は高市清治)

サーマルデザインラボ代表取締役の国峯尚樹氏
サーマルデザインラボ代表取締役の国峯尚樹氏

熱設計の重要性は高まっているのでしょうか。

国峯氏:熱設計に携わって45年になりますが、熱設計の需要性は高まる一方だと実感しています。というのも製品の高機能化や高性能化が進んでいるからです。

 エネルギーを100%は変換できないので、音も光も損失分は全部、最後は熱になります。高機能にしたり、高性能にしたり、新たに何かをしようとすると単位時間当たりのエネルギーの損失が増えるので絶対に発熱します。この余った熱をどう処理するか。放置すればその熱が原因で誤動作したり、動作しなくなったりします。最悪の場合は故障しますから、熱設計を誤るわけにはいきません。

製品が故障しないためにも熱設計が重要なのですね。

国峯氏:故障を回避するのは熱設計の目的の一部です。以前は故障回避が唯一の目的だったのですが、最近はむしろ機能や性能を向上させる目的も重要になっています。

 身近なところでは、スマートフォン(スマホ)で動画を撮影できる時間が挙げられます。動画を撮影すると、処理に関わるSoC(System on Chip)などの電子部品が発熱します。解像度が高くなればなるほど、撮影時間が長くなればなるほど発熱します。熱設計上、通常は許容できる温度を超えると自動的に撮影を止めます。

 スマホやデジタルカメラの動画撮影機能を利用した人は1度や2度は経験があるでしょう。長時間撮影していると撮影停止のボタンを押さなくても停止することがあります。原因は熱です。この時、撮影可能時間を左右するのが放熱構造などの熱設計なのです。

 熱設計がきちんとしていて、電子部品の熱を放熱、あるいは冷却していれば撮影時間は長くなります。放熱か冷却が不十分で短時間で製品内部の温度が高くなれば、撮影時間は短くなります。今や学校の入学式や運動会もスマホで動画撮影する時代ですから、動画の撮影可能時間は消費者にとって購入を左右する性能の1つです。2時間動画撮影できるスマホと、10分しか撮影できないスマホなら、どちらを選ぶかは明らかでしょう。

 次世代移動通信規格「5G」のスマホも流通していますが、動画など大容量データを高速でダウンロードすると、通信関連の電子機器が発熱して自動的に4Gに切り替わる場合があります。5Gならではの大容量高速通信も、その性能は熱設計によって左右されるわけです。

 電気自動車(EV)では、バッテリーの発熱を抑えないと航続距離が短くなり、寿命も短くなります。EVの場合は商品性を高める生命線と言ってもいいでしょう。

 特に最近は部品の小型化が著しい。以前は集積回路といっても今ほど集積していなかったし、今ほど小型ではありませんでした。しかし、μmからnmへと時代は変わりました。特にCMOS半導体の微細化が進み、スイッチングの際に電気的に遮断するゲートがあまりにも小さすぎて、どうしても電流が漏れてしまうのです。

 この電流の漏れは、温度が高いと増える性質があります。電流が漏れると温度が高くなる。温度が高くなると電流が漏れやすくなる。このスパイラルに入ると温度の上昇を抑えられなくなり、熱暴走に至るわけです。部品の性能を落としたり、故障に至らしめたりする熱暴走のリスクを回避する。高集積半導体ではこれが熱設計の最大の目的です。

 つまり、熱設計によって「故障を回避する」という時代から、「高機能・高性能にする」時代に移ったのです。ですから、熱設計に関わらない人まで熱設計を意識しなければいけなくなりました。従来は、熱設計に関わっている人が、製品が熱くならないようにヒートシンクかファンを取り付けるような部品対策を講じるといったイメージがありました。今はそんな時代ではありません。機能・性能を考える時の最重要事項になっています。部品対策にとどまるものでもなく、より複雑になっています。