ロータス金属を用いた高効率の沸騰冷却器を開発：SiCパワー半導体などの熱を除去

科学技術振興機構（JST）は、ロータス金属を用いた高効率の沸騰冷却器を、ロータス・サーマル・ソリューションが開発したと発表した。この技術を用いるとSiC（炭化ケイ素）パワー半導体や高性能CPUを効率よく冷却することが可能になる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

グルーブとロータス金属の気孔サイズが冷却性能を決める

　科学技術振興機構（JST）は2021年9月、ロータス金属を用いた高効率の沸騰冷却器を、ロータス・サーマル・ソリューションが開発したと発表した。この技術を用いるとSiC（炭化ケイ素）パワー半導体や高性能CPUを効率よく冷却することが可能になる。

　JSTは、「自発的冷却促進機構を有する高性能車載用冷却器」の開発について、山口東京理科大学の結城和久教授らによる研究成果を基に、ロータス・サーマル・ソリューションへ委託し、20217年より実用化開発を進めてきた。

　大型サーバ向けCPUや、HEV用モーター制御ユニットなどに搭載されるパワー半導体は、高性能化や半導体チップの小型化により、発熱密度が高まっている。例えば、SiCの発熱密度は300〜500W/cm²といわれており、これをデバイスに用いるためには、これより大きな限界熱流束（CHF）を持つ部材で冷却する必要があるという。

　半導体素子を冷却する方法として、「循環型水冷方式」や「沸騰冷却方式」などがこれまで用いられてきたが、その冷却能力には限界もあった。そこで今回、高い冷却効率が求められる用途で利用されてきた沸騰冷却方式の課題を解決し、より大きな熱流束にも対応できる冷却技術の開発に取り組んだ。

冷却方式と伝熱性能の比較 出所：JST他

　結城教授らはこれまで行った「沸騰伝熱効果に関する研究」において、発熱体に接触する銅などの熱伝導体に、幅1mm程度の溝を一定間隔で彫り込んだもの（グルーブ）とロータス金属を組み合わせることで膜沸騰が起こりにくい構造を実現していた。

沸騰伝熱効果。左はロータス金属の気孔、右はグルーブとロータス金属を組み合わせた構造図 出所：JST他

　そして今回、冷却性能を決める重要な要素が、グルーブとロータス金属の気孔サイズにあることを発見し、冷媒に応じて適切な溝の断面積と気孔径を求める手法を確立した。この結果、冷媒に水を用いた場合、従来は約200W/cm²であったCHFが、小型サイズ（冷却面10×10mm）の冷却器で530W/cm²以上に、大型サイズ（冷却面65×65mm）の冷却器では270W/cm²になった。

　また、開発した技術を適用し、フッ素系不活性液体を冷媒に用いる沸騰冷却器を試作して評価した。この結果、発生した蒸気と冷媒の流れを分離し、蒸気の速やかな排出と冷媒の安定供給が両立できることが分かった。しかも、試作した冷却器をワークステーション用CPUクーラーに適用したところ、既存製品と同等の冷却性能を半分の体積で実現できることも明らかになった。

冷却面温度と冷却性能の関係。紫色部分はサーバの冷却に用いる性能領域、黄色部分はSiパワー半導体用途で使う性能領域、水色部分はSiCパワー半導体用途で使用が想定される性能領域 出所：JST他