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◇第１章 AI、生成AIデータセンターの市場動向と求められる放熱、冷却技術◇
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第1節 データセンタの市場動向と消費電力問題
1.データセンタ市場の動向
1.1 市場の成長と変化
1.2 市場の構造
1.3 大手プレイヤー
2.消費電力問題
2.1 マクロな電力消費
2.2 現地での需給問題
2.3 電力の供給源（自然エネルギー）
2.4 日本の対応
第2節 国内外のデータセンタの設置、建設動向と求められる冷却技術
1.データセンタ集積地
1.1 世界のデータセンタ立地状況
1.2 米国のデータセンタ状況
1.3 ヨーロッパのデータセンタ状況
1.4 中国のデータセンタ状況
1.5 日本のデータセンタ分布
2.電力問題を契機に変わるデータセンタ立地
2.1 米国の電力地産地消
2.2 中国の東数西算
2.3 日本のワット・ビット連携
3.データセンタ建設方式の推移
3.1 個別注文設計から標準化、プレファブリケーション
3.2 モジュール化
3.3 解体のしやすさ
4.データセンタ冷却技術の推移
4.1 従来型データセンタはCRACとCRAHが主流
4.2 アイルコンテインメント
4.3 PUEとWUE
4.4 直接外気空調
4.5 間接外気空調
4.6 床下空調
4.7 壁吹き空調
4.8 In Row空調
4.9 PUEより総電力消費が指標
4.10 空冷から液冷へ
4.11 高発熱データセンタはDLCが標準に
4.12 液体浸潤冷却
4.13 RDHX
4.14 ラック完結型冷却
4.15 ASHRAE TC9.9での定義
4.16 ドライクーラ
4.17 アディアバティッククーラ
4.18 海外で進む100MW超のデータセンタ冷却方式
5.データセンタに求められる冷却技術と今後の方向性
第3章 生成AIの普及とデータセンターの地方分散
1.生成AIの普及と主なユースケース
1.1 データセンターの新たな需要の牽引役となる生成AI
1.2 生成AIの主な用途とユースケース
2.AIデータセンターの要件
2.1 AIデータセンターの特長
2.2 通信遅延に対する許容度が高いAIデータセンター
3.全国で増加するAIデータセンター
3.1 増加するAIデータセンター
3.2 逼迫する首都圏のデータセンター市場
3.3 データセンターのラック価格の推移
4.逼迫する首都圏の電力需給と「ワット・ビット連携」
4.1 地方に比べて逼迫傾向にある首都圏の電力需給
4.2 「ワット・ビット連携」とデータセンターの地方分散
5.データセンターの地方分散において有力なエリア
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◇第２章 AI、HPCなどを動かす電子機器へ向けた
放熱材料、部材の開発、トレンドと高発熱密度への対応◇
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第1節 AIなどを搭載する先端電子機器へ向けた放熱材料の選び方、使い方
1.熱抵抗とは
2.熱抵抗の定義
3.熱設計の見積もり
4.拡がり熱抵抗の算出
5.TIM目標熱抵抗の算出
第2節 2.xDパッケージの大型化に向けた反り抑制の課題と求められる材料技術
1.微細ノード化に伴う、後工程プロセスの抱える技術課題
2.2.xDパッケージのトレンドと研究開発動向
3.パネルレベルチップ埋め込みインターポーザー
4.ウェハレベルシリコンインターポーザー
5.大型基板の実装技術
第3節 負熱膨張材料の社会実装に向けた技術開発
1.負の熱膨張材料について
2.社会実装に向けた技術課題と解決アプローチ
3.負熱膨張材料 CZVPO
4.負熱膨張材料 ZMP
5.期待される展開
第4節 プラズマ表面改質を活用したフィラー配向制御による熱伝導性コンポジットの開発
1.プラズマ表面改質を用いたタフコンポジット開発
1.1 液中プラズマを用いた粒子表面改質
1.2 プラズマ表面改質hBN/ポリロタキサンコンポジットの機械的特性と熱伝導性
2.プラズマ表面改質フィラーの電界配向制御
2.1 六方晶窒化ホウ素（hBN）コンポジットでの電界配向制御と熱伝導パス形成
2.2 配向制御カーボンナノファイバーとカーボンナノチューブによる熱伝導パス形成
第5節 放熱ギャップフィラーの性能とAI搭載機器、HPCなどへの応用展望
1.熱伝導性材料について
1.1 熱伝導性材料の機能と役割
1.2 熱伝導性材料の種類
2.放熱ギャップフィラーの特徴
2.1 放熱ギャップフィラーの利点
2.2 界面熱抵抗
2.3 耐ポンプアウト性能
2.4 圧縮反力
2.5 チキソトロピー性
2.6 ポットライフと硬化時間
第6節 サーバー、基地局へ向けた六方晶窒化ホウ素を用いたシリコーン系高熱伝導シートの開発
1.シリコーン系TIMの構造
2.TIMの評価方法
2.1 熱伝導率
2.2 ゴム硬さ (ゴム硬度)
3.シリコーン系TIMの製品例
3.1 ラバータイプ
3.2 ゲルタイプ
3.3 パテタイプ
3.4 コンパウンドタイプ (一液型、非硬化タイプ)
3.5 コンパウンドタイプ (二液混合硬化タイプ)
4.熱伝導＋αの機能を有するタイプ
4.1 高耐熱TIM
4.2 X線遮蔽TIM
4.3 電磁波抑制TIM
5.六方晶窒化ホウ素を用いたシリコーン系高熱伝導性TIMシートの開発事例の紹介
5.1 六方晶窒化ホウ素フィラーについて
5.2 TIMシート成形時の板状粒子の配向について
5.3 hBNフィラーがランダムに配向したTIMシートの概略
5.4 本工法におけるTIMシートの作成手順例
5.5 造粒体作製に最適なフィラー充填比率の検証
5.6 本工法に適したフィラー配合の検証
5.7 開発したTIMシートの構造観察
5.8 XRD測定によるTIMシート中のhBN配向性の確認
第7節 人工グラファイト薄膜の特徴、開発と高性能電子機器への適用
1.人工グラファイト薄膜の構造と特性
2.サーマル・インターフェース・マテリアル（TIM）
3.人工グラファイト薄膜のTIM性能
4.熱伝導メカニズム
5.各種TIMとの比較
第8節 次世代パワー半導体における高耐熱接合材を用いたパワーモジュールの高性能化
1.次世代パワー半導体向けパワーモジュールパッケージ開発の取り組み
2.1200V 300A 自社開発SiCパワーモジュールの開発事例
2.1 パワーモジュールの諸元
2.2 耐熱温度 200℃
2.3 Sn-Cu系接合材IMCの適用効果
2.4 パッケージインダクタンス Ls
2.5 FLAPの熱抵抗 Rth_j-c
2.6 1200V 300A 自社開発SiCパワーモジュールの開発事例まとめ
3.Ag焼結接合を用いた650V 150A自社開発GaN-HEMTパワーモジュール開発事例
3.1 定常熱抵抗評価に適用するGaN-HEMTパワーモジュール
3.2 GaN-HEMTパワーモジュールのRth_j-c評価
3.3 GaN-HEMTパワーモジュールRth_j-c評価結果
3.4 Ag焼結接合を用いた650V 150A GaN-HEMTパワーモジュール開発事例まとめ
第9節 基板放熱に向けたセルロース系熱拡散フィルムの特徴と活用事例
1.CNFフィルムに見出された意外に高い熱伝導特性
1.1 伝熱異方性CNFフィルム
1.2 透明で伝熱するフィルム
1.3 伝熱CNFフィルムにおける湿度の影響
1.4 CNF間界面のイオンによる熱拡散率の制御性
2.フィルム基材による放熱技術
2.1 ヒートシンクが内在するトレードオフと基材の放熱効果
2.2 切り紙フィルムによる新規放熱技術
2.3 近接2熱源の基材放熱
第10節 次世代半導体パッケージ工程におけるエキシマVUV光処理技術の応用
1.VUV光処理の基礎的なメカニズム
1.1 光の種類
1.2 光化学反応
2.エキシマランプによるVUV光処理
2.1 エキシマランプの特徴
2.2 VUV光処理による表面改質原理
3.難接着材料への適応
3.1 パッケージ基板に用いられる難接着材料
3.2 VUV処理による表面改質事例
3.3 難接着材料の表面改質と密着性向上
3.3.1 表面改質後の表面状態の解析
3.3.2 めっき密着性評価
4.AI・HPC時代における半導体パッケージの進化と放熱材料開発の最新動向について
5.VUV光処理技術がもたらす新たな価値と今後の課題について
第11節 分子動力学法によるフィラーと樹脂間のフォノン熱伝達解析
1.緒言
2.先行研究
2.1 対象構造の熱伝導
2.2 フォノン伝達
3.実験・解析方法
3.1 実分散モデルの熱伝達率測定
3.2 表面処理膜の構造分析
3.3 分子動力学による熱伝達率算出
4.結果と考察
4.1 実分散モデルでの熱伝達率
4.2 表面処理膜の構造分析
4.3 分子動力学による熱伝達率
5.結論
第12節 高性能デバイスへ使われる新規熱伝導材料の熱伝導率およびその異方性の測定
1.熱伝導率測定法の分類
2.定常法
2.1 保護熱板法
2.2 熱流計法と平板比較法
2.3 サーマルパッドの熱伝導率測定
2.3.1 荷重依存性の測定
2.3.2 温度依存性の測定
3.非定常法
3.1 非定常法の時間と厚みの概念
3.2 フラッシュ法
3.3 スポット周期加熱放射測温法
3.3.1 スポット周期加熱放射測温法の測定原理
3.3.2 グラファイトシートの熱拡散率測定
3.3.3 サーマルインターフェースマテリアルの厚み方向・面内方向の熱拡散率測定と熱拡散率マッピング
第13節 サンプリングモアレ法によるアンダーフィル材の残留熱ひずみ分布の計測
1.残留熱ひずみ分布計測の原理
1.1 サンプリングモアレ法による熱ひずみの測定原理
1.2 残留熱ひずみの算出原理
2.実験
2.1 試験片の準備と格子作製
2.2 顕微鏡下での加熱試験
2.3 残留熱ひずみ分布の測定結果
第14節 フリップチップ・パッケージにおける基板での放熱技術の検討
1.有機基板内蔵パワー・インサート
1.1 放熱特性の評価
1.2 電源特性の評価
1.3 熱応力特性の評価
2.グラファイトシート内蔵有機基板
2.1 構造
2.2 作成プロセス
2.3 放熱特性の評価
2.4 機械特性の評価
2.5 誘導電流に関する電気シミュレーション
第15節 DMAやTMAを用いた電子材料の機械特性や膨張特性の測定
1.電子材料の動的機械分析（DMA）
1.1 DMAの測定装置
1.2 粘弾性測定のパラメータと測定モード
1.3 DMAの測定事例：ポリカーボネートの温度依存性
1.4 DMAの測定事例：ポリイミドの温度依存性
2.電子材料の熱機械分析（TMA）
2.1 TMAの装置と測定法
2.2 PCBのTMA測定事例
2.3 TMA測定を用いたプリント基板の信頼性評価事例
3.湿度制御下でのDMAおよびTMA測定
3.1 湿度制御DMA・湿度制御TMAの装置
3.2 ポリイミドフィルムの湿度膨張係数の測定
3.3 ナイロンのガラス転移における湿度の影響評価
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◇第３章 AI、生成AIなどの安定動作へ向けた冷却技術の適用と急発熱への対応◇
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第1節 水冷ヒートシンクの微細設計とトポロジー最適化の活用
1.設計最適化について
1.1 パラメータ最適化とは
1.2 トポロジー最適化とは
1.3 最適化問題としての違いと感度について
2.流体問題のトポロジー最適化
2.1 数式
2.2 パラメータの設定
3.応用事例としての水冷ヒートシンクの最適設計と評価
3.1 水冷ヒートシンク設計の難しさ
3.2 水冷ヒートシンクへのトポロジー最適化の適用
3.3 最適化結果の3Dプリンタでの試作と評価
3.4 今後の課題
第2節 高効率放熱・熱交換を志向したデータ駆動型構造最適化
1.ボロノイ分割と機械学習を活用した構造最適化のフレームワーク
2.実際の最適化例
2.1 有限要素法（FEM）に基づく数値流体力学（CFD）解析
2.2 機械学習モデリング
2.3 最適化計算結果と最適構造に関する考察
第3節 エレクトロウエッティングの制御と新規ヒートパイプ開発への応用
1.ヒートパイプおよびエレクトロウエッティングについて
1.1 ヒートパイプとその課題点
1.2 ここでのエレクトロウエッティング技術の特徴
2.実験装置および実験方法
3.実験結果
4.考察
第4節 シンプルなシミュレーションモデルによる自励振動ヒートパイプの流動挙動メカニズム解明の試み
1.計算モデル
1.1 モデルの概要
1.2 計算手法
1.3 計算条件
1.4 モデルの妥当性検証
2.結果と考察
2.1 振動流と脈動循環流の遷移メカニズム
2.2 遷移境界マップ（流路径とターン数の影響の調査）
第5節 べーパーチャンバーを用いたサーバ用CPU、GPUの冷却技術
1.サーバ用CPU/GPU冷却技術
2.べーパーチャンバーについて
2.1 べーパーチャンバーの原理
2.2 べーパーチャンバーの拡大熱抵抗
2.3 水冷用べーパーチャンバー
2.4 空冷用タワー型べーパーチャンバー
第6節 MEMS技術を用いた小型ベーパーチャンバーの開発
1.通信デバイスの小型化と課題
1.1 通信デバイスの小型化
1.2 小型化における実装技術の変化と放熱
2.電子デバイスにおける放熱・冷却システムと課題
3.MEMS技術を用いた超小型ベーパーチャンバー
3.1 MEMS技術と作製方法
3.2 MEMSベーパーチャンバーの設計
3.3 MEMSベーパーチャンバーの評価
第7節 三次元マイクロ流路を用いた水冷システムの構築とAIチップ、電子機器への応用
1.二相流冷却技術の背景と課題
2.マニホールドとキャピラリー構造の設計原理
3.デバイス作製と測定装置
3.1 デバイス作製
3.2 実験装置と測定条件
4.流動沸騰の特性のマニフォールド構造依存性
5.キャピラリー構造による流動沸騰の強化
6.流動様式の遷移と安定化のメカニズム
7.性能評価とベンチマーク
8.将来展望とAIチップ冷却への応用
第8節 AIサーバーへ向けた液浸冷却油の適用と展望
1.はじめに：液浸冷却技術と液浸冷却油の重要性
2.液浸冷却方式について
3.液浸冷却油の分類
4.液浸冷却油に求められる物性と性能指標
4.1 熱特性
4.2 電気特性
4.3 化学安定性
4.4 材料適合性
5.液浸冷却が必要とされる背景
5.1 AIモデルの巨大化
5.2 PUEの改善要求
5.3 設置自由度と高密度化
6.液浸冷却油の開発トレンド
6.1 低粘度化と高熱伝導化
6.2 長寿命化と酸化安定性
6.3 材料適合性の改善
6.4 環境配慮型素材
7.液浸冷却市場動向と競争環境
8.出光液浸油の紹介
9.液浸冷却油の課題
10.液浸冷却油の将来性と展望
11.今後の技術ロードマップや標準化動向
第9節 電界共役流体を用いたCPU液冷システム
1.管路形ECFポンプを用いたCPU冷却システム
1.1 管路形ECFポンプの構造と性能
1.2 管路形ECFポンプを用いたCPU液冷システム
2.メッシュ電極型ECFポンプを用いたCPU液冷システム
2.1 メッシュ電極型ECFポンプの構造と性能
2.2 放熱塗料に関する検討
2.3 メッシュ電極型ECFポンプを用いたCPU液冷システム
3.CPU液浸冷却システム
3.1 大気に放熱する液浸冷却システム
3.2 ECFと相変化を利用したCPU液浸冷却システム
第10節 データセンタの沸騰冷却へ向けた発熱体表面の沸点開始点低下
1.アルミニウムのアノード酸化（陽極酸化）による多孔質構造形成と沸騰特性
1.1 アルミニウムのアノード酸化とは
1.2 ポーラス型酸化皮膜形成表面の沸騰伝熱特性
2.リエントラント型ナノ細孔の形成による沸騰伝熱面の沸騰開始点低下
2.1 二段階アノード酸化によるリエントラント型ナノ細孔形成
2.2 リエントラント型ナノ細孔形成表面の沸騰特性と耐久性評価
第11節 次世代高性能サーバー冷却用沸騰冷却手法の開発
1.はじめに
1.1 背景
1.2 二相流動の不安定性
1.3 研究の目的
2.実験装置
2.1 ヒートシンク設計（拡張流路およびストレート流路ヒートシンク）
2.2 試験ループ
2.3 実験条件および運転モード
3.結果および考察
3.1 ストレート流路ヒートシンク 二つを並列接続し能動制御した場合の性能
3.1.1 定常運転性能
3.1.2 過渡運転性能
3.2 並列接続された二つの拡張流路ヒートシンクの性能
3.2.1 過渡運転性能
3.2.2 定常運転性能
3.3 直列接続された 二つの拡張流路ヒートシンクの性能
4.結論
第12節 GXを実現するロータス型ポーラス金属を用いた世界最高の二相沸騰冷却技術
1.AIを実現する演算能力向上における冷却性能の重要性
2.サーバーの熱制御技術としての二相沸騰冷却
3.ロータス金属を用いた沸騰促進による沸騰冷却性能の向上
4.応用例：ブリージング効果を利用した浸漬沸騰冷却PC
第13節 システムシミュレーションによる高効率データセンター空調システムの開発
1.PUE及びpPUE
2.Modelicaを利用したシステムシミュレーション
3.システムシミュレーションモデル
3.1 モデル概要
3.2 空調運転設定
4.DC LABモデルの年間シミュレーションによるエネルギー評価
4.1 空調機ファン運転方法の検討
4.2 チラー冷水出口設定温度の検討
4.3 立地地域の検討
5.HPFU外冷モデルの年間シミュレーションによるエネルギー評価
5.1 外冷目標温度の検討
5.2 HPFU台数の検討
5.3 外冷ファン発停外気基準温度の検討
5.4 空調機給気温度の検討
5.5 立地地域の検討
第14節 データセンタへの全空気式雪冷房の適応
1.システムと気象例
1.1 冷房の条件とシステム
1.2 気象条件
2.計算条件と計算式および計算手順
2.1 計算条件
2.2 計算式と計算手順
2.3 各領域での操作と計算例
3.結果と検討
3.1 雪孔１孔当たりの年間の雪量，水量，風量
3.2 サーバ室の環境変化と温湿度の変化
3.3 結果の応用
3.3.1 雪孔１孔に対しての冷熱出力と最大風量
3.3.2 冷熱出力１MW当たりの雪孔の孔数と雪と水の量および排熱量
3.3.3 雪量(188.92[ton/孔])に対応する雪孔の寸法と雪山の寸法
3.3.4 通気ダクトの寸法
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◇第４章 先端半導体、電子デバイスにおける熱の設計、解析、シミュレーション◇
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第1節 PCの伝熱経路と熱管理手法
1.PCの伝熱経路
1.1 PCの伝熱経路概要
1.2 ジャンクション温度と熱抵抗
1.3 マイクロプロセッサに採用される放熱機構
2.PCにおける熱管理
2.1 マイクロプロセッサの消費電力とTDP
2.2 PCにおける温度・電力制御
3.近年のマイクロプロセッサにおける熱管理
3.1 マイクロプロセッサのブースト機能
3.2 マイクロプロセッサのブースト機能を考慮した熱管理
第2節 半導体へ向けた放熱材料の伝熱設計
1.高温半導体部品のプリント実装による放熱について
2.SMD実装における信頼性と放熱の課題
3.放熱材の設計上の留意点への導入
4.放熱材の導入と製造工程コストの考慮
4.1 放熱ゲル（ギャップフィラー）の課題と設計上の対策
4.2 放熱シート
5.放熱設計における今後の展望
第3節 半導体パッケージの熱シミュレーションモデル
1.熱シミュレーションモデルの種類
2.SPTP
2.1 コンセプト
2.2 各種パッケージの仕様
2.2.1 ディスクリートパッケージ
2.2.2 PBGA & FBGA
3.今後の展開
第4節 AI，HPCなどを動かすプリント基板上半導体デバイスの発熱量推定手法
1.研究の背景
1.1 発熱量推定の重要性
1.2 既往の研究
2.本研究
2.1 発熱量推定の原理
2.2 本研究の特徴
3.発熱量推定の検証
3.1 検証方法
3.2 検証結果
4.発熱量推定のための指針
第5節 熱回路網法を用いたプリント配線基板の熱抵抗解析
1.熱回路網
2.プリント配線基板のモデル化
3.解析条件
4.解析結果
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◇第５章 AI、生成AIなどを搭載する装置、デバイスの放熱、冷却技術 ◇
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第1節 データセンターにおける水冷サーバーの導入環境
1. データセンターの導入環境の基本
1.1 寸法と荷重
1.1.1 データセンターで使われるサーバーラックの寸法と規格
1.1.2 レールとマウンティングポストの関係
1.1.3 荷重と床耐荷重
1.1.4 設置面積の拡張と架台の活用
1.2 電源
1.2.1 データセンターで一般的に使われるコンセント・プラグ
1.2.2 100Vと200Vの違い
1.2.3 Power Distribution Unit (PDU)
1.3 冷却
1.3.1 データセンターの冷却の変化
1.3.2 ホットアイルとコールドアイル
1.3.3 ホット・コールドアイルの囲い込みと局所空調
2.データセンターにおける水冷サーバーの導入環境
2.1 水冷サーバーに必要なコンポーネント
2.1.1 コールドプレート
2.1.2 マニフォールド
2.1.3 CDU (Coolant Distribution Unit)
2.2 水冷サーバーの導入環境における寸法と重量
2.2.1 水冷サーバーを搭載するラックの寸法
2.2.2 OPEN Compute Project (OCP)規格の21インチラックの採用
2.2.3 水冷サーバーの荷重
2.3 水冷サーバーの電源
2.3.1 三相電源の必要性
2.3.2 直流電源
2.3.3 パワーシェルフの冗長の考え方
2.3.4 データセンターに必要な電源の肥大化
2.4 水冷サーバーの冷却
2.4.1 空冷の必要性
2.4.2 水冷と空冷の比率
2.4.3 設備側からの冷水・冷却水
3.まとめ
3.1 人材
3.2 設備
3.3 場所
第2節 AIブームにおけるGPUサーバーの概況と冷却技術
1.AIブームとGPUサーバー市場の拡大
2.スーパーマイクロのGPUサーバーソリューション
3.冷却技術の進化と課題
4.スーパーマイクロの水冷ソリューション
5.将来展望とサステナビリティ
第3節 超省エネ型データセンターの運用と高性能GPU/CPUの冷却
1.AI時代におけるデータセンターの動向
1.1 データセンターにおける電力消費
1.2 サーバー機器の消費電力量
2.AI時代のデータセンターに利用される冷却技術
2.1 リアドア方式
2.2 液冷方式と超省エネ型コロケーションサービス 「Green Nexcenter?」
2.3 液浸方式
2.4 ハイブリッドな冷却方式
2.5 サーバー冷却以外でのデータセンター冷却方式
第4節 スマートフォン、PCの熱対策で求められる放熱・冷却技術
1.デスクトップPC
2.ノートPC
3.スマートフォン
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