山陽小野田市立山口東京理科大学と株式会社ロータス・サーマル・ソリューションの共同研究チームは、液浸冷却環境下において熱界面材料（TIM：Thermal Interface Material）の接触熱抵抗を連続的かつ定量的に測定する「その場（in-situ）評価技術」を確立しました。サーバーを冷却液に直接浸す液浸冷却において、TIMの熱性能の経時変化をリアルタイムで把握することが可能になります。本取り組みは国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の支援事業にも採択されています。

高発熱化するデータセンターと液浸冷却の課題

生成AIやHPC（高性能計算）の普及に伴い、データセンターではCPU・GPUの高性能化と高発熱化が進んでおり、サーバーの消費電力増加に伴って発生する熱の効率的な処理が求められています。こうした中、高発熱デバイスを冷却液に直接浸漬する液浸冷却技術は、高い冷却性能と省エネルギー性を両立する次世代の冷却技術として注目されています。

一方で液浸冷却システムでは、半導体素子とヒートスプレッダや冷却部材の間に介在するTIMが、長期間にわたり冷却液や温度変化、熱負荷の影響を受けます。TIMの状態変化により接触熱抵抗が変わると、半導体素子の温度上昇や冷却性能の低下につながる可能性がありますが、液浸環境下でTIMを使用しながら熱抵抗の経時変化を連続測定することは困難とされていました。

接触熱抵抗を連続・定量測定する新技術

山陽小野田市立山口東京理科大学工学部機械工学科の結城光平講師および株式会社ロータス・サーマル・ソリューションの井手拓哉代表取締役社長らの共同研究チームは、「液浸環境下における接触熱抵抗のin-situ（その場）評価技術」を開発しました。

本技術では、冷媒中に浸漬したTIMを介して接合した模擬熱源と模擬冷却器の間に熱流束を与え、接合部の温度差および熱流束を測定することで、TIMを含む界面の熱抵抗を連続的に算出します。冷媒への曝露や温度、圧力などの条件を与えながら、熱抵抗の時間変化をリアルタイムに把握できます。

従来の試験前後の状態観察や重量変化による推定とは異なり、熱をどれだけ通しにくくなったかという熱性能そのものを連続的に評価できる点が特徴です。これにより、冷却液への曝露や熱・機械的負荷によるTIMの膨潤、溶出、流動、界面状態の変化が接触熱抵抗に及ぼす影響を定量的に把握できます。

評価の標準化と寿命予測技術の確立へ

本取り組みは、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の「官民若手研究者発掘支援事業（若サポ事業）マッチングサポートフェーズ」に採択されました（研究代表者：山陽小野田市立山口東京理科大学 結城 光平）。

今後は、一般社団法人日本液浸コンソーシアムを通じて実際の液浸冷却環境における実証や評価条件・評価方法の標準化を進める方針です。また、NEDOの支援のもとでTIMの劣化メカニズムの解明や劣化速度の定量化、寿命予測技術の確立に向けた研究開発が進められます。将来的には、ヒートスプレッダや金属接合部、冷却部材など、半導体から冷媒までの熱輸送経路全体を対象とした熱信頼性評価技術への展開を目指すとしています。

本記事は山陽小野田市立山口東京理科大学および株式会社ロータス・サーマル・ソリューションの発表をもとに作成。

Dellows News編集部

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