博 士 論 文 概 要
7
0
0
全文
(2) 計 算 機 は 、高 性 能 高 信 頼 性 の 観 点 か ら 情 報 化 社 会 の 中 で 基 幹 業 務 を 担 っ て き た 。 このため、耐用年数１０年にわたり連続稼動できる計算機を開発することが要求 された。高性能化に伴い発熱量が増大するＬＳＩチップを許容温度以下に保つた めに、従来の空冷に加えて液冷方式の採用が検討された。 液冷計算機は、ＬＳＩチップを搭載したマルチチップモジュールとその液冷シ ステム、さらにその他の周辺部品とで構成されている。液冷システムは、水冷方 式と浸漬冷却方式に大別される。水冷方式は、ＬＳＩチップの発熱を、マルチチ ップモジュールを介して平板型熱交換器である銅製水冷ジャケットで冷却する。 水冷ジャケットの水溶液腐食による漏水は、ＬＳＩチップや積層基板などの電極 間の短絡を引き起こし、計算機に重大な損傷を与える。一方浸漬冷却方式は、マ ル チ チ ッ プ モ ジ ュ ー ル 内 に 流 し た 電 気 絶 縁 性 冷 媒 （ フ ッ 素 系 不 活 性 冷 媒 C6F14） に よりＬＳＩを直接冷却する。この方式では、漏水による短絡の心配はないが、接 液する積層基板の銅配線及びポリイミド絶縁膜が冷媒中に存在する微量水分によ り腐食劣化して電気特性が低下することが懸念される。そこで、銅とポリイミド の腐食評価を行い、さらに腐食抑制技術を開発した。 空冷計算機の場合でも、マルチチップモジュールをはじめ各種基板を接続する ために、またリレーなどで信号を切替えるために、接点部品が多用されている。 空気中に存在する腐食性ガスにより腐食する接点部品に対して、信頼性確保とコ スト低減を両立させるために腐食試験規格を見直して適正化した。さらに、設置 環境を基準にした上記腐食試験規格の妥当性を評価するため、また計算機の設置 環境を改善するために設置環境の腐食性を評価する腐食センサを開発した。 本論文を構成する一連の研究は、計算機の冷却システム（水冷、浸漬冷却、空 冷）の腐食評価と腐食抑制技術に関するものであり、計算機の電子部品の腐食に 関する主要課題を全て網羅している。これらの結果をまとめた本論文は、以下の ７章で構成される。 第一章「緒言」では、計算機冷却システムの変遷、計算機での腐食問題、研究 目的、従来研究、論文の構成について述べた。 第二章「水冷システムの腐食評価と腐食抑制技術」では、冷却構造を変更する ことなく冷却性能を向上できる冷却水の高流速化を図ったシステムに対して、水 冷ジャケットの腐食挙動を評価した後、腐食抑制技術を提案した。高流速環境で 銅を使用した場合、エロージョン・コロージョンが発生するため一定の流速以下 （限界流速）で使用することが必要である。冷却水に腐食性の弱い純水やインヒ ビタを添加した純水を管理して使用した場合、水冷ジャケットの限界流速は４ｍ ／ｓ以上（管理しない系では１ｍ／ｓ）になることを確認した。流速４ｍ／ｓ以 下のイオン交換系またはインヒビタ系での腐食深さは４μｍまたは０．０３μｍ であるのに対し、未管理系では６６０μｍとなり腐食による障害が発生すること を予測した。水冷ジャケットの耐食性を確保するためには、冷却水の水質管理が 1.
(3) 不可欠であると結論づけた。 そこで、イオン交換系及びインヒビタ系における腐食抑制方法を検討し、冷却 水の水質管理基準を定めた。イオン交換系では、イオン交換樹脂の交換容量の低 下と腐食性イオンの溶出を考慮したイオン交換器の寿命推定法を確立し、４年ご とにイオン交換樹脂を交換することを提案した。またインヒビタ系では、銅材料 のインヒビタであるベンゾトリアゾール濃度の経時低下と腐食に対する有効ベン ゾトリアゾール濃度を考慮してインヒビタの寿命推定法を確立し、２年ごとにベ ンゾトリアゾールを追加補給することを提案した。さらに、１０年間メンテナン スフリーを実現できる水冷却システムとして、イオン交換樹脂に平衡吸着させた ベンゾトリアゾールを冷却水中に徐々に放出させるイオン交換−インヒビタ共存 系を提案した。 第三章「浸漬冷却システムの腐食評価と腐食抑制技術」では、浸漬冷却方式の う ち 冷 却 能 力 の 高 い 沸 騰 冷 却 方 式 に 適 し た フ ッ 素 系 不 活 性 冷 媒 C6F14を 採 用 し 、 接 液材料である銅及びポリイミドの腐食劣化挙動を評価した後、腐食抑制技術を提 案した。フッ素系不活性冷媒は１００℃以下の環境で経時的に分解することはな く、銅の腐食は温度、溶存水分、溶存酸素により進行する。液温８５℃以下の環 境では大気腐食と同様にＷｅｔ酸化が主体で腐食が進行する。１００℃の環境で は、Ｄｒｙ酸化が進行し、溶存水分が８ｍｇ／ｋｇ以上になると水蒸気の影響で 腐食は著しく進行する。また、８５℃以下のフッ素系不活性冷媒中での金属腐食 は、大気腐食と同じメカニズムであることを解明した。一方、ポリイミドは１５ ０℃以下の環境でフッ素系不活性冷媒に溶解しない。また、ポリイミドの引張り 強度は低下が認められなかった。ただし、ポリイミドの膨潤及びポリイミドとア ルミナのはく離強度は、フッ素系不活性冷媒自体ではなく、その溶存水分により 低下した。フッ素系不活性冷媒中では銅の腐食及びポリイミドの劣化は、溶存水 分を低減することで抑制できると結論づけた。 そこで、フッ素系不活性冷媒の液質管理による腐食抑制方法を検討した。銅の 腐食及びポリイミドの劣化を抑制するためには、溶存水分を除去することが有効 であり、吸水材としては、活性アルミナ、シリカゲルに比べて吸水能力に優れた 高吸水性樹脂の採用を提案した。 第四章「混合ガス腐食試験による接点部品の評価と試験条件の適正化」では、 構成部品の過剰品質の要因に挙げられている接点部品用の混合ガス腐食試験規格 （ NO2:1.0ppm, SO2:1.0ppm, H2S:0.5ppm, 35℃ , 70%RH） を 取 上 げ 、 試 験 条 件 を 見 直した。従来の信頼性データを有効活用するため、ガス濃度を変更せずに試験時 間のみを見直した。ばらつきの大きい接点部品の接触抵抗および腐食面積率など の腐食損傷を極値統計により整理する方法を確立した。サイト戻り品及び混合ガ ス試験品の腐食損傷を比較評価して、混合ガス腐食試験の曝露時間は１０時間が 適正であることを提案した。なお、樹脂容器で密封されているリレーなどの接点 2.
(4) 部品では、短期的には腐食性ガスを透過しない樹脂容器でも長期的には腐食性ガ スを透過するため、開封状態で混合ガス腐食試験を実施することを提案した。 第五章「設置環境の腐食性を評価する腐食センサの開発」では、計算機が設置 されている環境の腐食性を金属の腐食量により評価する方法に注目して、機器分 析を必要としないその場測定型腐食センサ、低コストで簡単な測定系からなる連 続測定が可能な電気抵抗型腐食センサを開発した。その場測定型腐食センサは、 金属薄膜とその腐食皮膜との色調が異なることを利用して金属薄膜の腐食厚さを 測定できる。一方、電気抵抗型腐食センサは、腐食による電極形状の変化を電気 抵抗の変化として測定して金属薄膜の腐食厚さを算出できる。これらの腐食セン サを用いて、通常の計算機室、重工業プラントの計算機室及び一般事務所の腐食 性を測定できることを確認した。 第六章「総括」では、計算機の腐食信頼性という視点に立ち、冷却システム とその他の周辺部品の腐食評価とその対策について、本研究で得られた成果の総 括を行った。１９９０年に製品化した計算機は、第２章で報告した水冷ジャケッ トの腐食寿命予測結果に基づきイオン交換系水冷システム及び冷却水の水質管理 基準を採用した。さらに１９９５年に製品化した計算機は、冷却水の高流速化に より水冷システムの冷却性能を向上させるため、第２章で報告した高流速環境で の水冷ジャケットの腐食寿命予測結果に基づき、耐食性に優れたインヒビタ系水 冷システムを採用した。さらに１９９９年に製品化した機種でもインヒビタ系水 冷システムを採用した。いずれの計算機でも、所定の期間ごとにイオン交換器を 交 換 ま た は イ ン ヒ ビ タ を 補 充 す る こ と に よ り 、 耐 用 年 数 の 10年 間 に わ た り 問 題 な く稼動したことを確認した。一方、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）用ＬＳＩチ ップも性能と共に発熱量が著しく増大したため、このＬＳＩチップを搭載したＰ Ｃでは、空冷ファンによる騒音が無視できないほど大きな値になってきた。そこ で騒音レベルを大幅に低減した静音ＰＣとして、世界初の水冷ノート型ＰＣを２ ００２年に製品化した。これは、上述の水冷システムで培った腐食評価及び腐食 抑制技術に基づいて開発したものである。. 3.
(5) 研 究 業 績 種 類 別 論文. ○ ○ ○ ○ ○ ○. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. 1) 電 子 装 置 設 置 環 境 の腐 食 性 を評 価 するための腐 食 センサ、材 料 と環 境 、 南 谷 林 太 郎 、天 沼 武 宏 、松 井 清 （投 稿 中 ） 2) 水 冷 電 子 装 置 の腐 食 抑 制 設 計 技 術 、材 料 と環 境 、南 谷 林 太 郎 、笠 井 憲 一 （投 稿 中 ） 3) 各 種 冷 却 水 環 境 に お け る 銅 の 腐 食 挙 動 と そ の 寿 命 予 測 、 材 料 と 環 境 、 50、231、2001.5、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、笠 井 憲 一 4) 電 気 接 点 部 品 用 の 混 合 ガ ス 腐 食 試 験 に お け る 試 験 条 件 の 適 正 化 、 材 料 、49、1338、2000.12、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、保 川 彰 夫 5) 不 活 性 冷 媒 中 でのポリイミドの劣 化 挙 動 、材 料 、49、204、2000.2、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、高 橋 研 二 、笠 井 憲 一 6) 不 活 性 冷 媒 中 で の 銅 の 腐 食 挙 動 、 材 料 、 48 、 392 、 1999.4 、 南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 夫 、島 津 ひろみ、笠 井 憲 一. 講演. 1) 液 体 パーフルオロカーボン中 での銅 及 びポリイミドの劣 化 、日 本 材 料 学 会 腐 食 防 食 部 門 委 員 会 第 243 回 例 会 資 料 、26、2005.3、南 谷 林 太 郎 2) 電 気 ・ 電 子 装 置 の設 置 環 境 評 価 、日 本 材 料 学 会 腐 食 防 食 部 門 委 員 会 第 236 回 例 会 資 料 、13、2004.1、南 谷 林 太 郎 3) An in-situ Atmospheric Corrosion Sensor, The Electrochemical Society 203rd Meeting, 240, 2003.4, R. Minamitani 4) 抵 抗 式 大 気 腐 食 セ ン サ の 実 用 化 検 討 、 材 料 と 環 境 2002 講 演 集 、 5 、 2002.5、南 谷 林 太 郎 5) 大 気 腐 食 センサの開 発 、第 48 回 材 料 と環 境 討 論 会 講 演 集 、87、2001.9、 南 谷 林 太 郎 、青 野 輝 行 6) 大 気 腐 食 センサによる制 御 装 置 の設 置 環 境 調 査 、材 料 と環 境 2001 講 演 集 、351、2001.5、南 谷 林 太 郎 、青 野 輝 行 7) 大 気 腐 食 センサの特 性 と実 測 例 、 第 47 回 材 料 と環 境 討 論 会 講 演 集 、 43、2000.10、南 谷 林 太 郎 、松 井 清 、新 俊 之 8) Degradation characteristics of copper and polyimide in Liquid Perfluorocarbon, The Electrochemical Society 197th Meeting, 197, 2000.5, R. Minamitani 9) 電 気 部 品 の環 境 腐 食 試 験 法 の適 正 化 、 腐 食 防 食 部 門 委 員 会 第 209 回 例 会 資 料 、45、1999.3、南 谷 林 太 郎 10) 純 水 中 で の 銅 の 腐 食 挙 動 、 第 42 回 腐 食 防 食 討 論 会 講 演 集 、 31 、 1995.9、南 谷 林 太 郎 、笠 井 憲 一 11) 純 水 中 で の 銅 の 腐 食 挙 動 、 第 36 回 腐 食 防 食 討 論 会 講 演 集 、 113 、 1989.10、南 谷 林 太 郎 、笠 井 憲 一. 連名講演. 1) フルオロカーボン中 における銅 の腐 食 挙 動 、 第 40 回 腐 食 防 食 討 論 会 講 演 集 、515、1993.10、轟 原 ひろみ、南 谷 林 太 郎 、笠 井 憲 一 、初 田 俊 雄. 特許 公開公報. 1) 腐 食 センサ、特 開 2002-350329、特 願 2001.5、南 谷 林 太 郎 、青 野 輝 行 2) 腐 食 センサ、特 開 2002-139416、2000.10、南 谷 林 太 郎 、松 井 清 、新 俊 之 3) 腐 食 環 境 モニタリング装 置 、特 開 平 10-90165、1998.4、南 谷 林 太 郎 、保 川 彰 夫 、笠 井 憲 一 4) 電 子 機 器 の 冷 却 装 置 、 並 び に そ れ に 用 い る 有 機 冷 媒 の 液 質 管 理 シ ステ 5.
(6) ム、 水 分 検 出 装 置 、 酸 素 検 出 装 置 、 特 開 平 7-243743、 1995.9、 南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、笠 井 憲 一 、轟 原 ひろみ 5) 不 活 性 冷 媒 を 用 い た 装 置 の 水 分 除 去 シ ス テ ム 、 特 開 平 7-218048 、 1995.8、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、轟 原 ひろみ、笠 井 憲 一 6) 冷 媒 を用 いた電 子 機 器 の緊 急 冷 却 装 置 、特 開 平 7-142654、1995.6、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、笠 井 憲 一 、轟 原 ひろみ 7) フ ッ 素 系 不 活 性 液 体 を 用 い た 装 置 の 水 分 除 去 シ ス テ ム 、 特 開 平 6-125025、1994.5、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、土 居 博 昭 、笠 井 憲 一 、出 居 昭男 8) 水 分 除 去 装 置 、特 開 平 5-133870、1993.5、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、笠 井憲一 9) 高 電 気 絶 縁 性 冷 媒 用 腐 食 センサ、特 開 平 5-126776、1993.5、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、笠 井 憲 一 10) 電 子 装 置 の冷 却 装 置 、特 開 平 4-367252、1992.12、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、笠 井 憲 一 、中 島 忠 克 11) 水 冷 却 装 置 、特 開 平 4-334505、1992.11、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、宗 本由香 12) 水 冷 却 装 置 、特 開 平 4-203781、1992.8、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、岩 井 進 、頭 士 鎮 夫 、笠 井 憲 一 、大 黒 崇 弘 13) 冷 却 装 置 、特 開 平 4-155897、1992.5、南 谷 林 太 郎 、笠 井 憲 一 、大 黒 崇 弘 、新 隆 之 、岩 井 進 、頭 士 鎮 夫 、小 泉 繁 14) 腐 食 抑 制 構 造 体 、特 開 平 4-28889、1992.1、南 谷 林 太 郎 、笠 井 憲 一 、 頭士鎮夫 15) 冷 却 装 置 、特 開 平 2-78260、1990.3、南 谷 林 太 郎 、笠 井 憲 一 、頭 士 鎮 夫 その他 （論文）. 1) 小 型 液 冷 シ ス テ ム にお け る 不 凍 液 透 過 挙 動 、 材 料 、 53 、 213 、 2004.2 、 南 谷 林 太 郎 、松 下 伸 二 2) 光 ファイバを用 いた自 動 車 エンジン用 筒 内 圧 センサの構 造 最 適 化 、日 本 機 械 学 会 論 文 集 A、66-652、 2261、2000.12、南 谷 林 太 郎 、小 町 谷 昌 宏 、 保 川 彰 夫 、渡 辺 静 久 3) 光 ファイバセンサ用 ポリイミドコートの機 械 的 特 性 動 、電 気 学 会 論 文 誌 Ｅ、 119、2、60、1999.2、南 谷 林 太 郎 、保 川 彰 夫 、小 町 谷 昌 宏 、渡 辺 静 久 4) 振 動 型 腐 食 セ ン サ に よ る 腐 食 計 測 、 材 料 と 環 境 、 43 、 385 、 1994.7 、 南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、笠 井 憲 一. （解説）. 1) 電 子 装 置 の 設 備 環 境 評 価 、 電 気 化 学 お よ び 工 業 物 理 化 学 、 73 、 164 、 2005.2、南 谷 林 太 郎. （講演）. 1) 電 気 ・ 電 子 機 器 の 設 備 保 全 、 第 31 回 コ ロ ー ジ ョ ン ・ セ ミ ナ ー 資 料 、 73 、 2004.7、南 谷 林 太 郎 2) 単 体 硫 黄 を用 いた簡 易 ガス試 験 方 法 の開 発 、第 50 回 材 料 と環 境 討 論 会 講 演 集 、101、2003.11、南 谷 林 太 郎 、石 川 雄 一 3) エレクトロニクス部 品 の環 境 評 価 、第 ３３回 技 術 セミナー資 料 、41、2003.9、 南谷林太郎 4) 大 気 腐 食 評 価 ・診 断 の基 礎 と応 用 -電 子 機 器 ・部 品 -、第 30 回 コロージョ ン・セミナー資 料 、97、2003.7、南 谷 林 太 郎 5) 電 気 電 子 装 置 の腐 食 損 傷 とその対 策 、第 28 回 コロージョン・セミナー資 6.
(7) 6) 7) 8) 9). 料 、66、2001.7、南 谷 林 太 郎 、石 川 雄 一 銀 被 覆 銅 リード線 の結 露 環 境 における腐 食 挙 動 、材 料 と環 境 2000 講 演 集 、179、2000.6、南 谷 林 太 郎 、石 川 雄 一 ファイバ式 圧 力 センサの構 造 最 適 化 、機 械 学 会 関 東 支 部 ・精 密 工 学 会 共 催 茨 城 講 演 会 、25、1998.9、南 谷 林 太 郎 、保 川 彰 夫 、渡 辺 静 久 振 動 型 腐 食 センサの開 発 (2)、腐 食 防 食 92 講 演 集 、191、1992.4、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、笠 井 憲 一 振 動 型 腐 食 セ ン サ の 開 発 、 第 38 回 腐 食 防 食 討 論 会 講 演 集 、 85 、 1991.10、南 谷 林 太 郎 、初 田 俊 雄 、笠 井 憲 一. （連名論文） 1 ) A N e w M e t h o d U s i n g E n e r g y R e l e a s e E l e m e n t s t o E s t i m a t e t h e Bonding Strength, JSME International Journal, Series A, 45, 420, 2002.3, T. Hatsuda, R. Minamitani 2) エネルギー解 放 要 素 による異 材 接 合 継 手 のはく離 温 度 評 価 、機 械 学 会 論 文 集 A、66-651、2068、2000.11、初 田 俊 雄 、南 谷 林 太 郎 3) エ ネ ル ギ ー 解 放 要 素 を 用 い た 界 面 強 度 評 価 法 、 機 械 学 会 論 文 集 A 、 66-648、 1561、2000.8、初 田 俊 雄 、南 谷 林 太 郎 4) Proof-Testing and Probabilistic Lifetime Estimation of Glass Fibers for Sensor Applications, APPLIED OPTICS, 38, 2767, 1999.5, M. Komachiya, R. Minamitani, T. Fumino, T. Sakaguchi （連名講演） 1 ) 銅 お よ び 銅 合 金 の 応 力 腐 食 割 れ 事 例 と 解 説 、 第 2 9 回 コ ロ ー ジ ョ ン ･ セ ミ ナ ー資 料 、68、2002.7、山 田 豊 、南 谷 林 太 郎 2) A New Method Using Energy Release Elements for Evaluating Bonding Strength, Int. Sym. on Electronic Materials and Packaging 2000, 257, 2000.12, T. Hatsuda, R. Minamitani 3) ネルギー解 放 要 素 を用 いた新 しい接 合 界 面 強 度 評 価 法 、 日 本 機 械 学 会 2000 年 度 年 次 大 会 講 演 論 文 集 (I)、193、2000.8、初 田 俊 雄 、南 谷 林 太 郎 4) Development of mechanical fatigue test method for flip-chip solder joints, 42nd Electronic Components and Technology Conference, 167, 1992.5, H. Doi, K. Kawano, R. Minamitani, T. Hatuda 5) 動 的 軸 圧 縮 での薄 肉 円 管 の圧 壊 挙 動 の理 論 的 及 び 実 験 的 解 析 、航 空 宇 宙 材 料 シ ン ポ ジ ウ ム 講 演 集 ( 第 16 回 ) 、 1 、 1986.3 、 河 田 幸 三 、 宮 本 岩 男 、南 谷 林 太 郎 6) 薄 肉 円 管 の動 的 圧 縮 座 屈 後 強 さの解 析 、第 5回 固 体 衝 撃 工 学 シンポジウ ム講 演 集 、1、1985.12、河 田 幸 三 、 宮 本 岩 男 、 南 谷 林 太 郎 7) 薄 肉 円 管 の弾 性 軸 圧 縮 座 屈 後 塑 性 圧 壊 挙 動 に 関 する研 究 、第 27回 構 造 強 度 に 関 す る 講 演 会 講 演 集 、 126 、 1985.7、 河 田 幸 三 、 宮 本 岩 男 、 南 谷林太郎 8) 比 較 的 継 続 時 間 の長 い衝 撃 現 象 測 定 用 の縦 型 高 速 負 荷 計 測 システム、 航 空 宇 宙 材 料 シンポジウム講 演 集 (第 15回 )、1、1985.3、河 田 幸 三 、宮 本 岩 男 、南 谷 林 太 郎 、赤 見 昇 、小 林 良 一 9) P l a s t i c C o l l a p s e i n D y n a m i c A x i a l C o m p r e s s i o n o f T h i n - W a l l e d Circular Tube, Proc. of the Inter. Symp. on Intense Dynamic Load ing and Its effects, 454, 1986.6, K. Kawata, I. Miyamoto, R. Minamit ani. 7.
(8)
関連したドキュメント
[4] Takako Ogawa, Tetsuyuki Harada, Hiroshi Ozaki and Kintake Sonoike (2013) Disruption of the ndhF1 gene affects chlorophyll fluorescence through state transition in the
[r]
Suhara, "Method and device for measuring surface potential distribution, method and device for measuring insulation resistance, electrostatic latent image measurement device,
T.Edura, M.Nakata, H.Takahashi, H.Onozato, J.Mizuno, K.Tsutsui, M.Haemori, K.Itaka, H.Koinuma, Y.Wada, “Single Grain and Single Grain Boundary Resistance of Pentacene Thin
[r]
Fumio Ogawa, Jun Koyanagi, Hiroyuki Kawada, Characteristic of Nonlinear Viscoelastic Behavior in Vinylester Resin, 13th JSME Materials and Processing Conference,
また、学位授与機関が作成する博士論文概要、審査要 旨等の公表についても、インターネットを利用した公表
FOURTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON THE BIOLOGY OF VERTEBRATE SEX DETERMINATION April 10-14, 2006, Kona, Hawaii,
