高性能熱インターフェース材料選定の主要基準

家電から航空宇宙まで、すべての電子デバイスは発熱部品から効率的に熱を逃がすためにアクティブな熱管理を必要とします。熱管理のボトルネックは、発熱部品と冷却部品の間の熱伝導にあることが多々あります。残念ながら、多くの電子デバイスはスペースの制約によりヒートシンクやファンから十分な冷却を得られません。こうした用途では、熱インターフェース材料（TIM）の性能がさらに重要になります。

高性能CPUやSoC（System on Chip）から熱を逃がす最も一般的な方法は、サーマルペーストやグリースです。これらは高性能ですが、欠点もあります。汚れやすく、時間がかかり、長期信頼性に劣る場合があります。また、従来の高熱伝導（>20 W/mK）TIMは高価で、製造上の困難と課題を伴うことが知られています。

TIMの主な機能とは？

ヒートシンクを発熱部品の上に置くと、自然にエアギャップが生じます。これらのエアギャップは高い熱抵抗を生み、過熱を招きます。TIMはエアギャップを熱伝導性材料で置き換えることでこの問題を解決します。システム全体の熱抵抗を低減し、より効率的な熱経路を作ります。必要に応じて、電気絶縁や接着固定を提供し、追加の機械的固定を不要にすることもできます。

TIMは表面の凹凸に追従しなければなりません。そうでなければ接触層で熱抵抗が増大します。ある程度の接触抵抗は避けられませんが、どんな熱伝導材料でも空気よりは有益です。

設計者は熱経路長を短くするために可能な限り薄いギャップを望みますが、不規則な基板でのウェッティングや接触を良くするために一定の厚みが必要な場合もあります。ポリマー樹脂の種類、フィラーの種類、フィラー充填率によってウェッティング能力は異なります。また、TIMの性能は熱機械的特性、適用圧力、基板表面仕上げ、環境によっても変わります。

TIM選定時に考慮すべき要因

形状（フォームファクタ）

グリース、ジェル、パッド、ペースト、テープ、相変化材料（PCM）、金属など、多くの種類のTIMがあります。TIMを選ぶ際は、製品とその性能をよく理解することが重要です。薄いギャップ充填にはグリースやPCMが一般的ですが、厚いギャップにはパッド、ジェル、パテペーストが適しています。

TIMは、デバイスのダイチップとヒートスプレッダーまたは蓋に対する位置関係に基づき、TIM 1、TIM 2、TIM 1.5に分類されます。例えば、TIM 1はダイチップとヒートスプレッダー/蓋の間に用いられ、主な目的は接触抵抗を減らし、プロセッサーから直接極限の熱を放散させることです。伝統的にはメタルソルダが使われますが、今日ではグリース、ジェル、PCMも使用可能です。

一方、TIM 2はヒートシンクとヒートスプレッダー/パッケージレベルSoCの間に適用されます。この用途では通常、パッケージレベルの熱管理はチップレベルほど極端ではないため、パッドのような厚めのTIMが使われます。TIM 2ではリワーク性と圧縮性が求められる場合があり、取り付けられたヒートシンクのニーズにより影響を受けます。

TIM 1.5では、チップダイがヒートスプレッダーなしで冷却部品と直接接触します。このカテゴリーのTIMはモバイルデバイスで一般的です。

ジェルとペーストは、パッドより薄いボンドラインにより、より高い圧縮性と熱性能を発揮できるため好まれることがあります。Thermexit™パッドは、優れた追従性と熱性能を両立することで、両方の課題を解決します。

 

 

熱伝導率

もう一つの重要な要因は熱性能です。電子デバイス内には発熱部品と冷却部品があり、どれだけの熱を放散できるかを決めます。つまり、環境温度とアクティブ冷却部品の有無が熱予算を決定します。熱予算がわかれば、TIMは熱設計に合わせて容易にカスタマイズできるため、どの種類のTIMが必要か判断できます。

物理的・機械的特性

硬度、たわみ、圧縮永久歪みなど、TIMの機械的特性も考慮すべきです。一部のユーザーは、感度の高い部品を保護するためにコンパウンドやジェルを好みますが、これらのディスペンス型製品には後で説明する欠点があります。アプリケーション圧力とギャップ厚み設計に適したTIMを見つけることが重要です。

電気絶縁性

TIMが電気絶縁性を持つかどうかも重要です。一部の用途は電気的連続性に非常に敏感です。ほとんどのサーマルギャップパッドは、比較的厚い適用によりグリース、ジェル、PCM製品とは異なり、優れた電気絶縁性を提供します。

アプリケーション

TIM選定時には長期信頼性を考慮すべきです。今日、多くの電子デバイスは極めて厳しい環境で使用され、高電力サイクルを必要とします。また、自動車産業向けTIMが機械的振動下でテストされることは重要です。

アプリケーション要因

各フォームファクタは、適用圧力、取り付け方法、ボンドライン厚み、形状、環境といったアプリケーション要因に関連します。取り扱いの容易さや環境といったシンプルな要因は見落とされがちですが、無視できません。

データシートを超えて考える

TIMのデータシートは有用な情報を提供しますが、選定の唯一の根拠にすべきではありません。TIMサプライヤーのデータの多くは、業界標準や独自の試験法に基づき、製品性能を最適化する条件で取得されています。しかし、同じTIM製品でも条件によって性能は異なります。一般的に熱伝導率が高ければ性能が良いと期待されますが、必ずしもそうとは限りません。また、低熱伝導率TIMで十分な用途に高熱伝導率TIMを使うと、同等のメリットが得られないこともあります。

ギャップパッドのタイプ

最後に、ギャップパッドを採用すると決めた場合、熱伝導率や圧縮性を検討する前に、基本特性と要件を見る必要があります。例えば、デバイスの動作温度が必要な樹脂化学を決定します。高温シリコーンTIMが必要か、代替樹脂系で対応可能かを知ることも重要です。一部のギャップパッドにはガラス繊維キャリアがあり、特定の用途には不向きな場合があります。適切な厚みだけで多くの厳しい熱問題が解決することもあります。

Thermexit™ソリューション

Thermexit™は、厚いボンドラインを克服し、薄いボンドラインTIMを上回る性能を発揮する高熱伝導ギャップパッドを開発しています。独自の非シリコーン高温樹脂はシリコーン樹脂化学に取って代わり、オイル汚染を最小限に抑えます。この樹脂系は非硬化系であり、優れた長期性能を提供します。

 

Thermexit™パッドは高圧縮性で、高い力や部品ストレスなしに接触抵抗を最小化します。ピックアンドプレースで簡単に実装でき、ペーストやゲルのような残留物や汚れなしで自然に粘着します。Thermexitは2製品ラインを提供：Thermexit EI（電気絶縁）とThermexit HP（高性能）。両パッドとも高熱伝導率で、それぞれ>15 W/mKと40 W/mKを実現します。

 

詳細については thermexit.com をご覧いただき、support@thermexit.com までお問い合わせください。