発熱部品と放熱部品を直接重ねれば、熱はそのまま流れるように見える。

しかし実際には、完全な平面は存在しない。

金属や樹脂の表面は、一見平らに見えても、顕微鏡レベルでは微細な凹凸がある。

そのため、部品同士を重ねても、全面が密着しているわけではない。

実際には、接触している部分と、接触していない部分が存在する。

そして接触していない部分には、空気が入る。

熱対策で非常に重要なのが、空気層である。

空気は熱を伝えにくい。

そのため、発熱部品と放熱部品の間にわずかな空気層があるだけで、熱は流れにくくなる。

TIMの本質的な役割は、この空気層を埋めることである。

つまりTIMは、単に「熱を伝える材料」ではない。

熱を邪魔する空気を減らす材料である。

ここを理解することが、TIM理解の第一歩になる。

発熱部品と放熱部品の境界では、熱が流れにくくなる。

これを、接触熱抵抗という。

TIMは、この接触熱抵抗を下げるために使われる。

つまりTIMの目的は、材料と材料の間で熱が止まらないようにすることである。

熱対策では、材料単体の熱伝導率だけでなく、この界面部分の熱抵抗が非常に重要になる。

TIMには、さまざまな種類がある。

代表的なものは以下である。

　● 熱伝導シート

　● 熱伝導グリス

　● 熱伝導ゲル

　● ギャップフィラー

　● 相変化材料

　● 熱伝導接着材

　● 熱伝導パテ

それぞれに特徴があり、用途によって使い分けられる。

熱伝導シートは、シート状のTIMである。

厚み管理がしやすく、加工しやすいため、量産用途で使いやすい。

打ち抜き加工やラミネート加工にも対応しやすい。

一方で、部品表面の凹凸が大きい場合や、圧力条件が不十分な場合には、十分な密着が得られないこともある。

そのため熱伝導シートでは、

厚み

柔らかさ

圧縮性

貼り合わせ状態が重要になる。

熱伝導グリスは、ペースト状のTIMである。

柔らかいため、微細な隙間に入り込みやすく、接触熱抵抗を下げやすい。

CPUやGPU周辺でよく使われる。

一方で、

　● 塗布量の管理

　● はみ出し

　● ポンプアウト

　● 経年劣化

　● 作業ばらつき　などの課題がある。

量産工程では、塗布条件や管理方法が重要になる。

熱伝導ゲルやギャップフィラーは、部品間の隙間を埋めるために使われる。

柔らかく変形しやすいため、段差や公差を吸収しやすい。

AIサーバー、車載機器、電源機器、EV電池周辺などで重要になる。

一方で、厚みが大きくなると熱抵抗も増えやすい。

そのため、隙間を埋めることと、

熱抵抗を増やしすぎないことのバランスが重要になる。

相変化材料は、温度によって状態が変化するTIMである。

一定温度以上で柔らかくなり、接触面へなじみやすくなる。

これにより、界面の空気層を減らし、熱を流しやすくする。

ただし、使用温度、加熱条件、繰り返し信頼性などを考慮する必要がある。

TIM選定でよくある誤解がある。

それは、熱伝導率が高いTIMほど必ず冷えるという考え方である。

これは必ずしも正しくない。

もちろん熱伝導率は重要である。

しかし実際の熱性能は、熱伝導率だけでは決まらない。

　● 厚み

　● 密着性

　● 圧縮性

　● 表面追従性

　● 圧力条件

　● 気泡の有無

　● 経年変化

　● 量産ばらつき

によって、実際の放熱性能は大きく変わる。

場合によっては、熱伝導率が高い材料よりも、よく密着する材料の方が実使用で冷えることもある。

TIMは薄い方が熱抵抗を下げやすい。

しかし薄すぎると、部品間の凹凸や公差を吸収できないことがある。

その結果、空気層が残り、接触熱抵抗が増える。

つまりTIMでは、

薄さと、隙間を埋める能力のバランスが重要になる。

TIMは、部品表面の凹凸に追従する必要がある。

そのため、柔らかさや圧縮性が重要になる。

硬すぎるTIMは、表面の凹凸に追従できず、空気層が残る可能性がある。

一方で、柔らかすぎる材料は、形状保持性や長期信頼性に課題が出ることもある。

つまりTIMは、熱伝導率だけでなく、

機械的特性も重要になる材料である。

AIサーバーでは、GPUやAI半導体の発熱量が大きい。

その熱を冷却プレートやヒートシンクへ逃がすために、TIMが重要になる。

特にAIサーバーでは、

　● 高発熱

　● 高密度実装

　● 連続稼働

　● 液冷化

　● 保守性

　● 長期信頼性　が求められる。

そのためTIMには、単なる初期性能だけでなく、長期間安定して熱を流すことが求められる。

EVやESSでは、バッテリーセル、冷却板、絶縁材、筐体などの間で熱を制御する必要がある。

ここでもTIMやギャップフィラーが使われる。

ただしEVやESSでは、放熱だけでなく、

　● 絶縁性

　● 難燃性

　● 振動耐性

　● 圧縮追従性

　● 長期信頼性

　● 熱暴走時の安全性　も重要になる。

つまりEV・ESS向けTIMでは、熱を逃がすことと、

安全性を成立させることを同時に考える必要がある。

3D半導体では、チップやメモリが高密度に配置される。

すると、熱の逃げ道が複雑になる。

このとき、各層や各部材の界面で熱が止まると、局所的な温度上昇が起きる。

つまり3D半導体では、TIMや界面材料の役割がさらに重要になる。

今後の半導体実装では、回路設計だけでなく、

熱を逃がす界面設計が重要になる。

研究開発では、TIMに対して以下のような性能が求められる。

　● 高熱伝導率

　● 低熱抵抗

　● 柔軟性

　● 圧縮追従性

　● 電気絶縁性

　● 長期信頼性

　● 耐熱性

　● 難燃性

　● 低アウトガス性

しかし本質的には、TIMは材料単体の技術ではない。

材料と材料の界面をどう成立させるかという技術である。

TIMは、選定しただけでは性能が決まらない。

実際には、

　● どの形状に加工するか

　● どの厚みにするか

　● どの位置に貼るか

　● どの圧力で圧縮するか

　● 気泡を入れないか

　● 自動化工程でずれないか

　● 経年後も接触が維持されるか　で性能が変わる。

つまりTIMは、材料性能だけではなく、

実装品質で性能が決まる。

量産現場では、TIMに関して以下のような問題が起きることがある。

　● 打ち抜き時のバリ

　● 粉落ち

　● 形状ズレ

　● 貼り合わせズレ

　● 厚みばらつき

　● 気泡混入

　● 搬送時の変形

　● 剥離紙との相性

　● 自動機供給時の詰まり

　● 保管時の変形や粘着変化

これらが起きると、熱性能だけでなく、組立性や歩留まりにも影響する。

つまりTIMでは、材料を買うことより、

量産で安定して使える形にすることが重要になる。

OTISはTIM材料そのものを開発する会社ではない。

しかし、TIMを量産工程で使える形に加工する領域では貢献できる可能性がある。

OTIS視点で重要なのは、

　● 狙った形状に加工する

　● 狙った厚みで扱う

　● 微細形状に対応する

　● 貼り合わせ精度を高める

　● 異種材料と積層する

　● 自動化工程に合わせた供給形態にする

　● 量産時のばらつきを抑える　ことである。

TIMは材料であると同時に、工程部材である。

そのため、TIMをどう量産工程へ落とし込むかが重要になる。

OTISでは、

　● 熱伝導シートの加工

　● 放熱シートの打ち抜き加工

　● 絶縁放熱材の加工

　● 高精度打ち抜き

　● 微細加工

　● 高精度ラミネート

　● 異形状加工

　● 異種材料積層

　● リール供給

　● 自動化工程向け供給形態設計

などを通じて、TIMを量産で使える状態へ近づけることに貢献できる可能性がある。

特に、AIサーバー、EV、ESS、3D半導体などでは、熱対策部材の精度、厚み、貼り合わせ、供給形態が重要になる。

一方でOTISは、

　● TIM材料配合

　● フィラー開発

　● 樹脂設計

　● 材料物性そのものの開発

　● 熱シミュレーション専業解析

　● 冷却装置設計

を専門とする会社ではない。

しかし、TIMを量産工程で使える形にする

という領域では、重要な役割を担える可能性がある。

★★★★★ AIサーバー

★★★★★ GPU・半導体

★★★★★ EV・電池

★★★★★ ESS・蓄電システム

★★★★☆ データセンター

★★★★☆ 3D半導体

★★★★☆ ロボット

TIMは熱を伝える材料ではなく、界面を成立させる材料である

TIMとは、発熱部品と放熱部品の間に使われる熱伝導インターフェース材料である。

しかしTIMの本質は、単に熱伝導率の高い材料ではない。

本質は、

空気層を減らすこと

接触熱抵抗を下げること

材料と材料の界面を成立させること　である。

そのためTIMは、熱伝導率だけで選ぶと失敗することがある。

厚み、柔らかさ、圧縮性、接触状態、量産安定性まで含めて考える必要がある。

AIサーバー、EV、ESS、3D半導体など、未来産業で発熱密度が上がるほど、TIMの重要性は高まっていく。

そしてTIMは、材料として優れているだけでは足りない。

量産工程で正しく使える形になって、初めて熱対策になる。

ここに、OTISが貢献できる可能性がある。

 

 

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

 

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません