接触抵抗とは、材料同士が接している部分で発生する抵抗である。

熱の分野では、接触熱抵抗と呼ばれる。

例えば、

発熱部品

 ↓

TIM

 ↓

ヒートシンク　という構造がある。

このとき、熱は発熱部品からTIMへ、TIMからヒートシンクへ移動する。

しかし、その境界部分で熱が流れにくくなることがある。

この境界での流れにくさが接触熱抵抗である。

部品同士を重ねると、見た目には密着しているように見える。

しかし実際には、完全には接触していない。

金属表面も、樹脂表面も、フィルム表面も、顕微鏡レベルでは凹凸がある。

そのため、実際に接触しているのは一部だけである。

残りの部分には空気が入る。

そして空気は熱を伝えにくい。

つまり、見た目には接触していても、熱的には接触していないことがある。

接触抵抗を考える上で最も重要なのが空気層である。

空気は熱を非常に伝えにくい。

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。

つまり接触熱抵抗の本質は、接触していない部分に空気が残ることである。

この空気層を減らすために、TIM、ゲル、グリス、放熱シートなどが使われる。

TIMは、Thermal Interface Materialの略である。

発熱部品と放熱部品の間に入り、接触熱抵抗を下げるために使われる。

TIMの役割は、単に高熱伝導であることではない。

本質的には、空気層を埋めることである。

つまりTIMは、熱を伝える材料であると同時に、

接触を成立させる材料である。

接触熱抵抗は、圧力によって変わる。

部品同士を十分に押し付けると、接触面積が増え、空気層が減る。

その結果、熱は流れやすくなる。

一方で、圧力が不足すると、接触面積が小さくなり、空気層が残る。

つまり、圧力不足は熱性能を壊すことがある。

ただし、圧力をかければよいという単純な話でもない。

圧力が強すぎると、部材が変形したり、割れたり、応力が集中したりすることがある。

柔らかい材料は、表面の凹凸に追従しやすい。

そのため、接触熱抵抗を下げる上で有利になることがある。

例えば、ゲルやグリスは、微細な隙間へ入り込みやすい。

一方で、硬い材料は熱伝導率が高くても、表面に追従できず、空気層が残ることがある。

つまり、高熱伝導だが硬い材料より、

熱伝導率は少し低くてもよく密着する材料の方が、実際には冷えることがある。

柔らかい材料は接触には有利である。

しかし柔らかすぎると、別の問題が起きる。

　● はみ出す

　● 変形する

　● 厚みが安定しない

　● 位置がずれる

　● 長期圧縮で潰れる

　● 自動化工程で扱いにくい

つまり接触熱抵抗を下げるには柔らかさが重要だが、量産では形状安定性も必要になる。

熱対策材料では、柔らかさと、扱いやすさのバランスが重要である。

TIMや放熱シートは、厚みがあるほど段差や公差を吸収しやすい。

つまり接触を成立させやすくなる。

しかし、厚みが増えると材料内部の熱抵抗も増えやすい。

つまり、厚い方が接触には有利でも、

薄い方が熱抵抗には有利という矛盾がある。

このバランスを間違えると、思ったように冷えない。

接触する部品の表面状態も重要である。

表面が粗いと、実際の接触面積が減りやすい。

表面が平滑すぎても、材料との相性によっては密着しにくい場合がある。

つまり接触熱抵抗は、TIM側だけでなく、相手材側の表面状態にも影響される。

熱対策では、放熱材だけでなく、相手部品の表面も見る必要がある。

熱対策部材は、正しい位置に配置されて初めて機能する。

貼り位置がズレると、発熱部品と十分に接触しないことがある。

また、端部が浮いたり、段差に乗り上げたりすると、空気層ができる。

つまり貼り合わせズレは、熱の逃げ道を外すだけでなく、

接触熱抵抗を増やす原因にもなる。

接触面に異物があると、部材が浮く。

例えば、

　● 打ち抜きカス

　● 金属粉

　● グラファイト粉

　● ホコリ

　● フィルム片

　● 粘着材のはみ出し　などである。

異物によって一部が浮くと、そこに空気層ができる。

その結果、熱が流れにくくなる。

つまり熱対策では、異物管理も接触抵抗対策である。

温度が上がると材料は膨張する。

しかし材料によって膨張率は違う。

金属、樹脂、セラミック、粘着材、グラファイトでは、温度変化に対する動き方が異なる。

そのため、初期状態では接触していても、温度変化によって、

　● 浮き

　● 剥離

　● 反り

　● 応力集中

　● 圧力低下　が起きることがある。

つまり接触熱抵抗は、初期状態だけでなく、使用中にも変化する。

AIサーバーでは、GPUやAI半導体が大量の熱を出す。

その熱を冷却プレートや液冷部材へ逃がすには、界面の熱抵抗を低くする必要がある。

しかし接触状態が悪いと、どれだけ高性能な冷却装置を使っても熱は流れない。

その結果、

　● 温度上昇

　● サーマルスロットリング

　● 性能低下

　● 長期信頼性低下　につながる。

つまりAIサーバーでは、冷却能力だけでなく、

接触能力が重要になる。

EVやESSでは、電池セルと冷却部材の間の接触が重要である。

接触状態がばらつくと、セルごとの温度差が大きくなる。

温度差が大きいと、劣化速度にも差が出る。

その結果、

　● 電池寿命低下

　● 出力低下

　● セル間ばらつき

　● 安全性低下　につながる可能性がある。

つまりEV・ESSでは、接触抵抗のばらつきが、

寿命ばらつきになることがある。

スマートフォンやウェアラブル機器では、わずかな接触不良でも温度ムラが出ることがある。

局所的に熱がこもると、ユーザーが熱く感じる。

特にウェアラブル機器では、人体に近いため、少しの温度差でも不快感につながる。

つまり小型機器では、接触抵抗が、

体感品質に影響する。

接触熱抵抗は材料物性ではなく界面物性である

研究開発では、材料単体の熱伝導率が注目される。

しかし接触熱抵抗は、材料単体では決まらない。

接触熱抵抗は、

　● 材料A

　● 材料B

　● 表面粗さ

　● 圧力

　● 界面材料

　● 厚み

　● 温度

　● 経年変化　の組み合わせで決まる。

つまり接触熱抵抗は、材料物性ではなく、

界面物性として考える必要がある。

現場では、材料を変える前に接触状態を見る必要がある。

高性能材料を使っても、

　● 浮いている

　● 気泡がある

　● 圧力が足りない

　● 異物がある

　● 貼り位置がズレている

　● 表面が合っていない　場合、冷えない。

つまり冷えない原因は、材料ではなく、

接触していないことである場合がある。

量産工程では、以下のような問題が起きることがある。

　● 圧着ムラ

　● 気泡混入

　● 異物噛み込み

　● 貼りズレ

　● 厚みばらつき

　● 端部浮き

　● 剥離

　● 熱膨張による反り

　● 圧縮永久ひずみ

　● 経年後の接触低下

これらは、熱性能だけでなく、絶縁、防水、ノイズ、耐久性にも影響することがある。

OTISは、熱材料そのものを開発する会社ではない。

しかし、熱対策材料の接触状態を量産で成立させるための加工領域では貢献できる可能性がある。

OTIS視点で重要なのは、

　● 高精度打ち抜き

　● 高精度ラミネート

　● 厚み管理

　● 異種材料積層

　● 粘着材との組み合わせ

　● 剥離紙設計

　● 自動化工程向け供給形態

　● 貼り合わせ精度

　● 異物管理　である。

接触熱抵抗は、材料選定だけでは下がらない。

正しく接触する形に加工することが重要になる。

OTISでは、

　● TIM加工

　● 放熱シート加工

　● グラファイト加工

　● 絶縁材加工

　● 粘着材加工

　● 高精度打ち抜き

　● 微細加工

　● 高精度ラミネート

　● 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、熱対策部材の接触状態を量産で安定させることに貢献できる可能性がある。

一方でOTISは、

　● 接触熱抵抗そのものの理論解析専業

　● 材料配合設計

　● 熱シミュレーション専業解析

　● 完成品全体の熱設計

　● 冷却装置設計　を専門とする会社ではない。

しかし、熱対策材料を正しく接触する形にし、量産工程で安定させる

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

★★★★☆ スマートフォン

★★★★☆ ウェアラブル機器

★★★★☆ ロボット

熱対策は接触で壊れる

熱対策では、材料の熱伝導率が注目される。

しかし実際には、材料と材料の接触部分で熱が止まることがある。

これが接触熱抵抗である。

接触熱抵抗は、

　● 空気層

　● 圧力不足

　● 表面粗さ

　● 気泡

　● 異物

　● 貼りズレ

　● 厚みばらつき

　● 熱膨張　によって大きく変わる。

つまり熱対策は、良い材料を選ぶことだけでは成立しない。

良い接触状態を作ることが必要である。

そして量産では、その接触状態を何度も同じように再現しなければならない。

熱は、材料の中だけを流れるのではない。

材料と材料の間を越えて流れる。

だからこそ、接触抵抗を制御することが、熱対策の本質になる。

 

 

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