■なぜ接触が問題になるのか
例えば、
● CPU
● 放熱材
● ヒートシンクを、ぴったり接触させたつもりでも、
実際には、完全には接触していない。
これが、熱問題の本質の1つだ。
■金属表面は凸凹している
一見、平らに見える金属でも、顕微鏡レベルでは、
微細な凸凹が存在する。
つまり実際には、点で接触している状態に近い。
■接触していない場所には空気がある
ここで問題なのが、空気層である。
前回も触れた通り、空気は熱を非常に伝えにくい。
つまり、わずかな隙間だけでも、熱の流れが悪化する。
これが、接触熱抵抗である。
■材料は良いのに冷えないが起きる理由
現場でよくあるのが、高熱伝導材料を使ったのに冷えないという現象だ。
これは多くの場合、接触熱抵抗が原因になっている。
つまり、材料性能より、どう接触しているかの方が重要になるケースがある。
■接触熱抵抗は最後の敵
ここが非常に重要だ。
例えば、
CPU
↓
TIM
↓
ヒートシンク という熱経路があったとする。
材料自体は高性能でも、
● 浮き
● 圧力不足
● 段差
● 表面粗さ などによって、
接触部分で熱が止まることがある。
つまり、最後の接触が、全体性能を決めてしまう。
■TIMは隙間埋めの技術
ここで重要なのが、TIM（Thermal Interface Material）である。
TIMとは簡単に言えば、隙間を埋める材料である。
例えば、
● グリス
● シート
● ゲル
● パテなど。
これらは、空気層を減らすために使われる。
つまりTIMとは、接触熱抵抗を減らす技術とも言える。
■しかしTIMを入れても終わらない
ここが現場では重要だ。
TIMを入れても、
● 圧力不足
● 厚みムラ
● 気泡
● ズレ
● 経年変化 などによって、
接触熱抵抗は変化する。
つまり、TIMを使っただけでは足りない。
■AI時代は接触熱抵抗がさらに重要になる
AI時代では、
● 半導体高密度化
● 積層化
● 小型化 が進む。
すると、熱密度が急上昇する。
つまり、少しの隙間。
でも、大きな温度上昇につながる。
■数十μmが未来を止める
未来産業では、
● 数十μmの浮き
● 微細段差
● 圧力ムラだけでも、熱性能が変わる。
つまり未来では、数十μmが、
● AI性能
● EV寿命
● 半導体性能
● ロボット安定性 を左右する可能性がある。
■なぜ量産で難しくなるのか
試作では問題なくても、量産では崩れることがある。
理由は、
● 公差
● 組立ばらつき
● 圧力変動
● 材料変形
● 自動化誤差 など。
つまり接触熱抵抗は、量産すると急に難しくなる問題でもある。
■EVでは接触が安全性に直結する
EVでは、
● バッテリー
● 放熱板
● TIM
● 絶縁材 などが使われる。
ここで接触不良が起きると、
● 熱集中
● 劣化
● 熱暴走 につながる可能性がある。
つまり接触熱抵抗は、性能問題だけではなく、
安全問題でもある。
■人体装着機器では快適性まで変わる
ARグラスやウェアラブルでは、
● 顔接触
● 曲面
● 圧迫
● 発汗 なども関係する。
つまり人体装着型では、熱を逃がせるかだけではなく、
違和感なく接触できるかも重要になる。
■研究者視点 ： 理論性能より界面が重要になる
現在研究されているのは、
● 次世代TIM
● ナノ構造
● 柔軟放熱材
● 表面制御
● 接触最適化 など。
つまり今後は、材料そのものだけではなく、
界面が極めて重要になる。
■現場視点 ： 接触熱抵抗は見えない
実際の現場では、
● 浮き
● 気泡
● 圧力不足
● 微細ズレ
● 表面粗さなどが問題になる。
しかしこれらは、目で見えないことも多い。
つまり接触熱抵抗とは、見えない敵でもある。
最終製品化した場合、空気層が入っていても、気づけていないケースもあるかもしれない。
その場合、想定した熱対策は半減以下になっていると思われる。
■接触熱抵抗は工程で決まる
ここがOTIS的に最重要。
例えば、
● 打ち抜き精度
● 貼り合わせ精度
● 圧力条件
● 材料厚み
● 公差
● 自動化安定性などでも、接触熱抵抗は変わる。
つまり熱対策とは、材料性能だけではなく、
工程成立で決まる。
■OTIS視点で重要なこと
OTIS視点では、接触熱抵抗問題で重要なのは、
● 微細加工
● 高精度打ち抜き
● 高精度ラミネート
● 異種材料接触
● 圧力安定性
● 公差管理
● 自動化供給
● 量産安定性
● 剥離バランス など。
つまりOTISは、熱が流れる接触状態を量産で成立させることへ向き合っている。
■OTISでできること
OTISでは、
● 微細加工
● 高精度打ち抜き
● 高精度ラミネート
● 熱対策材料加工
● 異形状積層
● 薄膜加工
● リール供給 対応などを通じて、
接触熱抵抗を増やさない量産工程へ貢献できる可能性がある。
■OTISの専門外
一方でOTISは、
● 半導体回路設計
● GPU設計
● CFD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、接触熱抵抗を量産で成立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。
■まとめ ： 未来産業を止めるのは、わずかな隙間かもしれない
熱問題では、材料性能 だけでは足りない。
実際には、
● 浮き
● 空気層
● 圧力
● 接触状態によって、接触熱抵抗 が発生する。
そして未来産業では、
● 小型化
● 高密度化
● 積層化 によって、
数十μmの隙間 が、巨大な問題になる。
つまり未来では、熱の最後の接触条件 を、どれだけ成立できるかがますます重要になっていく。
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
